提高抽油機井系統效率潛力分析和評價方法研究

李濤（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

作為機采井措施調整和參數優化的決策依據，系統效率日益受到重視，利用系統效率指標可將油井產能、舉升工藝和節能降耗有機地統一起來。目前各油田都開展了提高機采井系統效率的工作。

提高抽油機井系統效率主要有以下途徑：應用節能型技術設備，主要有節能型抽油機、節能電動機、節能控制器等，以及在井下管桿設計中使用新工藝；加強抽油機井科學管理，包括機桿泵的優化設計，調抽油機平衡，抽油機井的保養維護等。

大慶油田在提高抽油機井系統效率方面優化了近2000口井，提高的幅度為5%～20%，差距很大。在投入相當的情況下，不同產能狀況、不同措施途徑所取得的效果不同。針對影響系統效率的單井敏感性因素和區塊產能條件、技術設備條件進行分析評價，并以此給出評價系統效率的依據。

1 單井系統效率敏感性分析

要找到可提高系統效率潛力所在，必須針對單井抽油系統各節點對系統效率影響的敏感性加以分析。在有桿泵抽油系統中，機采井系統效率可分為地面和地下兩大部分。其中地面設備對系統效率影響主要取決于光桿載荷、光桿功率、四連桿機構效率、減速箱和電動機效率等，其效率損失也主要集中在井口盤根、四連桿機構、皮帶減速器以及電動機上。

通過常規的優化措施在井口盤根、四連桿機構、皮帶減速器方面提高的效率較低，工作重點主要集中在降低電動機輸入功率方面[1]。

多因素敏感性分析假定條件是同時變動因素互相獨立，考慮以上各影響因素相互關聯，做抽油系統單因素敏感性分析，即單井優化前后產能不變（其他效率影響不變），按目前使用節能電動機平均有功節電效果10%計算，可提高系統效率3.73個百分點。

預測通過抽汲參數優化設計可降低的電動機輸入功率可按下式[2]計算：

式中：P1——抽油機輸入功率，kW；

P光桿——光桿功率，kW；

A——示功圖面積，cm2；

Sd——示功圖減程比，m/mm；

fd——示功圖力比，N/mm；

n——沖速，min-1。

按喇嘛甸油田目前抽油機井產能水平，以平均可下調沖速2 min-1計算，有功功率可降低2.98 kW，可增加系統效率14個百分點。

井下效率損失主要集中在抽油泵和抽油桿柱上。提高井下效率常用措施需通過增大泵效實現，以原生產狀況正常井為例，僅通過參數調整可提高泵效5%～10%，按此計算可提高系統效率5個百分點。

綜上所述，提高系統效率以抽汲參數優化效果最佳，節能設備使用效果次之。為保證單井產能水平不變，抽汲參數優化須結合增大沖程、更換大泵等措施。

2 區塊產能與系統效率提高潛力的關系

由系統效率η定義可知

其中

式中：P2——抽油機有效功率，kW；

q——油井產液量，m3/d；

H——有效揚程，m；

ρ——油井液體密度，t/m3；

g——重力加速度，g=9.8 m/s2。

抽油系統有效功率不但與泵排液能力有關，而且與油井產能有密切關系。要分析系統效率提高潛力、確定通過節能工作可提高系統效率上限，必須建立油井區塊產能條件、生產設備差異性與系統效率間的關系。

2.1 區塊產能與系統效率的關系

油田抽油機井各機型系統效率情況如表1所示。統計結果表明，配備不同型號設備的抽油機井系統效率水平差異較大。原因是油井設備選擇是按產能大小設計，油井原始產能狀況很大程度上決定了該井可達到的最高系統效率水平[3]。

表1 油田各機型系統效率統計

為建立系統效率指標和機采井區塊產能狀況的關系，選擇采油指數作為建立系統效率與區塊產能關系的中間媒介，以此建立系統效率與油井區塊特性、技術裝備條件間的關系。采油指數是反映油層性質、流體物性、完井條件及泄油面積等與產量之間關系的綜合指標。其數值等于單位壓差下的油井產量，可用來評價和分析油井的生產能力[4]。

