摻稀稠油井系統效率計算方法改進

劉玉國，任文博，袁 波，李 浩，楊 志

(1.中國石化西北油田分公司，新疆 輪臺 841604；2.西南石油大學，四川 成都 610500)

0 引 言

系統效率是評價抽油系統能耗和管理水平的重要指標[1]。各油田系統效率的測算均參考SY/T 5264—2012《油田生產系統能耗測試和計算方法》[2]及SY/T 5266—1996《機械采油井系統效率測試方法》[3]。不同油田的原油特性、開采方式和工作制度不同，抽油井系統效率也各有差異。目前，塔河油田稠油井基本采用環空摻稀油降黏方式，系統效率計算方法參考SY/T 5264—2012。塔河油田普通稠油井(非摻稀)與摻稀稠油井的系統效率計算數據表明，其系統效率遠低于國內平均水平。針對此問題，通過分析摻稀稠油井系統效率的影響因素[4-5]，結合摻稀稠油井工況及生產特點，在現有行業標準基礎上改進、研究出一套適用于稠油及摻稀稠油井的系統效率計算方法，對于科學客觀評價稠油井和摻稀稠油井的系統效率具有重要意義。

1 現行計算方法與局限性

抽油井系統效率定義為系統有效功率P有與系統輸入功率Pλ的比值，有效功率為：

(1)

式中：P有為抽油井系統有效功率，kW；Q為泵排出液量(地面產液量)，m3/d；ρL為油管內混合液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為抽油泵有效揚程，m。

有效揚程為：

(2)

式中：Lr為動液面深度，m，可由回聲儀法[6]或示功圖法[7-8]測定；pt、pc分別為井口油壓、套壓，MPa。

分析表明,摻稀稠油井具有泵出口以上油管內流體黏度大、流動阻力大且環空內稀油密度通常小于油管內液體(混合液)密度的特點，故SY/T 5264—2012中推薦的抽油井系統效率計算方法在計算摻稀稠油井系統效率時存在局限：①有效功率中未計入抽油泵克服泵出口至井口的流動摩阻做功，稠油井摩阻較大，該項有效功率較大，導致稠油井有效功率被低估，系統效率偏低；②沒有考慮環空摻入稀油對有效揚程和有效功率的影響；③沒有考慮地面摻稀泵對輸入功率的影響。因此，現有抽油井系統效率測算方法只適用于流動阻力很小且無摻稀生產工藝的稀油井，而不適用于普通稠油井與摻稀稠油井，不利于稠油井系統效率的客觀評價。

2 改進算法

2.1 有效功率的改進算法

本質上，抽油系統有效功率為抽油泵克服其出口與入口壓差所做的功，即：

P有=Q(ppump2-ppump1)/86.4

(3)

式中：ppump1為抽油泵入口壓力，MPa；ppump2為抽油泵出口壓力，MPa；

抽油泵的出口壓力為：

ppump2=pt+10-6ρLgLp+pf

(4)

式中：Lp為泵掛深度，m；pf為抽油泵出口以上油管中的流動阻力，MPa。

摻稀稠油井抽油泵入口壓力為：

ppump1=pc+10-6ρxg(Lp-Lf)

(5)

式中：ρx為摻入稀油的密度，kg/m3。

普通稠油井抽油泵入口壓力為：

ppump1=pc+10-6ρog(Lp-Lf)

(6)

式中：ρo為原油密度，kg/m3。

有效功率改進算法的關鍵在于泵出口以上油管內摩阻的計算，該摩阻與油管內流體黏度和黏溫關系有關，需逐段迭代計算油管內流動摩阻[9]。油管內流體黏溫關系計算公式[10]為：

(7)

式中：Ti為第i段油管內的平均溫度，℃；μLi為第i段油管內流體黏度，mPa·s；a、n為稠油黏溫關系參數，推薦采用實測多組黏溫數據回歸擬合得到。

根據單位油管段內流體平均黏度，參考采油工程及流體力學方法[11-12]，推導出油管與抽油桿環空內的流動阻力為：

(8)

