超長沖程新型節能舉升采油技術優勢探討

王秀斌（大慶油田有限責任公司頭臺油田開發公司）

大慶外圍油田屬于低產油田，隨著開發時間的延長，低產井比例逐年增加，平均單井日產液量僅3 t。舉升方式以抽油機為主，系統效率低、偏磨嚴重問題突出，新型塔架式抽油機雖可實現沖程最大7 m、沖速最低0.4 min-1的超長沖程低沖速方式生產，但與常規抽油機對比，塔架式抽油機傳動系統、控制系統穩定性不足，推廣空間受限，因此近幾年在頭臺油田試驗了超長沖程新型節能舉升采油技術[1]。

1 工藝技術

1.1 超長沖程抽油機

地面設備主要由電動機、滾筒、控制柜、斜拉桿、滑輪、井架等組成（圖1）。電動機通過減速箱帶動滾筒旋轉，實現柔性抽油桿往復運動，通過控制系統按設定好的生產制度實現自動運行。

通過進行現場試驗，不斷完善改進，傳動系統已使用變速箱齒輪傳動，輸出扭矩變大，運行更加穩定；制動系統應用電動機電磁制動與滾筒機械鎖止相結合的方式，制動距離短、穩定，不受停電影響；控制系統實現柔性控制，生產參數、工作制度可智能設定，超長沖程抽油機換向時沖擊載荷小、運行平穩，應用時間最長井已平穩運行2.5年。

1.2 超長沖程抽油泵

超長沖程抽油泵結構如圖2所示，其采用5級泵筒連接，全長50 m，為保證整體同軸度，多級泵筒通過細螺紋平扣連接，設計限位鎖緊實現端面密封；為提高泵筒硬度及耐磨性能，泵筒內壁鍍鉻處理，絲扣部位采用液體共滲處理；為提高泵筒防垢、密封效果，泵筒底部采用雙套固定閥，降低了固定閥漏失量。通過以上改進，實現超長沖程抽油泵同軸度小于0.03 mm，密封等級1級，柱塞長1.2 m，井下運行穩定性與普通抽油泵相近。

1.3 柔性抽油桿

超長沖程抽油機可實現超長沖程運行主要是因為地面柔性抽油桿在滾筒內盤繞與井下超長沖程抽油泵配套舉升[2]。經過逐步優化改進，柔性抽油桿采用直徑16 mm鋼絲繩，外部編織鋼絲網，涂覆高分子材料，以提高耐磨、抗腐蝕性能，利于井口密封。鋼絲繩接頭采用壓接方式，置于密封腔內與抽油桿連接。

1.4 抽油桿柱配比優化

從降低運行載荷、提高系統效率方面考慮，使用線密度小的鋼絲繩比普通抽油桿更有優勢，但是在抽油機下沖程時抽油桿受上浮力、反向摩擦力和液體黏滯阻力的作用，為保證抽油泵正常工作普通抽油桿長度不能過短，因此通過理論計算確定超長沖程井合理桿柱配比經驗公式[3-5]。

抽油桿上浮力、鋼絲繩上浮力、抽油桿自身重力分別為

圖1 超長沖程采油技術地面部分

圖2 超長沖程抽油泵結構

式中：F浮桿——抽油桿上浮力，N；

F繩浮——鋼絲繩上浮力，N；

d——抽油桿直徑，mm；

d1——鋼絲繩直徑，mm；

h——抽油桿長度，m；

H——抽油泵下泵深度，m；

G桿——抽油桿自身重力，N；

ρ——井筒內液體密度，kg/m3；

ρ桿——抽油桿密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

忽略抽油桿法向摩擦力和液體黏滯阻力為

將式（1）、（2）、（3）代入式（4），求得超長沖程采油井合理抽油桿柱配比經驗公式為

其中式（5）適用于泵深小于2000 m，日產液量小于10 t的非稠油采油井。設定下泵深度為1000 m，鋼絲繩直徑為28 mm，井筒內液體密度為1000kg/m3，抽油桿直徑為22mm，密度為7800kg/m3，將設定數值帶入式（5），求得h為192.4 m。

若考慮抽油桿法向摩擦力和液體黏滯阻力等，為保證抽油泵正常工作還要把抽油桿長度乘以安全系數；直線度好、下沖程速度慢、液體黏度低的采油井可以取較小的安全系數，反之要取較大的安全系數；建議安全系數的取值范圍為1.5～2，則22 mm抽油桿長度為289～385 m[6]。

