碳纖維連續(xù)抽油桿在不同類型抽油機(jī)上的應(yīng)用

李健 許立紅 李磊（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

隨著地面節(jié)能設(shè)備應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，優(yōu)化鋼質(zhì)桿柱結(jié)構(gòu)難度加大，使節(jié)能降耗挖潛空間受限，且在油田經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)以及低油價(jià)等背景下，鋼質(zhì)抽油桿的局限性越來(lái)越顯著：比如自身比重大、難以下得更深；易腐蝕、能耗高等[1]。碳纖維連續(xù)抽油桿可明顯降低桿柱重量，能夠有效解決鋼制抽油桿下泵深度受限、磨蝕嚴(yán)重等問(wèn)題。按照油田開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀的需求及節(jié)能降耗的要求，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、節(jié)能效果好的碳纖維連續(xù)抽油桿具有工業(yè)化普及推廣的價(jià)值[2]。為挖掘碳纖維連續(xù)抽油桿節(jié)能降耗潛力，開(kāi)展了不同類型抽油機(jī)井碳纖維連續(xù)抽油桿應(yīng)用試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了應(yīng)用效果，為后期技術(shù)推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 不同類型抽油機(jī)井桿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 游梁式抽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)模擬井評(píng)價(jià)試驗(yàn)

為確定碳纖維桿與加重桿匹配關(guān)系，利用標(biāo)準(zhǔn)模擬井，評(píng)價(jià)了4種桿柱組合、8種工況條件下混合桿柱的節(jié)能效果。標(biāo)準(zhǔn)井10型抽油機(jī)，沖程3 m，沖次4次/min，泵深870 m，加重桿采用直徑25 mm鋼質(zhì)抽油桿，對(duì)比碳纖維連續(xù)抽油桿與加重桿4種長(zhǎng)度比例的應(yīng)用前后節(jié)能效果，組合系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。因現(xiàn)場(chǎng)10型抽油機(jī)平均動(dòng)液面在600 m，因此選擇動(dòng)液面600 m對(duì)比應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)碳纖維桿648 m+加重桿222 m時(shí)，即加重桿重量占桿柱重量30%，系統(tǒng)效率最高。

表1 組合系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)

1.2 桿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)了《碳纖維連續(xù)桿桿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)及工況診斷系統(tǒng)》軟件，包括流入流出與供產(chǎn)協(xié)調(diào)分析、動(dòng)態(tài)參數(shù)仿真、動(dòng)力性能評(píng)價(jià)、碳纖維桿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)、桿柱參數(shù)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)、泵況診斷和參數(shù)管理等7個(gè)功能模塊[3]。

1）建立抽油系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型。結(jié)合在用4類抽油機(jī)，分別建立了游梁式抽油機(jī)、電控?fù)Q向塔架式抽油機(jī)、皮帶式長(zhǎng)沖程抽油機(jī)和超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的仿真模型[4]?；诔橛蜋C(jī)桿柱波動(dòng)方程，建立了混合桿柱力學(xué)模型9個(gè)、相關(guān)方程20個(gè)，實(shí)現(xiàn)混合桿柱懸點(diǎn)示功圖、各級(jí)桿頂端示功圖和泵示功圖的模擬仿真，仿真評(píng)價(jià)了碳纖維桿抽油系統(tǒng)節(jié)能效果[5]。

應(yīng)用軟件系統(tǒng)開(kāi)展仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比52口井，平均結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。懸點(diǎn)最大載荷誤差率1.54%，最小載荷誤差率5.48%，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

表2 平均結(jié)果對(duì)比

2）建立桿柱組合與生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。以懸點(diǎn)示功圖、混合桿柱連接點(diǎn)示功圖的仿真為基礎(chǔ)，建立了碳纖維混合桿柱與生產(chǎn)參數(shù)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在抽汲參數(shù)與井筒參數(shù)一定條件下，綜合考慮油井產(chǎn)量、設(shè)備承載能力、桿柱強(qiáng)度條件、碳纖維桿柱最小軸向拉力等約束條件，以降低懸點(diǎn)載荷、提高系統(tǒng)效率為目標(biāo)，優(yōu)化碳纖維桿和鋼桿的規(guī)格與配比[6-8]。桿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以模擬出多個(gè)結(jié)果，工程設(shè)計(jì)人員可根據(jù)預(yù)期目標(biāo)選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)診斷系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，且與標(biāo)準(zhǔn)模擬井試驗(yàn)結(jié)果符合，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用

試驗(yàn)井利用桿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行桿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)，按照泵徑、沖程和沖次不變的原則，以單井產(chǎn)量不降為目標(biāo)，選擇系統(tǒng)效率最高的桿柱組合，在不同類型抽油機(jī)井中進(jìn)行應(yīng)用。試驗(yàn)后及時(shí)調(diào)整油井平衡率，分別測(cè)試試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)，對(duì)比節(jié)能效果。