式中：Li為第i段油管長度，m；Doi、Dri分別為第i段油管的內徑及對應抽油桿直徑，mm。

有效功率本質上為抽油泵克服出口與入口壓差所做的功，改進算法從這一理論出發，結合摻稀稠油井生產特點，對摻稀稠油井抽油泵出口與入口壓力算法進行了改進：①計算泵出口壓力時考慮了泵出口至井口的流動摩阻，見式(4)；②計算泵入口壓力時考慮了摻入稀油密度與油管內流體密度的差異，用摻入稀油密度替代油管內流體密度，見式(5)；對于普通稠油井，泵入口壓力計算方法見式(6)。改進后的有效功率計算方法既適合稀油井又適用于普通稠油井與摻稀稠油井。

2.2 有效揚程的改進算法

將式(3)、(4)、(5)代入式(1)，得到有效揚程為：

(9)

其中，普通稠油井用ρo代替ρx。

式(9)充分考慮了油管內流體的流動摩阻與環空摻入流體密度對有效揚程的影響，可用于稠油井和摻稀稠油井，因此，是抽油井有效揚程的“普適性”計算方法。

假如忽略油管內流動摩阻和油管內混合液密度與稀油密度的差異，式(9)與標準式(2)一致，即稀油井的標準算法只是改進算法的特殊形式。

2.3 摻稀泵對系統效率的影響

2.3.1 摻稀泵系統效率

摻稀稠油井抽油系統實際包含了摻稀與抽油2個部分，SY/T 5264—2012中只考慮了抽油泵部分，沒有考慮摻稀泵對系統效率的影響。

摻稀泵輸入功率為：

(10)

式中：Pcx1為摻稀泵輸入功率，kW；Icx為摻稀泵電機電流，A；Ucx為摻稀泵電機電壓，V；cosΦcx為摻稀泵電機功率因數。

摻稀泵有效功率為將稀油摻入井筒需克服摻稀管線摩阻、高程等做的功，即：

Pcx2=(pcxout-pcxin)Qcx/3.6

(11)

式中：Pcx2為摻稀泵有效功率，kW；Qcx為摻稀泵排量，m3/h；pcxout、pcxin分別為摻稀泵出口壓力、入口壓力，MPa。

摻稀泵系統效率為：

(12)

式中：ηcx為摻稀泵系統效率，%。

在稠油摻稀生產現場，一個摻稀系統(站)可能同時對多口井摻稀，為便于對摻稀與抽油組合系統的考核評價，可將摻稀系統的輸入功率、有效功率按摻稀量進行分配。如某摻稀站輸入功率為N1、有效功率為N2、總排量為Qcx,A井摻稀量為QA，則A井摻稀系統的輸入功率為pcxA1=N1QA/Qcx，有效功率為pcxA2=N2QA/Qcx。

2.3.2 摻稀-抽油組合系統的系統效率

對于摻稀-抽油組合系統而言，全系統的輸入功率為摻稀電機與抽油機電機輸入功率之和；全系統有效功率為摻稀泵做功與抽油泵做功之和，則摻稀-抽油組合系統的系統效率為：

(13)

式中：η總為摻稀-抽油組合系統的系統效率，%；P總入、P總有分別為摻稀-抽油組合系統的輸入功率和有效功率，kW。

3 現場實例應用分析

以塔河油田部分摻稀稠油井為例，根據抽油井基本測試參數和摻稀泵實測參數，得出摻稀稠油井不同算法的系統效率(表1)。

表1 摻稀稠油井不同算法系統效率對比

由表1中摻稀稠油井系統效率2種算法的對比可得到以下認識。

(1) 改進算法是在現行標準基礎上結合摻稀稠油井生產特性推導得到的，如果不考慮摻稀稠油井油管內摩阻、環空稀油密度和摻稀泵的影響，改進算法同標準算法完全一致，也可用于稀油井系統效率的計算。

(2) 根據SY/T 5264—2012計算得到5口摻稀稠油井的平均有效揚程為1 364 m，平均有效功率為4.73 kW，考慮摻稀稠油井油管內摩阻和環空稀油密度的影響，用改進算法得到的平均有效揚程為1 600 m，平均有效功率為5.71 kW。各摻稀稠油井油管內摩阻、摻入稀油密度不同，有效揚程增加幅度也隨之變化，進一步導致有效功率增加幅度不同。

