抽油機(jī)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)選評(píng)價(jià)方法研究

任博宇（大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院）

近年來，多種抽油機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的推廣應(yīng)用取得了較好的效果，但同時(shí)也存在著缺少考慮油井開發(fā)生命周期[1-2]和設(shè)備經(jīng)濟(jì)使用時(shí)間的抽油機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)優(yōu)選方法。抽油機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展要有經(jīng)濟(jì)理論做指導(dǎo)，不能只強(qiáng)調(diào)技術(shù)的先進(jìn)性，而忽略技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。通過開展不同類型抽油機(jī)技術(shù)適應(yīng)性分析，從而進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法研究[3]，為抽油機(jī)舉升技術(shù)的優(yōu)選提供科學(xué)決策。

以大慶長(zhǎng)垣在用的抽油機(jī)節(jié)能舉升方式為研究對(duì)象，運(yùn)用技術(shù)經(jīng)濟(jì)方法理論，在技術(shù)性可行的條件下，以經(jīng)濟(jì)合理為目標(biāo)，進(jìn)行節(jié)能舉升方式的優(yōu)選。

1 技術(shù)研究

前期調(diào)查研究了大慶長(zhǎng)垣在用的抽油機(jī)節(jié)能舉升方式的技術(shù)適用性，以選取抽油機(jī)井最佳的節(jié)能方式，分析總結(jié)了常用抽油機(jī)舉升方式的生產(chǎn)情況和能耗情況，大慶長(zhǎng)垣機(jī)采井常用抽油機(jī)對(duì)比優(yōu)選情況見表1。

表1 大慶長(zhǎng)垣機(jī)采井常用抽油機(jī)對(duì)比優(yōu)選情況Tab.1 Situation of comparison preference of common oil pumping unit of mechanical oil production well in Changyuan，Daqing

調(diào)研發(fā)現(xiàn)塔架式抽油機(jī)和超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)節(jié)能效果明顯，應(yīng)用井?dāng)?shù)多，技術(shù)成熟可靠，維護(hù)保養(yǎng)方便。

產(chǎn)液量低、安裝機(jī)型偏大（10-4.2-5.3 或14-6-89 機(jī)型）存在機(jī)型和液量不匹配、機(jī)型可以利舊重復(fù)使用（實(shí)際生產(chǎn)中急需大機(jī)型）的常規(guī)游梁式抽油機(jī)，適合進(jìn)行技術(shù)改造成塔架式抽油機(jī)和超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)，降低舉升單耗和提高系統(tǒng)效率，又滿足生產(chǎn)中大機(jī)型提液上產(chǎn)需要。

應(yīng)用塔架式抽油機(jī)技術(shù)，可以降低裝機(jī)功率，裝機(jī)功率在22 kW 左右，但塔架式抽油機(jī)不適應(yīng)高產(chǎn)液舉升。低產(chǎn)液量井耗電量較低，改造塔架式抽油機(jī)后節(jié)電效果不明顯，經(jīng)濟(jì)效益不理想。大慶長(zhǎng)垣實(shí)踐證明塔架式抽油機(jī)適用液量范圍在20～40 t/d，地勢(shì)低洼區(qū)域適合安裝，過渡帶稠油井可以安裝減少稠油井卡泵。

超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)最長(zhǎng)沖程可以達(dá)到50 m，沖次可以實(shí)現(xiàn)最低0.02 次/min，常規(guī)游梁式抽油機(jī)最大沖程6 m、最低沖次4 次/min。塔架式抽油機(jī)最大沖程8 m、最低沖次1 次/min。超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)“長(zhǎng)沖程低沖次”優(yōu)勢(shì)十分明顯，超長(zhǎng)沖程可以大大延長(zhǎng)地層液體進(jìn)入泵筒的時(shí)間，提高泵的充滿程度和產(chǎn)量。超低沖次勻速緩慢運(yùn)動(dòng)，降低油井振動(dòng)載荷，并大幅降低抽油桿上下運(yùn)行速度和時(shí)間，減少桿管泵的磨損，有助于降低油井載荷和耗電量。實(shí)踐證明超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)適用于低產(chǎn)液低沉沒度井，產(chǎn)液量低于20 t/d，沉沒度低于300 m。

2 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

油田舉升工藝技術(shù)的選擇，關(guān)系到油田建設(shè)的投資和生產(chǎn)費(fèi)用[4]。因此，必須對(duì)已選出的可行的舉升工藝技術(shù)進(jìn)行整體的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，以選擇出經(jīng)濟(jì)效益最好的舉升工藝技術(shù)，用以指導(dǎo)油田生產(chǎn)，從而達(dá)到提高油田整體經(jīng)濟(jì)效益的目的。

