馬驍驊 ，茍利鵬 ，陳小兵

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；2.中國石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西西安 710200）

通過提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率來降低能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益，是近年油田開發(fā)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的課題之一。目前機(jī)采系統(tǒng)效率總體水平仍然較低，究其原因，除缺少高效的技術(shù)裝備，抽油機(jī)井生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平及油井管理水平有待提高是重要的影響因素。針對長慶油田姬塬油田所轄油田的特點(diǎn)，開展提高機(jī)采系統(tǒng)效率的技術(shù)研究，采用系統(tǒng)效率分析方法，形成了一套適合其生產(chǎn)特點(diǎn)的系統(tǒng)效率計(jì)算分析方法，建立提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的可行措施。

1 機(jī)采井系統(tǒng)效率技術(shù)研究

積極開展機(jī)采效率三項(xiàng)研究，深入開展機(jī)采井系統(tǒng)效率測試，應(yīng)用仿真技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到降低機(jī)采系統(tǒng)能耗，提高舉升效率，確保機(jī)采系統(tǒng)高效安全運(yùn)行，提高開發(fā)效益。

1.1 確定合理測試方法

姬塬長2、長4+5、長8油藏大部分呈“低產(chǎn)、低壓、低滲”的典型三低特點(diǎn)，部分油井為間歇出液，不同測試時(shí)間段，系統(tǒng)效率結(jié)果相差較大。通過對抽油機(jī)井系統(tǒng)效率、動液面的連續(xù)測試，分析不同油井的出液規(guī)律，評價(jià)瞬時(shí)效率對平均系統(tǒng)效率的影響，確定出合理測試時(shí)間及計(jì)算方法。

通過機(jī)采參數(shù)測試可以看出：低產(chǎn)油井存在間歇出油現(xiàn)象，同一口井機(jī)采參數(shù)動態(tài)變化有相對固定的周期性和規(guī)律性（見表1）。

η泵>30%：連續(xù)測試時(shí)間內(nèi)電機(jī)輸入功率與光桿功率比較平穩(wěn)，油井連續(xù)出液。

15%<η泵<30%：連續(xù)測試時(shí)間內(nèi)電機(jī)輸入功率與光桿功率出現(xiàn)波動變化，油井間歇出液。

η泵<15%：泵效過低，油井間歇出液周期較長，在相對較短的測試時(shí)間內(nèi)，油井出液比較穩(wěn)定，造成測試結(jié)果波動不明顯。

表1 油井出油規(guī)律綜合分析

為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠真實(shí)反映油井抽汲系統(tǒng)效率及能耗狀況，測試時(shí)確保電參數(shù)、示功圖、油套壓、動液面同步測試。

低泵效油井因間歇出液，在不同時(shí)間測量差異較大，因此對低泵效油井，通過連續(xù)測試，找出其出液規(guī)律，確定測試次數(shù)與測試波動規(guī)律，計(jì)算系統(tǒng)效率的算術(shù)平均值，得到較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)效率值。

1.2 合理的測試方法

（1）泵效≥30%的油井，連續(xù)測試3個(gè)沖程數(shù)據(jù)，求取系統(tǒng)效率平均值。

（2）泵效在30%～15%的油井，需延長測試時(shí)間，每10分鐘測取一組數(shù)據(jù)，求取系統(tǒng)效率平均值。

（3）泵效≤15%的油井，連續(xù)測試3個(gè)沖程數(shù)據(jù)，求取系統(tǒng)效率平均值。

1.3 仿真技術(shù)研究

由于姬塬油田主要開采三疊系長2、長4+5、長6、長8等低滲透油藏，其中低產(chǎn)、低效井所占比例較大；且部分油井存在間隙出油，高能耗、低效率等特點(diǎn)。應(yīng)用優(yōu)化軟件理論仿真、現(xiàn)場試驗(yàn)及測試資料，開展產(chǎn)液量、油井工作參數(shù)、抽油機(jī)平衡度、電機(jī)裝機(jī)功率等敏感參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響因素分析，找出影響系統(tǒng)效率的主要因素，提出有針對性的措施，從而提高系統(tǒng)效率[1]。