(3) 根據SY/T 5264—2012計算得到的抽油部分平均系統效率為25.70%，改進算法得到的平均系統效率為33.20%，提高了7.50個百分點，這是由于改進算法“找回”了抽油泵克服泵出口以上油管內摩阻及密度差所做的有效功率，更能客觀反映摻稀稠油井的實際狀況。

(4) 摻稀-抽油組合系統包含抽油和摻稀2個部分，計算系統效率時，需考慮摻稀泵的影響，改進算法得到的摻稀-抽油全系統平均系統效率為35.46%，各摻稀稠油井系統效率的增加幅度與摻稀泵系統效率有關。

(5) 油管內流體黏度低、油管摩阻小，2種算法的系統效率差異小，如TH12159井；油管內流體黏度越大、油管摩阻越大，2種算法的差異越大，如TH12191井。因此，現行算法適用于稀油井，改進算法可用于稠油井、摻稀稠油井與稀油井系統效率的計算。

4 對稠油井系統效率測算標準的修正建議

除按照SY/T 5264—2012需對抽油系統的電參數(抽油機電機的輸入功率或電流、電壓和功率因數等)、井口參數(油管壓力、套管壓力、產液量、含水率等)、動液面、光桿參數(示功圖)測試與計算外，稠油井和摻稀稠油井系統效率計算時還需考慮以下因素。

(1) 增加井口取樣，并對取樣流體按SY/T 0520—2008進行流體黏度測試[13](不少于3個黏溫點)。

(2) 增加井口溫度測試，以結合地層溫度進行井筒溫度計算。

(3) 增加油管直徑、抽油桿直徑和長度統計數據。

(4) 增加油管內流體黏度與油管內流動阻力的計算。

(5) 增加摻稀泵電機電參數、摻稀泵入口壓力和出口壓力、摻稀量的測量。

(6) 增加稀油密度測量，考慮摻入稀油密度對有效揚程的影響。

(7) 有效功率或有效揚程的計算中增加油管內流動摩阻、摻入稀油密度的影響項。

(8) 當摻稀稠油井需考慮摻稀泵影響時，增加摻稀-抽油全系統效率的計算。

5 結論與建議

(1) 現有抽油井系統效率測試與計算標準中未考慮克服油管內摩阻、克服環空流體密度與油管內流體密度差所做的有效功率，不適用于稠油井與摻稀稠油井。

(2) 稀油井、高含水井泵出口以上油管內摩阻很小，抽油井系統效率計算中可以不考慮該摩阻。

(3) 文中提出的系統效率改進算法同時適用于稀油井、稠油井、摻稀稠油井，便于不同類型井系統效率的橫向對比。

(4) 建議修訂SY/T 5264—2012時，抽油井系統效率計算方法參考文中提出的改進算法。

[1] 朱志宏，承寧.新疆油田提高抽油井系統效率探討[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報)，2005，27(5)：632—634.

[2] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.油田生產系統能耗測試和計算方法：SY/T 5264—2012[S].北京:石油工業出版社，2013: 5-8.

[3] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.機械采油井系統效率測試方法：SY/T 5266—1996[S].北京：石油工業出版社，1997:3-4.

[4] 付光勇.提高沈陽油田抽油機井系統效率對策研究[J].特種油氣藏，2008,15(增刊1)：245-247.

[5] 劉波.抽油機井系統效率影響因素分析及對策研究[D].武漢：長江大學，2013.

[6] 閆貴堂.動液面連續監測技術在抽油井上的應用[J].石油工程建設，2012,38(5):61-62.

[7] 楊志,蔡龍浩，胡茜茜，等.井下泵功圖獲取動液面深度的計算方法[J].石油地質與工程，2013,27(3):139-141.

[8] 楊利萍.用示功圖計算抽油機井動液面深度[J].石油地質與工程,2010,24(5):101-103.

[9] 李穎川.采油工程[M].北京：石油工業出版社,2002：87-88.

[10] 劉莉.基于稠油的黏溫特性及除砂機理試驗研究[D].武漢：長江大學，2012.

[11] 張琪.采油工程原理與設計[M].北京：中國石油大學出版社，2006：33-35.

[12] 袁恩熙.工程流體力學[M].北京：石油工業出版社，2010：85-91.

[13] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.原油黏度測定旋轉黏度計平衡法：SY/T 0520—2008[S].北京:石油工業出版社，2008：1-2.