2 節能機理

2.1 研究試驗

在超長沖程抽油機標準井上（泵深854 m），測試了動液面分別在252、380、510 m條件下，電流、功率、能耗等電參數，計算超長沖程抽油機泵效、系統效率等數據（表1），并評價了超長沖程抽油機的運行效率及工作性能[7]。

對超長沖程抽油機的工作效率及工作性能的評價可以從以下4個方面分析：

1）泵效。應用超長沖程抽油機后，在動液面252、380、510 m三種條件下，測試產液量及動液面，隨著動液面的增加，泵效有所降低，但泵效均大于83%，表明超長沖程抽油泵工作性能較好。

2）系統效率。隨著動液面加深，系統效率顯著增加。當液面達到510 m時，系統效率達到40%左右，如果進一步加深系統效率能夠達到更高水平，表明超長沖程抽油機系統具有較高的效率；且該抽油機雖未配置平衡重，但在下沖程時對電動機做負功可以給電動機發電，產生的電能通過回饋單元并入電網可繼續使用，在一定程度上可降低無平衡能耗損失與地面傳動能耗損失。

表1 超長沖程抽油機在不同動液面下參數變化情況

3）沖程損失小。當滿足1000m泵掛，外徑44mm抽油泵，直徑19 mm抽油桿，油井沉沒度200 m的條件時，抽油桿理論伸長量（即沖程損失）計算公式為

式中：ΔL——抽油桿理論伸長量，m；

L——抽油機沖程，m；

E——彈性模量，MPa。

通過計算，常規抽油機沖程3 m時，沖程損失為0.20 m，沖程損失率為6.7%；超長沖程抽油機沖程50 m時，沖程損失為0.14 m，沖程損失率為0.28%。

4）運行次數減少。超長沖程抽油機可長期勻速、平穩運行，根據采油井供液能力實現自動啟停機間歇采油。對于排量5 m3/d的采油井，應用常規抽油機沖速數每天可達5760次，超長沖程抽油機每天僅58次，既能達到高效節能的目的，又使桿管磨損次數大幅降低。

2.2 適應井況分析

超長沖程節能采油技術適合日產液量小于2 t的抽油機井，地層供液嚴重不足，舉升系統能耗高、桿管偏磨嚴重。這類井應用超長沖程節能舉升采油技術，采用外徑44 mm泵徑，50 m沖程間歇采油，日運行次數不足60次，沖速可降至0.04 min-1，舉升系統效率高，能有效緩解桿管偏磨。

超長沖程節能采油技術不適合在結蠟、結垢嚴重的區塊應用。結垢嚴重井易導致活塞卡死泵筒，作業時鋼絲繩不同于抽油桿無法倒扣起出，易將整根鋼絲繩報廢，作業成本高；結蠟嚴重井還易導致上沖程時鋼絲繩載荷增大，降低鋼絲繩使用壽命，下沖程載荷變小，柔性鋼絲繩下行易遇阻，影響運行時率。

3 現場應用

自2015年以來，在頭臺油田現場應用40口超長沖程采油井，其生產參數如表2所示，平均單井日產液量為1.4 t，與改造前抽油機井對比，改造后平均單井沖程提高47 m，沖速降至0.04 min-1，泵效提高18.8個百分點，單井日節電量87.8 kWh，噸液舉升耗電量減少71.5 kWh，系統效率提高6.1個百分點。

表2 超長沖程采油井改造前后對比

4 結論

1）超長沖程節能采油技術，可實現超長沖程特低沖速方式生產，與常規抽油機對比，節電效果顯著。日運行次數大幅降低、系統效率提升明顯，有效緩解了低產井桿管偏磨嚴重的問題。

2）外圍采油廠產液量2 t以下的采油井共有6790口，該技術具有較強的適用性，可廣泛用于外圍各采油廠低產低效井，具有較好的推廣應用前景。

3）經過幾年的現場試驗與技術改進，超長沖程節能采油技術已逐步完善，目前存在的主要問題是柔性抽油桿使用壽命短及井口密封性差。建議下步加強柔性抽油桿及盤根盒的技術改進。

參考文獻：

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[4]呂大偉，姜大偉.一機雙集全平衡抽油機的研究與應用[C]//大慶油田有限責任公司采油工程研究院采油工程文集.北京：石油工業出版社，2011：39-41.

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