孫守淵　陳勇　徐秀治　李鑫（.玉門(mén)油田分公司鉆采工程研究院；.玉門(mén)油田分公司規(guī)劃計(jì)劃處；.玉門(mén)油田分公司青西油田作業(yè)區(qū)）

機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能潛力研究與應(yīng)用

孫守淵1陳勇2徐秀治3李鑫3
（1.玉門(mén)油田分公司鉆采工程研究院；2.玉門(mén)油田分公司規(guī)劃計(jì)劃處；3.玉門(mén)油田分公司青西油田作業(yè)區(qū)）

摘要：目前，通用的系統(tǒng)效率不能完全判別油田機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能潛力和反映油井的管理水平。筆者提出重新劃分抽油機(jī)井系統(tǒng)輸入功率的構(gòu)成，以及各部分功率的具體計(jì)算方法和影響因素，研究開(kāi)發(fā)出系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率理論基礎(chǔ)，以滿足不同管理層對(duì)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率管理的需求，為油氣田企業(yè)挖掘抽油機(jī)井系統(tǒng)節(jié)能潛力、節(jié)約電能和降低開(kāi)采成本開(kāi)辟了新的途徑。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；系統(tǒng)效率；實(shí)現(xiàn)率

1　概述

玉門(mén)油田油井多為低滲透的低能、低產(chǎn)井，所以主要開(kāi)采手段是采用機(jī)械采油設(shè)備進(jìn)行地面抽汲的方式。而在玉門(mén)油田的采油設(shè)備中，游梁式抽油機(jī)應(yīng)用最為普遍，數(shù)量也最多。且近年來(lái)隨著對(duì)石油的連續(xù)開(kāi)采，部分油井已進(jìn)入開(kāi)采的后期，油層出現(xiàn)明顯的供液能力不足，使得抽油機(jī)正常工作時(shí)多是以輕載運(yùn)行。油泵在充滿度較低時(shí)，抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)處于輕載運(yùn)行，抽油機(jī)工作效率不高，造成大量電能浪費(fèi)。

目前，玉門(mén)油田共有低能、低產(chǎn)井1000多口，平均系統(tǒng)效率不足12%，年耗電約4.4×107kWh，占油田總耗電量的1/3。大量的抽油設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行在低效率區(qū)，造成能源浪費(fèi)，給油田帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，我們要尋求、研究和推廣機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能潛力評(píng)價(jià)[1-2]。

2　理論依據(jù)

研究機(jī)采系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，創(chuàng)立系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率計(jì)算理論，建立基于系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率的系統(tǒng)效率評(píng)價(jià)理論，制定評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率指標(biāo)的節(jié)能潛力與耗能評(píng)價(jià)，挖掘抽油機(jī)井系統(tǒng)節(jié)能潛力，降低開(kāi)采成本。

2.1抽油機(jī)井能耗

在現(xiàn)有技術(shù)條件的情況下，不更換抽油機(jī)，以保持產(chǎn)量基本不變，以抽油機(jī)能耗最低為準(zhǔn)則，計(jì)算得出理論最低能耗與現(xiàn)階段能耗水平的比較，得出油井能耗水平，判別抽油機(jī)井的節(jié)能潛力。

對(duì)抽油機(jī)井系統(tǒng)開(kāi)展能量分析，輸入功率劃分為地面損失功率、滑動(dòng)損失功率、黏滯損失功率、溶解氣膨脹功率、抽油機(jī)井系統(tǒng)有效功率5部分。

2.1.1地面損失功率

深井泵生產(chǎn)過(guò)程中，地面抽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)所損耗的功率稱作地面損失功率，包括電動(dòng)機(jī)空載功率、地上傳輸損失功率和井下傳輸損失功率。地面損失功率影響因素包括電動(dòng)機(jī)空載功率、井下負(fù)荷、抽油桿運(yùn)行速度、傳輸功率傳導(dǎo)系數(shù)、光桿功率傳導(dǎo)系數(shù)。

式中：N地——地面損失功率，kW；

No——電動(dòng)機(jī)空載功率，kW；

Nd——地面?zhèn)鬏敁p失功率，kW；

Nj——井下傳輸損失功率，kW；

Fu——光桿上沖程平均載荷，kN；

Fd——光桿下沖程平均載荷，kN；

ns——光桿實(shí)測(cè)平均沖速，min-1；

sl——沖程，m；

k1——傳輸功率傳導(dǎo)系數(shù)；

k2——光桿功率傳導(dǎo)系數(shù)。

2.1.2黏滯損失功率

深井泵生產(chǎn)過(guò)程中，被舉升的液體因與油管、抽油桿發(fā)生摩擦而損耗的功率稱作黏滯損失功率。黏滯損失功率的影響因素為桿速、管徑、桿徑、泵掛、原油黏度。

