三元復合驅有桿泵舉升參數優化研究

周萬富

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三元復合驅有桿泵舉升參數優化研究

周萬富

（大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163002）

三元復合驅技術可以改善高含水油田的驅替效果，提高油層的采出程度。在三元復合驅的不同驅替階段，采出液流變性能不同，會影響有桿泵的泵效。基于改進的有桿泵系統效率計算模型，通過迭代算法優化了不同驅替階段的下泵深度、沖程、沖次和泵徑，研究了扶正器個數、沖程、沖次和驅替階段對系統效率的影響規律。計算結果表明，沖程、沖次對系統效率影響較大，系統效率隨沖程和沖次的增加先增加后平緩，主段塞驅替階段的系統效率最低。扶正器會降低系統效率但是不明顯。

三元復合驅；有桿泵；系統效率；舉升參數

三元復合驅技術可以提高地層驅油效率和波及系數，緩解地層非均質性對驅替效果的影響，對提高油田中后期采收率，維持油田產量有重要作用[1?2]。三元復合驅采出液黏度較大，在生產過程中會加劇抽油桿偏磨[3?4]，因此需要在抽油桿上加裝扶正器，而扶正器在上下沖程中會增加抽油桿與油管和液柱的摩擦力，從而對抽油機懸點產生附加載荷，影響抽油機的系統效率[5?6]。三元復合驅在大慶油田應用時分為前置聚合物驅替、主段塞驅替、副段塞驅替和后續聚合物驅替階段，每段的驅替液成分不同，流變性也不同，在井筒中的采出液也會體現不同的流變性，影響采出液在井筒中的流動，由于油田越來越注重精細化管理，因此需要針對不同的驅替階段優化舉升參數，提高系統效率。當油井穩定生產時，地層流入井筒的流量和有桿泵的實際流量平衡，不同的井底流壓和產量對應有桿泵不同的舉升參數。本文基于有桿泵系統效率計算模型，通過迭代算法優化了不同驅替階段的下泵深度、沖程、沖次和泵徑，研究了扶正器個數、沖程、沖次和驅替階段對系統效率的影響規律，對現場進行合理生產具有參考意義。

1 泵效計算模型

泵效計算模型采用常規計算模型，考慮泵內氣體、流體體積變化、泵內漏失和沖程損失對泵效的影響。

三元復合驅油井采出液在井筒中流動時表現為油氣水三相的乳狀液，乳狀液的密度為：

式中，p為生產氣油比，m3/m3；s為溶解氣油比，m3/m3；sc為標準狀態下壓力，Pa；sc為標準狀態下溫度，取293 K；p為泵入口的流動溫度，K；p為泵入口的壓力，Pa；w為含水率，%。

三元復合驅采出液為黏彈性流體，采出液通過閥孔時的壓降不僅有黏性壓降，還存在彈性壓降，產生的總壓力降?in為[9]：

式中，?in為保證泵充滿程度的沉沒壓力，Pa。流體流過泵吸入閥時，泵內氣體的壓力為：

i=s-?in(3)

式中，s為沉沒壓力，Pa，通過沉沒度計算。

泵內氣體、流體體積變化、泵內漏失和沖程損失對泵效的影響采用常規計算公式[10]。

泵效計算公式為：

2 系統效率計算模型

通常泵效最高時，系統效率不一定最高，系統效率最高可以最大程度的發揮抽油系統的效率，降低成本。系統效率計算模型為[11]:

有效揚程計算公式為：

式中，液為油井動液面深度，m；油為油井井口油壓，MPa；套為油井井口套壓，MPa。

電入與抽油機的載荷有關。電機實際輸入的最大功率為：

式中，電入為電機實際輸入的最大功率，kW；max為曲柄軸最大扭矩，N·m；p為沖次，min-1；傳為傳動效率，取0.9；電為電機效率，取0.9。

曲柄軸處的最大扭矩max為：

式中，為光桿沖程，m；max為懸點最大載荷，N；min為懸點最小載荷，N。

文中忽略振動、井口回壓產生的懸點載荷，只存在一種直徑的抽油桿，此時，懸點最大和最小載荷可表示為：

在三元復合驅采出井中，為了防止抽油桿偏磨，需要加裝扶正器，因此在考慮摩擦載荷時需要考慮扶正器與油管和采出液的摩擦力。在本文中認為扶正器在抽油桿上均勻分布。

式中，cl為扶正器與液柱之間的摩擦力。扶正器與液柱之間會產生摩擦，主要發生在下沖程，其摩擦力的方向向上，當存在扶正器的時候，由于扶正器過流斷面小，流體流過扶正器時會產生額外壓降?h，則扶正器對與液柱之間的摩擦力為