以產(chǎn)量、效率、節(jié)能三者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一為目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用敏感性分析結(jié)果，計(jì)算各種參數(shù)對系統(tǒng)效率敏感性程度，根據(jù)敏感性程度的大小對需調(diào)整參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，做出仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，在進(jìn)行二次敏感性分析，最后得出優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

1.3.1 參數(shù)優(yōu)化仿真 工況校核：其目的一是通過診斷模塊對井下泵工況進(jìn)行定量分析，二是通過對輸入功率分析計(jì)算和光桿功率計(jì)算，可以得出目前抽油機(jī)井的分系統(tǒng)效率狀況。

參數(shù)敏感性分析:是對影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的可變參數(shù)、不可變參數(shù)和管理參數(shù)進(jìn)行影響程度的定量化計(jì)算和排序，從而確定主要影響參數(shù)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.3.2 能耗最低優(yōu)化仿真 （1）各種管徑、泵徑、泵掛沖程、沖次一一組合，每一種組合對應(yīng)著一種機(jī)采系統(tǒng)效率，即對應(yīng)著一種能量消耗和一種管、桿、泵的投入與年度損耗；（2）根據(jù)輸入功率計(jì)算公式分別計(jì)算出每一種機(jī)采參數(shù)組合所對應(yīng)的輸入功率；（3）以能耗最低者為所選擇的機(jī)采參數(shù)（管徑、管長、桿柱鋼級、泵徑、泵掛深度、桿柱組合、沖程、沖次）。

1.4 開展系統(tǒng)效率影響因素分析

影響機(jī)采井系統(tǒng)效率因素很多，按照抽油設(shè)備、油井工作制度、油井生產(chǎn)動態(tài)和設(shè)備管理將影響抽油機(jī)井敏感性參數(shù)可以分為油井可控參數(shù)、油井不可控參數(shù)和設(shè)備與管理參數(shù)3個(gè)方面共17個(gè)因素，其中油井可控參數(shù)8個(gè)，油井不可控參數(shù)5個(gè)，設(shè)備與管理參數(shù)4個(gè)[2]。

表2 抽油機(jī)井敏感參數(shù)

1.4.1 產(chǎn)液量與系統(tǒng)效率的關(guān)系 動液面穩(wěn)定時(shí)，產(chǎn)液量越高，有效功率就越高，系統(tǒng)效率也就越高。從圖1看出：在泵深基本不變的情況下，系統(tǒng)效率隨著油井產(chǎn)液量的增加而上升，油井產(chǎn)液量的增加與系統(tǒng)效率正比增加，液量小于10 m3/d的油井，在保持其它參數(shù)不變的情況下，增加液量，系統(tǒng)效率增加的幅度較大（大于3.5），當(dāng)產(chǎn)液量逐步增大而大于10 m3/d以上時(shí)，隨著產(chǎn)液量增加，系統(tǒng)效率隨液量依然呈上升趨勢，但方液系統(tǒng)效率增加的幅度將趨緩。

1.4.2 油井工作參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響 根據(jù)抽油機(jī)井系統(tǒng)力學(xué)分析，沖次、沖程越大，抽油桿在運(yùn)動中的摩擦耗功越大導(dǎo)致其載荷、摩擦也越大，從而抽油機(jī)做功以及輸入功率提高；大泵徑會導(dǎo)致桿柱承受的載荷增加，從而導(dǎo)致電機(jī)的輸入功率增加。降低沖程后，抽油桿與液體間的粘滯摩擦做功減小，同時(shí)降低沖次可使電機(jī)負(fù)荷變化周期延長，循環(huán)次數(shù)減少，有利于系統(tǒng)效率提高[3]。

（1）通過實(shí)施優(yōu)化，復(fù)測井系統(tǒng)效率明顯提高；由于本廠所測油井主要為三疊系油藏的油井，60.0%的

油井日產(chǎn)液量在3.0～7.0 m3，通過優(yōu)化調(diào)整，3.5次/分鐘～5.0次/分鐘沖次段復(fù)測井方液耗電量都比普測井降低，節(jié)能效果明顯。

（2）在供液能力相對較好的區(qū)塊及油井，抽油機(jī)井沖次由5次/分鐘調(diào)大到7次/分鐘以上，泵效和系統(tǒng)效率都將一定幅度增加且方液耗電量也下降明顯。

