鄧吉彬

揚州江蘇油田瑞達石油工程技術(shù)開發(fā)有限公司

抽油機井節(jié)能優(yōu)化統(tǒng)一模型

鄧吉彬

揚州江蘇油田瑞達石油工程技術(shù)開發(fā)有限公司

低油價形勢下為了進一步降低抽油機井能耗、提高抽油機井系統(tǒng)效率，建立了整合間抽生產(chǎn)與連續(xù)生產(chǎn)方式統(tǒng)一的抽油機井節(jié)能優(yōu)化模型。該模型在完成相同產(chǎn)量的前提下，合理組合主要生產(chǎn)參數(shù)，從降低生產(chǎn)時間及降低生產(chǎn)單耗2個方面協(xié)同降低抽油機井日耗電。在此優(yōu)化模型的基礎上，提出了模型求解的無極間開設計方法，該方法可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)與不同生產(chǎn)時間的間開生產(chǎn)能耗對比，得出日耗電最低的生產(chǎn)參數(shù)組合?，F(xiàn)場應用表明，與常規(guī)連續(xù)優(yōu)化相比，無極間開優(yōu)化可以有效降低中、低產(chǎn)抽油機井系統(tǒng)能耗，進一步提高其機采系統(tǒng)效率。該統(tǒng)一模型及其求解方法為確定抽油機井選擇連續(xù)生產(chǎn)或是間抽生產(chǎn)提供了經(jīng)濟評價依據(jù)，尤其對中低產(chǎn)井的節(jié)能優(yōu)化具有指導意義。

抽油機井；連續(xù)生產(chǎn)；間開；機采參數(shù)；優(yōu)化設計；采油效率

在低油價形勢下，以抽油機井為主要開采方式的油田，都在研究應用不同的優(yōu)化技術(shù)以節(jié)能降耗，降低抽油機井能耗成本。這些優(yōu)化技術(shù)主要可分為對抽油機井連續(xù)生產(chǎn)方式的優(yōu)化及對間抽生產(chǎn)方式的優(yōu)化。對連續(xù)生產(chǎn)方式的優(yōu)化技術(shù)國內(nèi)外提出了多種方法與模型，其中，API方法及圖表法主要基于對抽油系統(tǒng)運動規(guī)律的物理模擬及系列經(jīng)驗計算公式［1-6］；波動方程法自Gibbs提出用于示功圖分析診斷以來有較大發(fā)展，Miska S.、Firu L.S.及姚春東等對波動方程進行了修正并建立了考慮多種因素的的系統(tǒng)仿真法模型及算法［7-10］；王文昌、萬朝暉等將波動方程模型擴展到三維［11-12］；邢明明、董世民建立了波動方程與地面系統(tǒng)運行進行耦合的節(jié)能優(yōu)化模型［13］；Gault、Takacs及郭吉民等對影響系統(tǒng)效率的運行模式或參數(shù)進行敏感性分析，由此建立起敏感性分析節(jié)能優(yōu)化模型或優(yōu)化評價方法［14-20］；鄭海金等基于建立的有桿泵抽油系統(tǒng)能耗計算公式提出了能耗最低機采系統(tǒng)設計方法［21-22］。間抽生產(chǎn)方式優(yōu)化的研究主要集中在低滲透油藏低產(chǎn)抽油井的動液面下降及恢復規(guī)律方面，提出根據(jù)動液面下降、恢復情況優(yōu)化間抽生產(chǎn)時間及沖程、沖次組合［23-27］。

上述優(yōu)化技術(shù)都可以在不同程度上降低抽油機井能耗，但一口抽油機井如何選擇連續(xù)生產(chǎn)還是間抽生產(chǎn)，如何在設計時實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)能耗水平與不同生產(chǎn)時間的間抽生產(chǎn)能耗水平的比較，目前文獻中還沒有見到相應的設計模型及解決辦法。針對上述問題，建立了整合間抽生產(chǎn)與連續(xù)生產(chǎn)方式的抽油機井節(jié)能優(yōu)化統(tǒng)一模型。該模型以完成相同產(chǎn)量為前提，合理組合主要生產(chǎn)參數(shù)，從降低生產(chǎn)時間及降低生產(chǎn)單耗兩個方面來降低抽油機井日耗電。根據(jù)該優(yōu)化模型，提出了無極間開機采系統(tǒng)設計方法，實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)與不同生產(chǎn)時間的間開生產(chǎn)的能耗對比，找出日耗電最低的生產(chǎn)參數(shù)組合?，F(xiàn)場應用表明，應用該統(tǒng)一模型實施無極間開優(yōu)化可以有效降低中、低產(chǎn)抽油機井系統(tǒng)能耗，進一步提高其機采系統(tǒng)效率。