以油井開發(fā)過程和設(shè)備生命周期為出發(fā)點(diǎn)，分別考慮了新井舉升方式和老井設(shè)備更新的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)選，以建立抽油機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法[5]。新、老井經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法對(duì)比情況見表2。

表2 新、老井經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法對(duì)比情況Tab.2 Comparison situation of economic evaluation methods of new and old wells

2.1 新井比選

新井比選時(shí)，在技術(shù)性都適用且舉升能力相同的條件下，按各方案生命期相同，且僅考慮投資、經(jīng)營(yíng)成本的現(xiàn)值，不考慮投資方案的收益，采用費(fèi)用現(xiàn)值法進(jìn)行優(yōu)選。

費(fèi)用現(xiàn)值是指用凈現(xiàn)值指標(biāo)評(píng)價(jià)投資方案的經(jīng)濟(jì)效果，備選方案如果滿足相同的需求，則只需要比較他們的投資與經(jīng)營(yíng)費(fèi)用。費(fèi)用現(xiàn)值考慮了時(shí)間的價(jià)值，反映項(xiàng)目在計(jì)算期內(nèi)財(cái)務(wù)效果的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在方案比選時(shí)，各方案中費(fèi)用現(xiàn)值的最小者為最優(yōu)。經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型如下：

費(fèi)用現(xiàn)值：

式中：I為全部投資，包括固定資產(chǎn)投資和流動(dòng)資金，萬元；C為年經(jīng)營(yíng)總成本，萬元；Sv為計(jì)算期末回收固定資產(chǎn)殘值，萬元；W為計(jì)算期末回收流動(dòng)資金，萬元；COt為各年凈現(xiàn)金流出額，萬元；ic為財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)時(shí)的基準(zhǔn)收益率；n為計(jì)算期；為現(xiàn)值系數(shù)。

2.2 老井比選

通過項(xiàng)目更新前后的“有項(xiàng)目”和“無項(xiàng)目”對(duì)比[6]，從設(shè)備更新的不同舉升工藝的一次性投資構(gòu)成與成本費(fèi)用構(gòu)成分析入手，將能耗等技術(shù)指標(biāo)折算為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。其中節(jié)電量所帶來的效益以及節(jié)約維護(hù)和作業(yè)費(fèi)用以負(fù)值形式計(jì)入生產(chǎn)成本。根據(jù)給定的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型，計(jì)算項(xiàng)目的增量收益。從而對(duì)增量財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率、增量財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值和投資回收期等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，增量財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率與增量財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值越高、增量投資回收期越短，則方案越優(yōu)。經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型如下：

投資回收期為：

凈現(xiàn)值為：

式中：St為第St期的現(xiàn)金收入，萬元；Kt為第t+1 期的投資額，萬元；Ct為第t期的經(jīng)營(yíng)費(fèi)用，萬元；L為期末殘值。

內(nèi)部收益率：方案實(shí)施過程中考慮資金時(shí)間價(jià)值條件下的實(shí)際達(dá)到的投資收益率水平。其計(jì)算步驟為：

第一步：做出方案的現(xiàn)金流量，列出凈現(xiàn)值表達(dá)式。

第二步：任取一個(gè)折現(xiàn)率值進(jìn)行試算，若財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值小于0，說明這個(gè)試算的折現(xiàn)率取值偏高，重新選取收益率試算。若財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值大于0，說明這個(gè)試算的折現(xiàn)率取值偏低。可以斷定，內(nèi)部收益率在兩個(gè)試算的收益率之間。

第三步：為了減少試算次數(shù)，用線性內(nèi)插法求出內(nèi)部收益率的近似值。利用內(nèi)插法計(jì)算內(nèi)部收益率，只是一個(gè)近似值，為使內(nèi)插公式求得的內(nèi)部收益率更為準(zhǔn)確，所取的兩個(gè)折現(xiàn)率值之差最大不超過5%。

3 綜合評(píng)價(jià)

3.1 新井舉升方式優(yōu)選

以超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)與常規(guī)游梁式抽油機(jī)比選為例，超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[7-8]：?jiǎn)未螞_程舉升液量多，地層能量恢復(fù)的時(shí)間長(zhǎng)，能形成抽汲效應(yīng)，形成井筒負(fù)壓，有利于地層能量恢復(fù)，更適應(yīng)稠油開采，沖程可達(dá)到50 m，真正實(shí)現(xiàn)高泵效舉升；可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，根據(jù)地層能量設(shè)置沖程、沖次參數(shù)，避免人工啟停，更適合低產(chǎn)液井；長(zhǎng)期運(yùn)行總投資低，經(jīng)濟(jì)效益突出。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型計(jì)算后，超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的費(fèi)用現(xiàn)值在計(jì)算期為第4 a 時(shí)仍高于常規(guī)游梁式抽油機(jī)，則常規(guī)游梁式抽油機(jī)為優(yōu)；第5 a 開始費(fèi)用現(xiàn)值低于常規(guī)游梁式抽油機(jī)，則超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)為優(yōu)，生命周期越長(zhǎng)，則超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的費(fèi)用現(xiàn)值越低，經(jīng)濟(jì)適用性越優(yōu)，兩種舉升方式在不同計(jì)算期的費(fèi)用現(xiàn)值對(duì)比見圖1。