現(xiàn)場實(shí)施及效果：從現(xiàn)場地73-511井調(diào)試沖程看出，該井日產(chǎn)液2.85 m3/d，含水5.0%，動液面1 592 m，泵深1 800 m，沖次為5次/分，泵徑為32 mm。在不影響產(chǎn)量的前提下，將該井沖次由5次/分下調(diào)到3.5次/分，系統(tǒng)效率可提高7.3%，日節(jié)電量6.3 kW·h，單井年累計(jì)節(jié)電達(dá)1 300 kW·h。

1.4.3 泵徑與系統(tǒng)效率的關(guān)系 在供液能力允許的前提下，使用大泵徑，可以在較低的抽汲速度下得到所要求的產(chǎn)液量，井下功率將會增加；但增大泵徑同時(shí)也增加了油井載荷。在運(yùn)行參數(shù)配置合理的情況下，選用大泵徑一般泵效較高，系統(tǒng)效率也相應(yīng)較高[4]（見表3）。

表3 按不同泵徑普測井與復(fù)測井運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.4.4 功率因數(shù)影響 （見表4，表5）

表4 普測井按電機(jī)功率因數(shù)不同統(tǒng)計(jì)情況表

表5 復(fù)測井按電機(jī)功率因數(shù)不同統(tǒng)計(jì)情況表

從表看出，隨著功率因數(shù)升高，地面效率有一定提高。功率因素較大（>0.4）的井，地面效率較高，電機(jī)運(yùn)行效率高，且能耗比低功率因數(shù)的井要小。所以采取性能優(yōu)良的電機(jī)或其它方法改善功率因數(shù)，對抽油機(jī)節(jié)能有一定的效果。

1.4.5 功率因數(shù)影響抽油機(jī)平衡度對系統(tǒng)效率影響抽油機(jī)的平衡度會直接影響電動機(jī)的輸出特性，無論是欠平衡還是過平衡，都會增加系統(tǒng)的輸入功率，造成系統(tǒng)效率降低。理論研究表明：電流平衡度為80%～110%時(shí)電動機(jī)功率最低（見圖3）。調(diào)整抽油機(jī)的平衡度在合適的范圍里，可以改善電動機(jī)的輸出特性，降低電動機(jī)的輸入功率，從而提高系統(tǒng)效率[5]。

結(jié)論及取得的認(rèn)識：（1）地面效率和系統(tǒng)效率同步變化。（2）功率平衡指數(shù)位于0.8～1.25區(qū)間時(shí)系統(tǒng)效率最高，小于0.8次之，大于1.25區(qū)間時(shí)最低。

1.4.6 各種影響因素之間關(guān)系 通過對抽油機(jī)井運(yùn)行敏感參數(shù)狀況分析、統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出各運(yùn)行參數(shù)與系統(tǒng)效率的相關(guān)系數(shù)（影響程度大小）分別為：沖程0.193，沖次 0.286，日產(chǎn)液 0.789，泵深-0.353，動液面-0.306，泵效0.835，輸入功率-0.018，功率平衡指數(shù)-0.245，功率因數(shù)0.208。

進(jìn)行參數(shù)影響程度的定量化計(jì)算和排序，確定影響姬塬油田系統(tǒng)效率的主要因素依次為：產(chǎn)液量、生產(chǎn)時(shí)間、沖次、平衡度、沖程。

2 機(jī)采井系統(tǒng)效率技術(shù)推廣及效果

2.1 現(xiàn)場開展系統(tǒng)效率測試

2010年以優(yōu)化調(diào)整油井前后測試、新投產(chǎn)建井測試為主，共完成系統(tǒng)效率測試1600口，優(yōu)化調(diào)整1 593井次。

從對比數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化調(diào)整井產(chǎn)量平穩(wěn)，調(diào)整前平均日產(chǎn)液4.6 m3，調(diào)整后4.5 m3，油井平均系統(tǒng)效率由19.6%提高到23.1%，提高3.5%，平均單井日節(jié)電 8.54 kW·h。

