符喜德 王丹鳳 管 桐 張 研 徐方向

1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石化中原油田采油三廠，河南 濮陽(yáng) 457000

0 前言

隨著采油技術(shù)水平的提高，采油設(shè)備的種類(lèi)越來(lái)越多，但游梁式抽油機(jī)有桿泵采油依然是最主要的采油方式。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)約90%的油井為機(jī)械采油井，而超過(guò)80%的油井在用游梁式抽油機(jī)生產(chǎn)，產(chǎn)量占75%以上［1］。我國(guó)大多數(shù)油田已相繼步入開(kāi)發(fā)中后期， 地層壓力下降，含水上升，單井產(chǎn)量降低。 油田一方面是高含水生產(chǎn)老區(qū)塊， 一方面則大量鉆新井開(kāi)采低滲和超低滲地層。如果一味地追求產(chǎn)能最大化，提高生產(chǎn)壓差，就會(huì)擴(kuò)大被水淹地層的水流通道，增加開(kāi)采剩余油的難度。 對(duì)于低滲、超低滲地層而言，如果生產(chǎn)壓差過(guò)大，就可能使地層微裂縫閉合，滲透率降低，對(duì)地層造成損害。

油田工作主要集中在提液和防偏磨、防砂等方面［2-3］；而對(duì)如何提高能量利用效率和減少生產(chǎn)成本研究很少，目前尚無(wú)定論［4-9］。

1 方法介紹

具體到某口井，若能確定一組抽汲參數(shù)，則可以用這些參數(shù)進(jìn)行抽油桿組合設(shè)計(jì)，再求出噸油能耗（假定抽油機(jī)在上下沖程作功相等）。 然后從各個(gè)組合優(yōu)選出能耗最小的參數(shù)作為最終優(yōu)化結(jié)果。

1.1 確定基本參數(shù)

1.1.1 沉沒(méi)度與泵掛深度

在抽油機(jī)井生產(chǎn)管理與工況分析中，抽油泵的沉沒(méi)度及所對(duì)應(yīng)的沉沒(méi)壓力是評(píng)價(jià)柱塞泵工況的重要指標(biāo)。合理的沉沒(méi)度能使流體克服泵吸入口的流動(dòng)阻力，減少氣體、液體充不滿等對(duì)泵效的影響，使泵達(dá)到最佳工作狀態(tài)。 但其影響因素多，各因素之間又相互影響，至今還沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單、適用范圍廣的計(jì)算方法。 目前各大油田中應(yīng)用最廣泛的是曲線擬合法［10-13］，本文選用泵效與沉沒(méi)度進(jìn)行擬合。

對(duì)于某口井，可以根據(jù)IPR 曲線得到某一產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的井底流壓pwf，然后利用多相管流計(jì)算得到動(dòng)液面深度Lf。 動(dòng)液面深度Lf加上沉沒(méi)度hs，即為泵掛深度L=Lf+hs。

1.1.2 沖程與沖次

假若泵徑已知，則日產(chǎn)量與沖程、沖次的關(guān)系可由式（1）確定。

式中：Q 為泵理論排量，m3/d；D 為泵柱塞直徑，m； fp為柱塞的載面積，m2；s 為沖程，m；n 為沖次；η 為泵效，%。

眾所周知，高沖次會(huì)加劇井的偏磨和腐蝕。 所以一般情況下，選用最大沖程。再利用式（1）就能得到對(duì)應(yīng)的沖次。

1.2 計(jì)算并確定最終參數(shù)

在確定好抽汲參數(shù)后， 用修正古德曼圖來(lái)進(jìn)行抽油桿強(qiáng)度校核和桿組合設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行功率計(jì)算［14］。

式中：Amu、Amd為電機(jī)在上下沖程中的作功，N·m；Au、Ad為懸點(diǎn)載荷在上下沖程中的作功，N·m；Aw為平衡塊的作功，N·m。

由于慣性力在上下沖程中所作總功等于零， 在計(jì)算Au、Ad時(shí)不用考慮慣性力作功。 而井口回壓與振動(dòng)載荷和泵吸入作用產(chǎn)生的載荷通常可以忽略，所以近似的有：

式中：Fu與Fd為上下沖程的最大摩擦載荷，N； fri第i 級(jí)抽油桿的截面積，m2；Li為第i 級(jí)抽油桿的長(zhǎng)度，m；fp為柱塞的截面積，m2； qri為第i 級(jí)抽油桿的米重，kg/m；ρliq含水原油密度，kg/m3；ρw、ρo為原油和水的密度，kg/m3；fw為原油含水率，%。