1 抽油機井節(jié)能優(yōu)化統(tǒng)一模型

Uniformed model for performance optimization and energy conservation in rod-pumped wells

以抽油機采油為主要開采方式的油田，保持正常生產(chǎn)的抽油機井的日常運行成本主要是能耗。建立適用于間抽及連續(xù)生產(chǎn)的抽油機井能耗、日產(chǎn)量計算公式為

式中，W為日耗電量，kWh；Pi為生產(chǎn)時間內(nèi)電機平均輸入功率，kW；Ti為日生產(chǎn)時間，h；Q為日產(chǎn)液量，m3/d ；Qi為生產(chǎn)時間內(nèi)的平均產(chǎn)液量，m3/d。

根據(jù)式（1），降低日耗電量有3種方式：保持Pi基本不變，減少生產(chǎn)時間Ti；保持生產(chǎn)時間Ti不變，降低Pi；減少Ti，同時盡可能降低Pi，實現(xiàn)整體降低。第一種是間抽方式；第二種對連續(xù)生產(chǎn)方式的節(jié)能優(yōu)化，多以保持生產(chǎn)時間不變以追求能耗盡可能低為目標函數(shù)；第三種從降低生產(chǎn)時間及降低生產(chǎn)單耗2個方面來降低日耗電，從而進一步降低機采井能耗。

建立了一種統(tǒng)一上述3種節(jié)能方式的優(yōu)化模型，給定目標產(chǎn)量Qt與實際產(chǎn)量Qi·Ti/24間的允許誤差e，對能夠完成目標產(chǎn)量Qt的每一種Ti、Qi組合，應用不同的管桿泵及生產(chǎn)參數(shù)，合理組合Pi、Ti、Qi，使日耗電最少。模型求解的目標函數(shù)為

在一定生產(chǎn)時間Ti內(nèi)，抽油機井輸入功率Pi與產(chǎn)液量Qi、動液面深度及生產(chǎn)參數(shù)的關(guān)系為

式中，Pu為地面損失功率，kW；Pr為黏滯損失功率，kW；Pk為滑動損失功率，kW；Pe為溶解氣膨脹功率，kW；Pef為有效功率，kW。

地面損失功率是地面抽油機和電機所消耗的功率，主要由等價于一杠桿的地面系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)帶動井下負荷上下運動引起的傳動損失及電機空載損失組成。地面損失功率Pu為

式中，Pd為電機空載功率，kW；Fg為抽油桿所受重力，kN；Fl為泵柱塞所承受的液柱載荷，kN；s為沖程，m；n為沖次，1/min； k1、k2分別為傳輸功率、光桿功率的傳導系數(shù)。

黏滯損失功率Pr是井筒油管內(nèi)原油與抽油桿、管間的黏滯摩擦引起的能耗損失。黏滯損失功率Pr計算式為

式中，μi為將泵上油管分為N段，第i段油管內(nèi)液體黏度，mPa·s；li為第i段油管長度，m；m為管徑桿徑比。

滑動損失功率Pk為因井斜造成的管桿摩擦引起的能耗損失。滑動損失功率Pk計算式為

式中，L為井斜的水平軌跡長度，m；qr為桿重度，kN/m；fk為桿與管的摩擦系數(shù)。

膨脹功率Pe為油管中溶解氣因深度及壓力變化不斷析出、膨脹產(chǎn)生幫助舉升的作用，該作用減少舉升過程抽油機系統(tǒng)需要消耗的能耗，故在式（5）、（6）中取負值。其計算式為

式中，ρo為混合液密度、原油密度，kg/m3；fw為含水率，%；pb為原油飽和壓力，MPa；α為溶解系數(shù)，MPa-1；ps為沉沒壓力，MPa；pw為井口回壓，MPa。