式中：Nr——黏滯損失功率，kW；

μi——平均液體黏度，MPa·s；

li——油管長(zhǎng)度，m；

m——油管直徑與抽油桿直徑之比。

2.1.3滑動(dòng)損失功率

因井斜造成的抽油桿與油管之間發(fā)生的摩擦以及泵柱塞與泵筒間發(fā)生的摩擦而損失的功率稱作滑動(dòng)損失功率?；瑒?dòng)損失功率的影響因素包括桿速、單位長(zhǎng)度桿重、井斜軌跡水平投影長(zhǎng)度、桿與管的摩擦系數(shù)。

式中：Nk——滑動(dòng)損失功率，kW；

fk——桿與管的摩擦系數(shù)；

q桿——單位長(zhǎng)度桿柱重量，kg；

l水平——抽油桿在斜井段的水平投影長(zhǎng)度，m。

2.1.4膨脹功率

原油在舉升過(guò)程中，溶解氣因所受壓力的降低而不斷從原油中析出，從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。一方面導(dǎo)致物質(zhì)本身的能量降低，即內(nèi)能降低；另一方面，這部分能量轉(zhuǎn)化成體積膨脹能而作用于舉升系統(tǒng)。這一功率稱作溶解氣膨脹功率。膨脹功率的影響因素為日產(chǎn)液量、飽和壓力、井口壓力、沉沒(méi)壓力、溶解系數(shù)。

式中：N膨——溶解氣膨脹功率，kW；

P沉——沉沒(méi)壓力，MPa；

Pb——飽和壓力，MPa；

P

井口——井口壓力，MPa；

Q——油井產(chǎn)液量，m3/d；

α——溶解系數(shù)。

當(dāng)P沉≥Pb且P井口≥Pb時(shí)，N膨= 0

當(dāng)P井口＜P沉＜Pb時(shí)

2.1.5有效功率

在一定揚(yáng)程下，將一定排量的井下液體提升到地面所需要的功率稱為有效功率。有效功率影響因素為日產(chǎn)液量、液體密度、有效揚(yáng)程。

式中：N2——抽油機(jī)井系統(tǒng)有效功率，kW；

H——有效揚(yáng)程，m；

ρ——液體密度，kg/m3；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

2.2抽油機(jī)參數(shù)

1）最佳輸入功率。抽油機(jī)井的輸入功率理論計(jì)算為地面損失功率、黏滯損失功率、滑動(dòng)損失功率、有效功率之和再減去溶解氣膨脹功率。

在保持抽油機(jī)不變的情況下以測(cè)試所得產(chǎn)液量、含水率、動(dòng)液面、油套壓，將管徑、桿柱鋼級(jí)、泵徑與泵掛（對(duì)應(yīng)科學(xué)的桿柱組合）、沖程、沖速進(jìn)行各種組合，每1種組合對(duì)應(yīng)著1種機(jī)采系統(tǒng)效率，即對(duì)應(yīng)著1種能量消耗。根據(jù)輸入功率計(jì)算公式分別計(jì)算出每1種機(jī)采參數(shù)組合所對(duì)應(yīng)的輸入功率。以輸入功率最低者對(duì)應(yīng)的功率為抽油機(jī)井最佳輸入功率Nbest；但根據(jù)玉門(mén)油田抽油機(jī)井實(shí)際情況，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，保持抽油機(jī)不變，以產(chǎn)量為目標(biāo)、以能耗最低為準(zhǔn)則，優(yōu)化最佳輸入功率計(jì)算理論?；瑒?dòng)損失功率只有在斜井存在，膨脹功率影響微乎其微，以目前抽油機(jī)井下參數(shù)組合對(duì)應(yīng)的輸入功率為抽油機(jī)井最佳輸入功率。故最佳輸入功率理論計(jì)算變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)空載損失功率、地面?zhèn)鬏敁p失功率、井下傳輸損失功率、黏滯損失功率、有效功率之和。計(jì)算方法為

式中：Nbest——最佳輸入功率，kW。

2）最佳系統(tǒng)效率為抽油機(jī)井系統(tǒng)的有效功率與最佳輸入功率的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。

式中：ηbest——抽油機(jī)井最佳系統(tǒng)效率，%。

3）系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率為抽油機(jī)井目前系統(tǒng)效率與最佳系統(tǒng)效率（或最佳輸入功率與目前輸入功率）的比值，以百分?jǐn)?shù)表示[3-7]。

式中：R——系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率，%；η——系統(tǒng)效率，%；

N1——抽油機(jī)井系統(tǒng)輸入功率，kW。

表1　鴨兒峽油田抽油機(jī)井優(yōu)化前后對(duì)比

表2　老君廟油田抽油機(jī)井優(yōu)化前后對(duì)比

2.3系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率評(píng)價(jià)

