抽油機井能耗分區控制圖的研制與應用

丁健 王懷遠 易正昌 徐赫 徐天竺（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

隨著杏北油田的持續開發，地層供液能力逐漸變差，油井產液量不斷下降，機采井舉升能耗高、系統效率低等問題愈發凸顯，嚴重制約了油田的高效開發。機采系統能耗約占油田總能耗的35%[1]，是油田能耗的重要組成部分，而抽油機井占機采井總數的84%左右，其能耗水平直接決定機采系統能耗高低[2]，因此開展低效高耗抽油機井治理工作十分重要。但以往的節能管理工作不能直觀地體現抽油機井整體的節能潛力分布，對于單井舉升單耗達到多少才算有節能潛力也無明確界限，僅憑個人經驗篩選確定節能挖潛目標，降低了抽油機井節能管理工作的效率，影響了節能降耗治理措施的效果。針對上述問題，開展了抽油機井能耗分區控制圖的研究工作，完善相關配套技術，對今后低系統效率井的治理工作具有重要意義。

1 能耗分區控制圖的研制

1.1 抽油機井泵效仿真模型

抽油機井泵效的一般表達式為：

式中：α為泵效；ηS為柱塞有效沖程系數；ηF為泵充滿系數；ηL為漏失系數；ηV為混合液的體積系數。

假設天然氣的膨脹和壓縮按多變過程或等溫過程進行，不考慮天然氣溶解和析出的影響，并且泵的排出壓力和沉沒壓力保持不變，則式（1）中的柱塞有效沖程系數、泵充滿系數、漏失系數和混合液體積系數可分別按下式（2）計算[3-5]：

式中：Spump為抽油泵柱塞的行程長度，m；S為懸點沖程，m；R為泵吸入口氣液比，L/m3；K 為余隙系數；ps為泵的沉沒壓力，Pa；pd為泵的排出壓力，Pa；n為氣體多變過程指數；nW為含水率，%；Bops為泵吸入口條件下原油的體積系數；Bwps為泵吸入口條件下水的體積系數；Ap為柱塞橫截面積，m2；ΔQ為柱塞與泵筒間隙的漏失量，m3。

1.2 電動機輸入功率仿真模型

基于抽油機曲柄軸凈扭矩通用計算模型，考慮皮帶和減速箱的傳動效率，則電動機瞬時輸出功率和平均輸出功率可按式（3）計算：

式中：PMO為電動機瞬時輸出功率，kW；為電動機平均輸出功率，kW；MN為曲柄軸凈扭矩，N·m；ω為曲柄軸角速度，rad/s；ηMB為皮帶與減速箱的傳動效率；k2為系數，當MN＞0 時，k2=-1、當MN≤0時，k2=1；T 為懸點運動周期，s。

考慮電動機的效率受負載率的影響，電動機瞬時輸入功率和平均輸入功率可按式（4）計算：

式中：PMI為電動機瞬時輸入功率，kW；為電動機平均輸入功率，kW；β 為電動機瞬時功率利用率(β=PMO/PN)；PN為電動機額定功率，kW；P0為電動機空耗功率，kW；ηN為電動機額定效率。

1.3 抽油機井系統效率仿真模型

抽油機井有效功率與電動機輸入功率之比即為抽油機井系統效率：

式中：η為抽油機井系統效率；Pe為抽油機井有效功率，kW。

抽油機井有效功率按石油行業標準推薦的計算公式計算[6-7]：

式中：Q為油井日產液量，m3/d；H 為有效揚程，m；ρm為油井混合液密度，t/m3；g 為重力加速度，9.8 m/s2。

式（6）中的有效揚程和混合液密度計算公式見式（7）：

式中：Hd為油井動液面深度，m；po為油井井口油壓，MPa；pc為油井井口套壓，MPa；nW為含水率，%；ρw為水的密度，t/ m3；ρo為原油的密度，t/m3。