3 系統效率影響因素

通過建立的系統效率計算模型，對扶正器個數、沖程、沖次和不同驅替階段對系統效率的影響規律進行了分析。

圖1為扶正器個數、沖程、沖次、驅替階段對系統效率的影響。由圖1可知，扶正器數量越多，系統效率越低。沖程和沖次對系統效率影響較大，系統效率隨沖程和沖次的增大而增大，當沖程大于5 m，沖次大于6 次/min后，系統效率增加平緩。當舉升參數相同時，主段塞驅替階段系統效率最低，是因為主段塞驅替階段采出液黏度最高，對泵效影響最大。主段塞對提高驅替效果有重要作用，因此需要通過優化舉升參數來提高主段塞的系統效率。

4 不同驅替階段舉升參數確定

由于三元復合驅采出液黏度較大，導致井筒內工況比較復雜，下泵深度過低導致油井產量低，過高導致抽油桿彎曲偏磨嚴重，因此需要確定合理的下泵深度，對改善油井工作狀態，提高油井產能和系統效率有重要的作用。下泵深度確定的關鍵是沉沒度，沉沒度的大小會影響泵效，從而影響產量和井底流壓，而井底流壓影響動液面的高度，從而影響沉沒度和泵效。因此，確定合理的下泵深度需要通過迭代過程求解，得到下泵深度后，需要計算當前舉升參數下的系統效率，通過對比不同舉升參數下的系統效率，來確定最優的沖程和沖次。舉升參數優化的思路如圖2所示。

針對大慶某采油廠的數據，對合理下泵深度進行了優化設計。最大下泵深度950 m。沉沒度過大時，會造成產量過高，井底流壓過低，動液面距井口深度太大，導致下泵深度超過造斜點；沉沒度過小時，會造成產量過低，井底流壓過高，動液面到達井口。沉沒度的取值范圍必須保證：

(17)

表1　不同驅替階段采出液性質變化

表2　不同驅替階段下泵深度和舉升參數優化結果

5 結論

（1）三元復合驅采出液具有黏彈效應，在泵吸入口會產生較大壓降，影響泵充滿程度，從而降低泵效。

（2）存在扶正器時，扶正器在上下沖程中會與油管和采出液產生摩擦，影響懸點載荷，導致系統效率降低。

（3）扶正器數量越大，系統效率越低。沖程和沖次對系統效率影響較大，系統效率隨沖程和沖次的增大而增大，當沖程大于5 m，沖次大于6次/min后，系統效率增加平緩。相同舉升參數時，主段塞驅階段系統效率最低。

（4）通過迭代算法，優化得到了兩種泵徑下不同驅替階段的合理沖程、沖次、下泵深度，提高了不同驅替階段尤其是主段塞的系統效率，進一步增加了主段塞驅替階段的效益。

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（編輯 王戩麗）

Optimization of Lifting Parameters of Sucker Rod Pump in Alkali?Surfactant?Polymer Flooding Stages

Zhou Wanfu

（）

Alkali?Surfactant?Polymer (ASP) flooding can improve the flooding efficiency for oilfields which are in high water?cut period. In different ASP flooding stages, the rheological property of production fluid changes, which could affect the pump efficiency. Based on the improved sucker rod pumping system efficiency model, the pump depth, stroke length, stroke speed and pump diameter have been optimized through iterative algorithm. The effect of centralizer numbers, stroke length, stroke speed and flooding stages on sucker rod pumping system efficiency has been studied. The results indicate that the influence of stroke length and stroke speed is significant. The sucker rod pumping system efficiency first increased obviously and then trends to be gentle with the stroke length and speed increasing. The pumping system efficiency in main slug of ASP flooding is lowest. The centralizers can decrease the sucker rod pumping system efficiency slightly.

ASP flooding； Sucker rod pump； Pumping system efficiency； Lifting parameters

TE327

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2018.06.005

2018?03?23

2018?04?25

國家科技重大專項（2016ZX05054）。

周萬富（1963?），男，博士，教授級高工，從事油田化學方向的研究；E?mail：zhouwf@petrochina.com.cn。

1006396X（ 2018）06002805

http://journal.lnpu.edu.cn