抽油機(jī)井評(píng)價(jià)的指標(biāo)主要是系統(tǒng)效率，其影響因素很多，如地質(zhì)條件、油層物性、供液能力等。由于這些因素的限制，每口井系統(tǒng)效率極限是由其客觀條件決定的，若其系統(tǒng)效率未達(dá)到該井的極限值，則可以通過(guò)加強(qiáng)對(duì)該井的能耗評(píng)價(jià)來(lái)挖掘其系統(tǒng)效率的潛力，反之若其系統(tǒng)效率已達(dá)到該井的極限值，盡管其系統(tǒng)效率很低，但該井已無(wú)潛力可挖，其能耗水平已經(jīng)很好了。所以系統(tǒng)效率指標(biāo)不能反映油井的能耗水平和節(jié)能潛力，而系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率則能夠反映油井的能耗水平和判別節(jié)能潛力。例如有些井系統(tǒng)效率高達(dá)40%，系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率只有60%，說(shuō)明該井系統(tǒng)效率還有提升空間；而有些井的系統(tǒng)效率5%，系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率90%，說(shuō)明該井系統(tǒng)效率提升空間不大了。并且根據(jù)系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率的計(jì)算找出單井高耗能環(huán)節(jié)，優(yōu)化抽油機(jī)井參數(shù)，挖出在每口井的系統(tǒng)效率未達(dá)到該井的極限值之前的潛力。另外，各油田或各區(qū)塊系統(tǒng)效率差異較大；橫向與縱向比較可比性不大，而運(yùn)用系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率指標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)各油田作業(yè)區(qū)、隊(duì)（站）、區(qū)塊之間、各油井之間指標(biāo)管理的橫向與縱向比較。

因此，我們通過(guò)研究以產(chǎn)量為目標(biāo)、以抽油機(jī)井能耗最低為準(zhǔn)則建立的系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率計(jì)算理論，統(tǒng)計(jì)了近幾年油田抽油機(jī)井應(yīng)用系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率指標(biāo)評(píng)價(jià)的結(jié)果，結(jié)合油田抽油機(jī)井管理狀況和節(jié)能潛力要求，提出系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率大于或等于60%為合格；大于或等于72%為良好；大于或等于80%為優(yōu)秀。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1）鴨兒峽油田作業(yè)區(qū)。該作業(yè)區(qū)應(yīng)用抽油機(jī)井系統(tǒng)能耗測(cè)試與評(píng)價(jià)體系評(píng)價(jià)，見(jiàn)表1?？梢钥闯?口井評(píng)價(jià)優(yōu)化前平均系統(tǒng)效率11.13%，平均系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率51.34%，說(shuō)明還有48.66%的節(jié)能潛力。按照評(píng)價(jià)體系找出抽油機(jī)井系統(tǒng)高耗能環(huán)節(jié)，優(yōu)化組合抽油機(jī)井參數(shù)實(shí)施節(jié)能改造。實(shí)施后平均系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率提高到79.54%，達(dá)到了評(píng)價(jià)指標(biāo)的良好值，平均系統(tǒng)效率14.01%，提高了2.88%，平均有功節(jié)電率22.54%，綜合節(jié)電率28.52%。

2）老君廟油田作業(yè)區(qū)。該作業(yè)區(qū)應(yīng)用抽油機(jī)井系統(tǒng)能耗測(cè)試與評(píng)價(jià)體系評(píng)價(jià)，見(jiàn)表2?？梢钥闯?口井評(píng)價(jià)優(yōu)化前平均系統(tǒng)效率7.84%，平均系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率41.9%，還有58.1%的節(jié)能潛力。按照評(píng)價(jià)體系找出抽油機(jī)井系統(tǒng)高耗能環(huán)節(jié)，優(yōu)化組合抽油機(jī)井參數(shù)實(shí)施節(jié)能改造。實(shí)施后平均系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率提高到75.9%，達(dá)到了評(píng)價(jià)指標(biāo)的良好值，平均系統(tǒng)效率12.56%，提高了4.72%，平均有功節(jié)電率40.89%，綜合節(jié)電率48.55%。

4　結(jié)論

1）重新劃分抽油機(jī)井系統(tǒng)輸入功率的構(gòu)成，提出各部分功率的具體計(jì)算方法，

找出影響各部分功率的因素，開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率理論基礎(chǔ)。

2）系統(tǒng)效率值的高低不能完全反映油井或油田的管理水平，應(yīng)用系統(tǒng)效率實(shí)現(xiàn)率指標(biāo)可以滿足不同管理層對(duì)抽油機(jī)井系統(tǒng)效率管理的需求；反映油田系統(tǒng)效率的管理水平；判別抽油機(jī)井系統(tǒng)節(jié)能潛力。

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（編輯沙力妮）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.004

第一作者簡(jiǎn)介：孫守淵，工程師，2003年畢業(yè)蘭州理工大學(xué)，從事節(jié)能監(jiān)測(cè)工作，E-mail：ymsunsy@petrochina.com.cn，地址：甘肅省酒泉市新城區(qū)石油基地檔案樓811室，735019。

收稿日期2015-09-11