有效功率是把一定原油舉升到地面需要消耗的功率。其計算式為

式中，Pef為有效功率，kW；h為有效揚程，m；ρ為混合液密度，kg/m3。

系統(tǒng)效率η計算式為

抽油機井的產(chǎn)液量Qi由抽汲參數(shù)、抽油泵效及泵的間隙漏失量Ql共同決定，計算式為

式中，D為泵徑，m；ηp為忽略抽油桿慣性力影響的泵效，%； Ql為抽油泵漏失量，m3/d；λ為沖程損失，m；β為氣體影響系數(shù)；E為鋼的彈性模量，2.1×1011N/m2； L1、L2為第一、二級桿長度，m；f1、f2為第一、二級桿截面積，m2；ft為油管金屬部分截面積，m2；Lp為下泵深度，m；油管下部錨定時，λ不計入Lp/ft；R為氣油比，m3/m3；δ為泵柱塞與泵筒環(huán)形間隙，m；Lpl為泵柱塞長度，m，μ為抽油泵內(nèi)液體黏度，mPa·s。

根據(jù)上述式（1）～（16），可以確定用不同生產(chǎn)時間，應用不同管、桿、泵及生產(chǎn)參數(shù)組合，完成相同產(chǎn)量Qt而不同Ti、Qi、Pi組合下的日耗電W。建立的上述抽油機井節(jié)能優(yōu)化統(tǒng)一模型的核心問題是求解其目標函數(shù)式（3）、（4）找出min（W），即完成產(chǎn)量Qt的前提下，設計出使日耗電W最少對應的生產(chǎn)時間及生產(chǎn)參數(shù)組合。

2 無極間開設計方法

Design for stepless intermittent operation

2.1 設計步驟

Design procedures

對一口給定的抽油機井，假定油層連續(xù)出液，不存在間歇出液的情況，且日產(chǎn)液量相對穩(wěn)定。由于抽油機井生產(chǎn)參數(shù)如油管直徑、沖程長度等均是不連續(xù)的離散參數(shù)，要設計出使日耗電量W最少對應的生產(chǎn)時間及生產(chǎn)參數(shù)組合可以對所有參數(shù)進行排列組合設計。設計步驟如下。

（1）預測或給定油井日產(chǎn)液量Qt及動液面，將一天24 h按一定步長（通?？扇?、2、4 h）遞減作為生產(chǎn)時間Ti，根據(jù)式（2）求出Qi。

（2）選定抽油機機型，對于老井保持抽油機機型不變。

（3）設定抽油機井的桿、管、泵、沖程、沖次、泵深的可選擇范圍。

（4）對每一種Ti、Qi組合，在步驟3設定的范圍內(nèi)，將各種管徑、各種桿柱鋼級、各種泵徑與各種泵深（對應科學的桿柱組合）、各種沖程、各種沖次一一組合，每一種生產(chǎn)參數(shù)組合應用式（12）～（16）計算其可完成的產(chǎn)量Qi，若約束式（4）成立，則該組合為能保持產(chǎn)量不變的可行生產(chǎn)參數(shù)組合；若不成立，則該組合舍去不用。同時每一種可行生產(chǎn)參數(shù)組合還需滿足抽油機井的安全條件（滿足抽油機額定載荷、額定扭矩限制及桿管強度限制）。

（5）根據(jù)式（3）～（11）分別計算出每一種Ti、Qi組合下每一種可行生產(chǎn)參數(shù)組合所對應的輸入功率Pi，根據(jù)式（1）計算出其對應的日耗電量W及相應的年度耗電費用，根據(jù)各種管、桿、泵的價格，計算出每一組機采參數(shù)所對應的機采年耗成本。

（6）每一種（W、Ti、Qi、Pi、生產(chǎn)參數(shù)組合）作為一種生產(chǎn)模式，在所有生產(chǎn)模式中，推薦以日耗電最低者或年耗成本最低者為所選擇的機采參數(shù)，包括生產(chǎn)時間、管徑、管長、桿柱鋼級、泵徑、泵掛深度、桿柱組合、沖程、沖次等。