采油指數關系式為

式中：J0——采油指數，t/（d·MPa）；

Pr——油層靜壓，MPa；

Pwf——油層流壓，MPa。

為反映系統效率隨采油指數的整體變化趨勢，以η為原函數，J0為近似函數，通過求解做最小二乘擬合，應用數據擬合繪制不同井網的機采井系統效率與采油指數函數曲線（圖1）。

圖1 機采井系統效率與采油指數函數曲線關系

由圖1可知，為保持相同系統效率水平，三次加密井要求的油藏產能狀況更好。區塊產能性越差，其所能達到系統效率指標越低。油井的系統效率理論上可達到100%，但越逼近其所要求的原始油藏或區塊產能性越高，實際不能達到。不同開采區塊、層位的系統效率逼近趨勢說明，受油藏產能狀況條件影響，相應可達到的系統效率水平不同。

表2 油田抽油機井系統效率水平

2.2 油田系統效率水平評價及潛力分析

表2列出了各不同區塊油田抽油機井平均系統效率水平。由表2可知，盡管還受其他因素影響，但不同區塊油藏產能水平差異決定了區塊系統效率整體水平的高低。同時受油藏區塊產能差異、技術設備條件影響，即使采取措施進行優化，可以提高系統效率幅度也有界限。

以10#油田為例，該廠平均日產液3 t，消耗功率為3.616 kW，平均系統效率6.76%。

按上述油井有效功率與產量等參數關系，實際上產液與功耗為互變函數，任一項改變都會影響另一項變化，直至達到新的關系平衡。為求得最大系統效率增值，假設有功能耗等其他生產參數不變，按現沉沒度55.7 m，單井日產液最多可增加2 t，由此可增加系統效率4.51個百分點。

考慮到抽油機井用電動機空耗，按此計算，通過采取措施，單井消耗功率最大可降低1.05 kW，系統效率可增加2.79個百分點。實際上以能耗最低方法進行系統效率優化，10#油田平均可提高系統效率5個百分點。

3 提高系統效率方法及應用效果

對于產能差的抽油機井，以應用節能型技術設備為主，從降低能耗方面實現提高系統效率的目的。

對于區塊產能狀況良好的抽油機井，應最大化挖掘產能潛力，同時結合抽汲參數設計優化，在經濟化投入的前提下可適當應用節能型設備[5]。

在實施提高系統效率優化試驗中（表3），充分考慮了不同井區塊產能差異、技術設備條件，按能耗最低原則，均最大程度上進行了井下和地面的優化調整。對于區塊產能狀況好的井，通過換大泵結合調整抽汲參數提高系統效率；對于產能狀況差的井在措施中優先使用節能技術設備。由表3可知，在優化工作中根據單井實際狀況選取不同側重點的優化措施可獲得很好的效果。

表3 單井提高系統效率措施應用效果

4 抽油機井系統效率評價依據

對抽油機井系統效率進行綜合評價，有利于更全面系統地進行優化措施手段的優選，對機采井生產及管理指標進行考核管理。

系統效率評價應考慮以下三點：

◇應同時包括單井節點效率損失評價以及分區塊、分層位、分井網評價在內的整體評價；

◇應依據區塊產能差異性特點進行分級評價；

◇應充分考慮現有抽汲設備生產能力對系統效率的影響。

5 結論

1）提高油井系統效率以抽汲參數優化效果最佳，節能設備使用效果次之。最大化挖掘系統效率潛力需多種措施方法綜合運用。

2）應用采油指數建立系統效率與區塊產能的關系，計算油井不同區塊產能條件、技術裝備條件下抽油系統效率上限有利于經濟、合理地開展優化工作。

3）在進行提高系統效率的措施工作中應充分考慮節能設備、參數調整取得效果和局限，針對性地采取措施。

[1]劉濤.抽油機井系統效率影響因素及節能潛力分析[J].城市建設理論研究，2014（17）：19-20.

[2]張琪.采油工程原理與設計[M].山東東營：石油大學出版社，2006：135.

[3]韓二濤，黃偉，甘慶明，等.低滲透油田抽油機井系統效率及評價指標[J].石油礦場機械，2012，41（8）：69-72.

[4]李穎川.采油工程[M].北京：石油工業出版社，2009：217.

[5]鄭海金，鄧吉彬.抽油機井系統效率潛力評價與分布規律研究[J].節能技術，2008，26（2）：22-25.