2.1 游梁式抽油機(jī)

游梁式抽油機(jī)井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用200口井，試驗(yàn)前后平均數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。試驗(yàn)后懸點(diǎn)最大載荷下降11.69 kN，有功功率下降1.69 kW，百米噸液耗電下降0.21 kWh/t，系統(tǒng)效率上升8.76個(gè)百分點(diǎn)，平均節(jié)電率達(dá)22.86%。其中第一批20口碳纖維連續(xù)抽油桿試驗(yàn)井平均已運(yùn)行1 009天，最長(zhǎng)已運(yùn)行1 073天，沒(méi)有發(fā)生桿問(wèn)題檢泵，延長(zhǎng)了油井檢泵周期。

表3 試驗(yàn)前后平均數(shù)據(jù)對(duì)比

此外，通過(guò)在游梁式抽油機(jī)井中開(kāi)展碳纖維連續(xù)抽油桿試驗(yàn)，得到以下兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1）可降機(jī)型生產(chǎn)。以往因懸點(diǎn)載荷過(guò)大，6型游梁式抽油機(jī)無(wú)法與70 mm泵組合生產(chǎn)。以A井為例，通過(guò)試驗(yàn)碳纖維連續(xù)抽油桿實(shí)現(xiàn)了6型抽油機(jī)與70 mm泵組合生產(chǎn)，試驗(yàn)后日產(chǎn)液上升41.5 t，載荷利用率69.0%，A井試驗(yàn)前后對(duì)比見(jiàn)表4。經(jīng)載荷模擬計(jì)算，游梁式抽油機(jī)井應(yīng)用碳纖維連續(xù)抽油桿可實(shí)現(xiàn)降一級(jí)機(jī)型生產(chǎn)，尤其在產(chǎn)能井中應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。

表4 A井試驗(yàn)前后對(duì)比

2）機(jī)型不變可深抽[9]。B井為6型抽油機(jī)，試驗(yàn)前泵深1 150 m，載荷利用率91.6%，試驗(yàn)碳纖維連續(xù)抽油桿后，載荷利用率降至68.6%。按照抽油機(jī)載荷利用率80.0%，桿柱安全系數(shù)大于1.2的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出了不同機(jī)型最大下泵深度，最大下泵深度可達(dá)4 400 m，下泵深度推算見(jiàn)表5。

表5 下泵深度推算

2.2 塔架式抽油機(jī)

塔架式抽油機(jī)井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用10口井，試驗(yàn)前后平均數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表6。試驗(yàn)后懸點(diǎn)最大載荷下降15.56 kN，有功功率下降1.67 kW，百米噸液耗電下降0.15 kWh/100 m·t，系統(tǒng)效率上升18.45個(gè)百分點(diǎn)，平均節(jié)電率達(dá)27.58%。

表6 塔架式抽油機(jī)井試驗(yàn)前后平均數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)

在產(chǎn)能區(qū)塊中超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用30口井，創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用智能柔性控制+電機(jī)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)+柔性光桿+碳纖維連續(xù)抽油桿+長(zhǎng)沖程泵的長(zhǎng)沖程舉升技術(shù)，將長(zhǎng)沖程智能抽油機(jī)超長(zhǎng)舉升能力與碳纖維連續(xù)抽油桿防磨降載的技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了降低交變載荷、降低舉升能耗、提高泵效的目的。超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)井與相鄰區(qū)塊常規(guī)抽油機(jī)平均效果對(duì)比見(jiàn)表7。該區(qū)塊投產(chǎn)后平均沖程48.3 m、沖次0.09次/min、動(dòng)液面460 m、日耗電46.2 kWh。與游梁式抽油機(jī)相比，沖程增加11.2倍、沖程損失由16.7%降至1.0%、沖次下降53倍、交變載荷下降32%、日耗電下降69.6 kWh、有功節(jié)電率40.1%。

表7 超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)井與相鄰區(qū)塊常規(guī)抽油機(jī)平均效果對(duì)比

3 結(jié)論

1）桿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)仿真模擬懸點(diǎn)最大載荷準(zhǔn)確性較高，同時(shí)桿柱優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，節(jié)能效果好，為后期技術(shù)推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

2）碳纖維連續(xù)抽油桿可以滿足不同類型抽油機(jī)井進(jìn)一步挖掘節(jié)能降耗潛力的需求。

3）因碳纖維連續(xù)抽油桿自身特性影響，柱塞有效沖程有損失[10]。長(zhǎng)沖程、低沖次可以減少?zèng)_程損失，降低交變載荷，因此幾種抽油機(jī)中超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)井應(yīng)用碳纖維連續(xù)抽油桿節(jié)能效果最好。