圖1 兩種舉升方式在不同計(jì)算期的費(fèi)用現(xiàn)值對(duì)比Fig.1 Comparison of the present value of the expenses with two lifting methods in different calculation periods

在兩種舉升方式技術(shù)性都適用且舉升能力相同的條件下，采用費(fèi)用現(xiàn)值法進(jìn)行方案的比選，按計(jì)算期依次折現(xiàn)的費(fèi)用現(xiàn)值見表3。

表3 按計(jì)算期依次折現(xiàn)的費(fèi)用現(xiàn)值Tab.3 Present value of expenses discounted sequentially by calculation period 萬元

3.2 老井設(shè)備更新

以大慶長(zhǎng)垣某作業(yè)區(qū)老井設(shè)備計(jì)劃更新節(jié)能舉升方式為例。

3.2.1 塔架式抽油機(jī)

1）技術(shù)優(yōu)勢(shì)。塔架式抽油機(jī)與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，取消了常規(guī)游梁式抽油機(jī)四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)效率更高、更節(jié)能[9-10]，主要具有以下優(yōu)勢(shì)：沖程長(zhǎng)，沖程損失小，井下泵充滿程度好；低沖次，有助于延長(zhǎng)井下桿、管設(shè)備壽命；直接平衡，平衡調(diào)整便捷，節(jié)能效果好；調(diào)參簡(jiǎn)便，沖程、沖次均可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)；地面?zhèn)鲃?dòng)環(huán)節(jié)少、機(jī)械效率高；電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位于上平臺(tái)，離地高，適合低洼地等環(huán)境敏感區(qū)生產(chǎn)需求。

2）選擇標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)初期產(chǎn)液量高，目前日產(chǎn)液在20～40 t，機(jī)型和產(chǎn)液量不匹配存在載荷過低的抽油機(jī)井設(shè)計(jì)塔架式油機(jī)井；處于低洼地帶容易水淹井設(shè)計(jì)塔架式抽油機(jī)。

3）潛力井篩選。該作業(yè)區(qū)的低產(chǎn)井造成抽油機(jī)機(jī)型偏大，系統(tǒng)效率低，舉升能耗較高。將這種類型的井與近十年油田開發(fā)規(guī)劃、三次采油規(guī)劃、近期油藏調(diào)整情況充分結(jié)合，選擇了產(chǎn)液量20～40 t/d、目前機(jī)型與產(chǎn)液量匹配不合理，同時(shí)拆除的抽油機(jī)可以利舊、系統(tǒng)效率低、舉升能耗高、地勢(shì)低洼或水泡子周邊的20 口井改造成塔架式抽油機(jī)，這部分井平均產(chǎn)液量26.4 t，沉沒度363.4 m，系統(tǒng)效率28.3%。2022 年更換塔架式抽油機(jī)20 口井。

4）預(yù)期效益。年節(jié)約費(fèi)用296.2 萬元：與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，塔架式抽油機(jī)平均單井日節(jié)電60 kWh，預(yù)計(jì)20 臺(tái)年可節(jié)電43.8×104kWh，節(jié)省電費(fèi)27.9 萬元；與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，塔架式抽油機(jī)年節(jié)約作業(yè)費(fèi)用1.25 萬元，預(yù)計(jì)20 臺(tái)節(jié)省作業(yè)費(fèi)用25 萬元；與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，年節(jié)省常規(guī)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用0.35 萬元，20 口井年節(jié)約維護(hù)費(fèi)用7 萬元。根據(jù)新井產(chǎn)能規(guī)劃，結(jié)合開發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)，該項(xiàng)目拆除下來的常規(guī)游梁式抽油機(jī)維修保養(yǎng)后可以在新建產(chǎn)能井應(yīng)用，降低產(chǎn)能投資。預(yù)計(jì)20 口臺(tái)舊機(jī)在產(chǎn)能新井應(yīng)用后，合計(jì)創(chuàng)效236.3 萬元。

3.2.2 超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)