通過機(jī)采井系統(tǒng)效率優(yōu)化實(shí)施，基本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)采井的“兩升一降一延長”，兩升即系統(tǒng)效率和抽油泵效穩(wěn)步提升，一降即機(jī)采井能耗明顯降低，油井檢泵周期延長了25 d（見表6）。

表6 部分區(qū)塊優(yōu)化前后系統(tǒng)效率對比表

對調(diào)整后1 593口油井進(jìn)行復(fù)測對比，平均系統(tǒng)效率上升了3.9%，單井日耗電由85.22 kW·h下降到77.76 kW·h，平均單井日節(jié)電8.54 kW·h，節(jié)電率11.33%（見表 7）。

2.2 現(xiàn)場技術(shù)對策推廣及效果分析

2.2.1 以軟件優(yōu)化為依據(jù)，結(jié)合供液能力，合理匹配抽油參數(shù) 以軟件優(yōu)化為依據(jù)，結(jié)合地層本身的供液能力，合理匹配抽油參數(shù)提高抽油泵充滿程度，今年示范區(qū)實(shí)施參數(shù)優(yōu)化調(diào)整831口，調(diào)整參數(shù)后，泵效由26.5%上升至29.3%，平均系統(tǒng)效率由19.26%提高到21.34%，從測試看單井日節(jié)電6.67 kW·h，年累計(jì)節(jié)電可達(dá)202.3×104kW·h，且油井產(chǎn)液量保持平穩(wěn)（見表8）。

2.2.2 摸索低產(chǎn)井出油規(guī)律，實(shí)施低產(chǎn)井間開，提高系統(tǒng)效率 姬塬油田特低滲透特點(diǎn)，決定了大量的低產(chǎn)低效井的存在，這部分井多為間歇性出液，抽油機(jī)、電機(jī)無功消耗大。通過實(shí)施油井間開，縮短開井時(shí)間，減少無功作業(yè)，大幅度的降低了油井能耗，因此，間開采油是低產(chǎn)低效油井最佳節(jié)能方案。

表7 優(yōu)化調(diào)整效果分析

表8 2010年參數(shù)優(yōu)化調(diào)整效果對比

對于低泵效油井,開井時(shí)間隨著抽油泵效的增加而延長，關(guān)井時(shí)間隨著抽油泵效的增加而減少,通過對油井動液面的連續(xù)測試，可有效確定油井合理的間開制度（見表9）。

表9 間開井能耗測試情況統(tǒng)計(jì)

2010年共實(shí)施間開171口井，平均單井日節(jié)電20.3 kW·h，累計(jì)年節(jié)電 126.7×104kW·h。

2.2.3 針對低效運(yùn)行，安裝抽油機(jī)無功自動補(bǔ)償裝置無功自動補(bǔ)償技術(shù)，采用先進(jìn)的模糊控制技術(shù)，設(shè)定功率因數(shù)為目標(biāo)限量，動態(tài)跟蹤負(fù)載電網(wǎng)無功電能、過壓、欠流等物理量作為控制、執(zhí)行條件，使功率因數(shù)提高。

式中：Qr－需要補(bǔ)償?shù)碾娙萜魅萘浚╧Var）；Q－儀器測出的平均無功功率（kVar）；P－儀器測出的平均有功功率（kW）；cos2ΦR－預(yù)期補(bǔ)償后的功率因數(shù)。

針對部分電機(jī)功率因數(shù)偏低、處于低效率運(yùn)行的狀況，通過無功自動補(bǔ)償，可有效改善電網(wǎng)有功功率的輸送能力，減少傳輸電流和無功功率，避免電機(jī)運(yùn)行在低電壓高電流高損耗狀態(tài)。

無功功率自動補(bǔ)償裝置安裝34個(gè)井組234口井，34個(gè)井組變壓器電流合計(jì)由2 154.14 A減小到1 291.68 A，平均功率因數(shù)由0.35提高到0.82，無功功率下降817.5 kVar，有功功率下降162.3 kW，34個(gè)井組日節(jié)電達(dá)4 095 kW·h，年節(jié)電可達(dá)149.5×104kW·h（見表10）。