（7）對于選定的生產(chǎn)時間Ti，其停井時間為24-Ti。為減少停井時井底流壓上升對產(chǎn)量的影響，需要實行無極間開方式以保證產(chǎn)液要求。無極間開方式是將生產(chǎn)時間、停井時間分為相同數(shù)量的小時間段（建議取0.1 h的整數(shù)倍），按生產(chǎn)-停井-生產(chǎn)-停井……的短間歇間開模式生產(chǎn)，分的時間段數(shù)越多，對產(chǎn)量的影響越小。但為盡量減少頻繁起停抽油機帶來的設備沖擊與磨損，同時防止井口凝凍、井筒結(jié)蠟、卡泵等，最大停井時間根據(jù)油井的集輸方式、井口溫度、原油物性等綜合因素確定。無極間開方式既能保證產(chǎn)液目標的實現(xiàn)，又能降低抽油機能耗，不再需要象常規(guī)間抽方式那樣對抽油機井的動液面恢復及下降實施長時間連續(xù)監(jiān)測來探索確定間開時間，但需要注意抽油機保養(yǎng)與維護［23-27］。上述生產(chǎn)時間Ti可選、生產(chǎn)實行短間歇間開的設計方法稱之為無極間開設計方法。

2.2 計算實例及分析

Calculation case study and analysis

根據(jù)上述模型及設計方法，編制了計算機軟件。以某油田一口井以例，展示上述節(jié)能優(yōu)化綜合模型及無極間開設計方法的設計過程。示例井主要參數(shù)：油層射孔井段1 245.8～1 306.0 m，油層溫度51.15 ℃，抽油機型號CYJ8-3-37HF，沖程孔3 m、2.4 m、1.8 m，日產(chǎn)液量4.1 m3/d，含水率7%，動液面1 100 m，油壓0.85 MPa，套壓0.98 MPa，氣油比24.4 m3/m3，飽和壓力2.81 MPa。該井24 h連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)參數(shù)：沖程3 m、沖次4.1 次/min、泵徑?32 mm、泵深1 103.53 m，測試輸入功率4.176 kW，系統(tǒng)效率12.1%。

按照2.1所述步驟，計算時生產(chǎn)時間遞減步長取4 h，生產(chǎn)時間Ti分別為24、20、16、12、8、4 h，按照公式（2）求得各生產(chǎn)時間對應的間抽產(chǎn)量Qi，在該井抽油機設備許可條件下，油管內(nèi)徑選?62 mm，抽油桿選D級，泵徑選現(xiàn)場常見的泵徑，泵深一般限定為1 150～1 240 m，沖次限定為2.3～12 次/min。在上述條件下，對每一種Ti、Qi組合，設計出能夠?qū)崿F(xiàn)該Ti、Qi組合下所有桿、管、泵參數(shù)組合，分別篩選出每一種泵徑下日耗電最低的一組參數(shù)，按2.1步驟7確定開井、停井時間（本次設計取開井時間最低為6 min）。

通過計算結(jié)果可知，該井若仍然采取連續(xù)24 h生產(chǎn)方式，生產(chǎn)日耗電最低為48 kW·h，系統(tǒng)效率最高為25.24%；若可采取間抽方式，生產(chǎn)日耗電最低為24.4 kW·h，系統(tǒng)效率最高為49.64%，每天可只生產(chǎn)4 h?？梢缘贸鼋Y(jié)論：對于一口特定的抽油機井，在給定的產(chǎn)量條件下，存在一個滿足抽油機限定條件的日耗電最低的生產(chǎn)模式，該模式通常是較短的生產(chǎn)時間、較大泵徑、較低桿速；相同的生產(chǎn)時間條件下，較大泵徑、低桿速的生產(chǎn)模式日耗電較低；不同的生產(chǎn)時間、相同泵徑條件下，存在著一個日耗電最低、系統(tǒng)效率最高的生產(chǎn)時間；不同的生產(chǎn)模式需要不同的地面設備，由此可以根據(jù)現(xiàn)有地面設備選擇目前設備投入最少的生產(chǎn)模式。若選擇24 h連續(xù)生產(chǎn)沖次是2.3次，則需要12極低速電機或增加變頻器才能實現(xiàn)，若選擇8 h間抽生產(chǎn)沖次是3.5次，則使用8極電機即可實現(xiàn)，但需要增加一個間抽控制器。