1）技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)，滾筒帶動(dòng)柔性繩完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柔性繩驅(qū)動(dòng)井下抽油桿、抽油泵完成整個(gè)采油過程。采用“超長(zhǎng)沖程，超低沖次”舉升理念，攻關(guān)形成了超長(zhǎng)沖程采油技術(shù)，最大沖程可達(dá)50 m、最低沖次1 次/h，沖程損失比例小，僅為常規(guī)游梁式抽油機(jī)的1/13，平均泵充滿度由50%提高到85%。

2）選擇標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)初期產(chǎn)液量高，日產(chǎn)液20 t以下，沉沒度低于300 m，機(jī)型和液量不匹配，存在載荷過低的常規(guī)游梁式抽油機(jī)設(shè)計(jì)超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)井。

3）潛力井篩選。從降低舉升能耗、利舊大機(jī)型滿足生產(chǎn)需要兩方面綜合考慮，建議對(duì)機(jī)型偏大井進(jìn)行技術(shù)改造。結(jié)合油藏開發(fā)情況和“十四五”期間油田開發(fā)規(guī)劃，確定對(duì)于系統(tǒng)效率低、舉升能耗高、目前機(jī)型生產(chǎn)急需、油藏開發(fā)沒有增產(chǎn)措施的20 口井優(yōu)選進(jìn)行改造。這20 口井平均產(chǎn)液量13.65 t，平均沉沒度186.51 m，平均系統(tǒng)效率20.89%。其它井有三年內(nèi)增產(chǎn)措施，或者正在進(jìn)行三次采油或者有三次采油規(guī)劃，液量變化大不適宜改造。

4）預(yù)期效益。年節(jié)約費(fèi)用212.26 萬元：與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)節(jié)電率50%，預(yù)計(jì)20口井年可節(jié)電86.72×104kWh，節(jié)省電費(fèi)55.24 萬元；超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)可有效延長(zhǎng)檢泵周期、降低檢泵費(fèi)用，根據(jù)大慶長(zhǎng)垣單井統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果，單井年減少作業(yè)施工成本1.35 萬元，預(yù)計(jì)20 口井年減少維護(hù)成本27 萬元；與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，年節(jié)省常規(guī)維護(hù)費(fèi)用0.1 萬元，20 口井年節(jié)約維護(hù)費(fèi)用2 萬元。

3.3 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法

工程費(fèi)用采用工程量法進(jìn)行估算。分別計(jì)算后，該作業(yè)區(qū)塔架式抽油機(jī)一次性投資為662 萬元，超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)一次性投資為647.7 萬元。

通過項(xiàng)目實(shí)施前后“有項(xiàng)目”和“無項(xiàng)目”對(duì)比，采用“增量法”計(jì)算增量效益指標(biāo)。項(xiàng)目效益來自耗電量減少以及降低其它的油井生產(chǎn)成本。經(jīng)計(jì)算，塔架式抽油機(jī)生產(chǎn)期年均增量經(jīng)營(yíng)成本為63.9 萬元，超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)生產(chǎn)期年均增量經(jīng)營(yíng)成本為85.56 萬元。

根據(jù)給定的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型，計(jì)算出塔架式抽油機(jī)增量財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為8.83%，高于8%的行業(yè)基準(zhǔn)收益率；增量財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為442.05 萬元，投資回收期（包括建設(shè)期1 a）為7.49 a；超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)增量財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為12.39%，高于8%的行業(yè)基準(zhǔn)收益率；增量財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為563.44 萬元，投資回收期（包括建設(shè)期1 a）為6.54 a。

兩種節(jié)能舉升方式與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，經(jīng)濟(jì)上均可行。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際需要，老井設(shè)備計(jì)劃更新成塔架式抽油機(jī)與超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)。

4 結(jié)論

對(duì)抽油機(jī)節(jié)能舉升方式技術(shù)適應(yīng)性進(jìn)行研究，以選取抽油機(jī)井最佳的節(jié)能方式，調(diào)研發(fā)現(xiàn)塔架式抽油機(jī)和超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比節(jié)能效果明顯，應(yīng)用井?dāng)?shù)多，技術(shù)成熟可靠，維護(hù)保養(yǎng)方便；再對(duì)已選出的可行的舉升工藝技術(shù)進(jìn)行整體的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，以選擇出經(jīng)濟(jì)效益最好的舉升工藝技術(shù)，通過建立抽油機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，塔架式抽油機(jī)和超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)兩種節(jié)能舉升方式與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率均高于8%的行業(yè)基準(zhǔn)收益率，經(jīng)濟(jì)上均可行。

通過對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)技術(shù)適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要，以選擇出綜合效果最好的舉升工藝技術(shù)，對(duì)提高采油工程方案設(shè)計(jì)水平、助力抽油機(jī)舉升降本增效具有支撐作用。