表10 無功補(bǔ)償應(yīng)用效果

有功節(jié)電率=162.3kW/673.92kW=24%

綜合節(jié)電率=4 095/17 017.32=24%

2.2.4 試驗(yàn)小泵徑桿式泵采油技術(shù) 實(shí)施背景：結(jié)合姬塬油田長8油層埋藏較深（2 600 m），動液面較深（1 826 m），泵掛較深（1 964 m）的特點(diǎn)，開展小泵深抽、減載工藝試驗(yàn)。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）密封可靠，泵體和油管之間通過機(jī)械彈性鎖緊裝置密封；（2）耐高壓（最高30 MPa）、高溫（350℃）和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿；（3）泵管為加厚鍍鉻泵管，固定閥罩采用了具有導(dǎo)向筋結(jié)構(gòu)的流線型閥罩，適用于井斜角不大于40°的油井；（4）加裝強(qiáng)起強(qiáng)閉裝置，有利于防氣、防砂。

2010年在原始?xì)庥捅容^高（最高102.2 m3/t）的黃3、黃57等長8油層油井，根據(jù)新井油層物性、試油情況，對日產(chǎn)液量小于10.0 m3，試油動液面低于2 200 m的油井，試驗(yàn)φ28 mm斜井防氣桿式抽油泵360臺，目前平均生產(chǎn)128 d，生產(chǎn)正常（見表11）。

取得的認(rèn)識：（1）滿足供采平衡，泵效提高明顯：目前試驗(yàn)井平均流壓為7.2 MPa（方案要求最低6.5 MPa），流壓保持在合理范圍內(nèi)，平均日產(chǎn)液 2.78 m3，平均泵效44.6%，相對可對比井，平均泵效提高5.4%，平均系統(tǒng)效率提高4.3%；（2）減載效果明顯：由于具有柱塞面積?。?.16×10-4m2），單井載荷降低 3.5～4.0 kN。

表11 φ28 mm斜井防氣桿式抽油泵使用情況統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

（1）全年完成機(jī)采系統(tǒng)效率測試1 600口，優(yōu)化調(diào)整1 593井次，通過優(yōu)化調(diào)整，引進(jìn)新工藝、新技術(shù)，平均機(jī)采系統(tǒng)效率提高1.02%，重點(diǎn)區(qū)塊平均提高3.5%，日節(jié)電 13 964.22 kW·h，年節(jié)電 509.7×104kW·h，達(dá)到了全年節(jié)能減排目的。

（2）通過開展低產(chǎn)油井出油規(guī)律研究，確定了低產(chǎn)油井系統(tǒng)效率的測試制度及合理的工作制度；應(yīng)用仿真技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化油井最低能耗工作參數(shù)，為優(yōu)化調(diào)整提供了目標(biāo)和方向。

（3）機(jī)采系統(tǒng)效率敏感參數(shù)分析已成熟應(yīng)用，綜合運(yùn)用參數(shù)優(yōu)化、油井間開、無功補(bǔ)償?shù)裙に嚰夹g(shù)可有效提高機(jī)采系統(tǒng)效率。

（4）機(jī)采系統(tǒng)還應(yīng)進(jìn)一步研究油井出液規(guī)律，在找出不同泵效、不同產(chǎn)液量出液規(guī)律的基礎(chǔ)上，對連續(xù)測試與正常出液時(shí)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確定修訂系數(shù)，制定出更加準(zhǔn)確而又便捷的測試與計(jì)算方法。

（5）隨著油藏開發(fā)不斷深入，低產(chǎn)低效井不斷增多，優(yōu)化調(diào)整工作量加大，工作思路還需進(jìn)一步調(diào)整。

[1]林日億.有桿抽油系統(tǒng)效率分析及抽汲參數(shù)優(yōu)化設(shè)汁[J].油學(xué)報(bào)，2005，（5）：45-48.

[2]胡博仲.大慶油田機(jī)械采油配套技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1998.

[3]陳興元.從合理配置源頭提高機(jī)采系統(tǒng)效率[J].節(jié)能與環(huán)保，2005，（3）：39-41.

[4]宋玉波.淺談提高機(jī)械采油系統(tǒng)效率的幾種方法[J].石油知識，2010，（3）：18-19.

[5]孫耀國.提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的實(shí)踐[J].復(fù)雜油氣藏，2010，（1）：80-83.