計(jì)算出Am/Q 的比值， 可以得到每個(gè)產(chǎn)量Q 對(duì)應(yīng)的Am/Q 值，然后與IPR 曲線作在同張圖上，得到最優(yōu)產(chǎn)量值，見(jiàn)圖1。

圖1 噸油能耗示意圖

2 實(shí)例計(jì)算

WC219 井是中原油田采油三廠的1 口生產(chǎn)井，含水已高達(dá)98.9%，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和IPR 曲線見(jiàn)表1 和圖2。

對(duì)該井泵效和泵掛深度進(jìn)行擬合得到曲線，見(jiàn)圖3。

表1 WC219井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖2 WC219 井IPR 曲線

在對(duì)抽油桿柱進(jìn)行設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)上，用計(jì)算機(jī)編程算出各產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的抽油機(jī)一個(gè)沖程中的耗能與產(chǎn)量的比值，結(jié)果見(jiàn)表2 和圖4。

圖3 WC219 泵效和沉沒(méi)度關(guān)系曲線

由表2 和圖4 可看出最優(yōu)產(chǎn)液量為43.4 m3/d， 對(duì)應(yīng)的參數(shù)：泵徑57 mm，泵掛2 160 m，沖程4.8 m（為中原油田采油三廠所用抽油機(jī)最大沖程），沖次6.16 次，桿組合為Φ19×569 m+Φ22×920 m+Φ25×671 m。

表2 不同泵徑生產(chǎn)時(shí)的噸油能耗

圖4 不同泵徑生產(chǎn)時(shí)的噸油能耗曲線

3 結(jié)論

a） 對(duì)生產(chǎn)相對(duì)穩(wěn)定的井來(lái)說(shuō)，如果泵徑已定，其生產(chǎn)每噸油所消耗的能量隨產(chǎn)量先降后升。

b）對(duì)生產(chǎn)相對(duì)穩(wěn)定的井來(lái)說(shuō)，不同泵徑下求得的合理的產(chǎn)量相同，即用該方法確定的泵徑僅與井流入動(dòng)態(tài)有關(guān)。

c）隨著泵徑的增大，生產(chǎn)每噸油所消耗的能量值逐漸減小，但減小的幅度也越來(lái)越小。

［1］ 方仁杰. 抽油機(jī)歷史現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析 ［J］. 鉆采工藝，2011，34（2）：60-63.

［2］ 郭 洋，楊勝來(lái). 我國(guó)火山巖油氣藏壓裂技術(shù)研究進(jìn)展［J］.天然氣與石油，2012，30（2）：49-51.

［3］ 劉 富，趙 榮，李海濤，等. 陸梁油田分子膜增注工藝技術(shù)研究［J］. 天然氣與石油，2012，30（1）：79-81.

［4］ 高慶華. 低滲透油藏有桿泵采油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，16（7）：12.

［5］ 董旭昊. 連續(xù)桿深抽配套優(yōu)化設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用［J］. 中國(guó)高科技企業(yè)，2011，18（21）：35.

［6］ 王麗麗. 小型抽油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，32（1）：262.

［7］ 梁宏寶，伊蓮娜，孟慶偉. 游梁式抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)改造綜述（Ⅰ）［J］. 應(yīng)用能源技術(shù)，2011，28（2）：4.

［8］ 李相良，朱忠慶，孫紅霞，等. 懸點(diǎn)載荷變化對(duì)抽油桿斷裂的影響［J］. 油氣田地面工程，2008，27（10）：31-33.

［9］ 閔志濱，劉 穎，欒慶德. 常規(guī)抽油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，30（1）：117-119.

［10］ 景玉梅， 張瞳陽(yáng). 抽油機(jī)井合理沉沒(méi)度確定與治理實(shí)踐［J］. 大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2006，25（增刊）：70-72.

［11］ 謝文獻(xiàn)， 李健康. 應(yīng)用曲線擬合法確定有桿泵沉沒(méi)度［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2003，32（2）：34-36.

［12］ 譚多鴻. 抽油機(jī)井合理沉沒(méi)度的確定 ［J］. 石油天然氣學(xué)報(bào)，2007，29（l）：147-148.

［13］甘振維，趙普春. 塔河油田機(jī)抽井合理沉沒(méi)度分析［J］. 中外能源，2008，13（1）：40-44.

［14］ 張 琪. 采油工程原理與設(shè)計(jì)［M］. 北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.103-117.