式（6）中油井產液量計算公式如下：

式中：D為泵徑，m；S為懸點沖程，m；n為沖速，min-1；α為泵效。

1.4 能耗分區控制圖的繪制

基于研究的目的，優選流壓和系統效率分別作為能耗分區控制圖的橫縱坐標。影響抽油機井系統效率的因素主要包括：抽油機、電動機等設備類型；油井產能、含水率等油藏參數；沖程、沖速、泵徑等抽汲參數；皮帶松緊、減速箱潤滑以及平衡度等管理參數。假設油田的設備參數、油藏參數和管理參數一定時，系統效率主要取決于抽汲參數的完善程度。通過優化抽汲參數確定各個流壓值下的系統效率極值，進而繪制出系統效率最高值和最低值與流壓的關系曲線，即能耗分區控制圖最高系統效率邊界曲線和最低系統效率邊界曲線。將最高系統效率邊界曲線與最低系統效率邊界曲線所包圍的區域劃分成高效區、合理區、低效區和待落實區四個不同的區域，即可得到抽油機井能耗分區控制圖模板，如圖1所示。

2 配套節能降耗技術

圖1 抽油機井能耗分區控制模板

2.1 立體優化技術

抽油機井是一個由許多單元組成的系統，可將其分為地面和井下兩個部分。地面部分主要由拖動裝置、皮帶輪、減速箱和四連桿機構等組成，井下部分由盤根盒、抽油桿、抽油泵、油管等組成。每一個單元都有其運行效率，抽油機井系統的總效率等于各單元效率的乘積。根據抽油機井有效功率、光桿功率及測試得到的電網向抽油機系統的輸入功率，即可分析出油井能耗在地面和地下的分布情況，研究結果表明地面能耗約占總能耗的30%～40%，地下能耗約占總能耗的60%～70%。為此，利用作業時機應用優化設計軟件對具有優化潛力的井實施立體優化，充分挖掘抽油機井地下節能降耗潛力。

2.2 不停機間抽技術

針對杏北油田低產低效井多、舉升能耗高的問題，推廣應用不停機間抽技術。不停機間歇采油技術是指曲柄以連續整周運行與低能耗擺動運行組合的方式工作，將長周期的集中式間歇采油轉變成多次短周期分散式間歇采油，將常規間抽停機運行改為曲柄低能耗小角度擺動運行，實現井下泵停抽、地面設備不停機的間抽工藝[8]。整周運行時采用工頻驅動，擺動運行時采用變頻驅動。整周運行與擺動運行之間的切換是在抽油機負載最低點附近處，利用曲柄勢能和動能的轉換，以柔性加載斷續供電的方式實現。不停機間抽控制裝置主要由電參監測傳感器、電動機轉速傳感器、曲柄位置傳感器、智能控制器以及驅動器組成[9]，不停機間抽裝置安裝位置見圖2。

圖2 不停機間抽裝置安裝位置

2.3 能耗監測技術

從整體上看，機采系統耗電采用電量匹分方式，即在總消耗電量中扣除注入系統和集輸系統等耗電后，歸為機采系統耗電，無法消除其它隱含耗電量。從單井上看，根據系統效率測試的消耗功率，代表單井全年能耗水平，因每年測一次且測試時間隨機，無法掌握單井全年真實耗電。為此通過技術攻關和統一管理，應用電量計量裝置[10]，并對新投產能和采購的電控箱配備電量計量功能，逐步實現單井能耗的準確計量。

3 應用效果

利用能耗分區控制圖對抽油機井的能耗水平進行綜合評價，確定低效區、待落實區為重點治理對象；重點治理對象確定后，利用節點分析控制圖分析原因，依據治理對策表制定具體節能優化措施，同時配套立體優化、不停機間抽、能耗監測等技術，實現低效井的有效治理。截至2020 年底，累計完成低系統效率井治理2 653 井次，措施后測試2 341 井次，平均系統效率由13.52% 上升到17.19%，上升3.67個百分點，低效區、待落實區分別下降20.60%、1.83%；合理區、高效區分別提高20.74%、1.68%，預計年節電176.25×104kWh，創造經濟效益112.27 萬元，取得了良好的應用效果，低系統效率井措施前后對比見表1。

表1 低系統效率井措施前后對比

4 結論

1）基于抽油機井動態參數仿真模型，優選評價指標，通過優化抽汲參數確定能耗分區控制圖分界曲線，研究節能潛力區域劃分方式，建立了抽油機井能耗分區控制圖。

2）抽油機井能耗分區控制圖直觀給出了抽油機井整體能耗水平，明確了抽油機井節能降耗重點治理對象，提升了抽油機井節能管理水平。