3 現(xiàn)場應用

On-site applications

在某油田低產(chǎn)抽油機井上進行了15口井的現(xiàn)場技術(shù)試驗及推廣應用。這15口井優(yōu)化前平均日產(chǎn)液量0.9 m3/d，平均動液面578 m，平均沖程1.1 m，平均沖次6.9 次/min，實測日耗電為44.2 kW·h，系統(tǒng)效率僅為3.8%，屬于典型的低產(chǎn)低效井。應用根據(jù)上述統(tǒng)一優(yōu)化模型開發(fā)的無極間開優(yōu)化設計軟件，根據(jù)油井實際狀況，在未進行井下作業(yè)的情況下進行了無極間開參數(shù)設計，確定了間開生產(chǎn)方案參數(shù)。為實現(xiàn)無極間開，開發(fā)應用了抽油機專用變頻控制器，保證沖次下調(diào)及間開功能的實現(xiàn)，不再需要如常規(guī)間抽那樣對動液面實施監(jiān)測來確定間抽時間。實施后，這15口井平均日產(chǎn)液量1.3 m3/d，平均動液面552 m，平均沖程1.1 m，平均沖次降為5.3 次/min，平均日生產(chǎn)時間從24 h降為11.4 h，日耗電降為18.4 kW·h，平均單井日節(jié)電25.8 kW·h，系統(tǒng)效率提高到12.5%。項目實施取得了顯著的節(jié)能效果。

現(xiàn)場技術(shù)試驗取得成功后，在該油田實施了100口井無極間開技術(shù)應用推廣及100口井連續(xù)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化，并進行了節(jié)能效果對比，在產(chǎn)液量基本保持不變的條件下，兩種優(yōu)化方式的主要參數(shù)對比見表1。對低產(chǎn)低效抽油機井實施無極間開優(yōu)化與連續(xù)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化，均能實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能、提高系統(tǒng)效率的目的，但無極間開優(yōu)化比連續(xù)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化具有更加突出的節(jié)能效果。同時，由于降低了沖次、減少了生產(chǎn)時間，油井檢泵周期得到延長，減少了作業(yè)成本，油井采油效益得到進一步提升。

表1 無極間開與連續(xù)生產(chǎn)優(yōu)化效果對比Table 1 Optimization effect comparsions of infinite open &continuous production

4 結(jié)論

Conclusions

（1）在低油價形勢下，為進一步降低抽油機井能耗、提高抽油機井系統(tǒng)效率，建立了整合間抽生產(chǎn)與連續(xù)生產(chǎn)方式的統(tǒng)一的抽油機井節(jié)能優(yōu)化模型。該模型在完成相同產(chǎn)量的前提下，從降低生產(chǎn)時間及降低生產(chǎn)單耗兩個方面來降低抽油機井日耗電，尤其適合于中、低產(chǎn)井節(jié)能優(yōu)化。

（2）根據(jù)抽油機井節(jié)能優(yōu)化統(tǒng)一模型，提出了生產(chǎn)時間可選、生產(chǎn)實行短間歇間開模式的無極間開設計方法。該方法可最大程度地減少停井對油井產(chǎn)量的影響，保證油井產(chǎn)液目標的實現(xiàn)，同時可展示連續(xù)生產(chǎn)與間開生產(chǎn)模式的能效對比及效果預測，從而為確定抽油機井采用連續(xù)生產(chǎn)或是間抽生產(chǎn)提供經(jīng)濟評價依據(jù)。

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（修改稿收到日期 2016-09-25）

〔編輯 李春燕〕

Uniformed model for energy conservation and optimization of rod-pumped wells

DENG Jibin
Ruida Petroleum Engineering Technology Deνelopment Co.Ltd.,of Jiangsu Oilfield,Yangzhou,Jiangsu 225009,China

At present low oil price,it is necessary to minimize energy consumption of rod-pumped wells and enhance efficiency of rod-pumped well systems.Accordingly,uniformed optimization model with combination of intermittent production and continuous production for energy conservation in rod-pumped well has been constructed.With proper production parameters,the new model can effectively reduce daily power consumption by rod-pumped well jointly through minimization of production and reduction of unit consumption without compromising productivity.Based on the optimization model,design for stepless intermittent operation has been proposed to provide solution to the newly constructed model.By comparing energy consumptions of intermittent production and continuous production,combination of optimal production parameters can be identified to minimize daily power consumption.On-site application results show the stepless intermittent operation optimization can further reduce energy consumption of rod-pumped well with medium or low productivities than the conventional continuous optimization.In this way,the efficiency of production system can be further enhanced.The innovative uniformed model and relevant solutions may provide reliable data for economic assessment on continuous or intermittent production in rod-pumped well.Relevant research results may provide necessary guidance for energy conservation and performance optimization in wells with medium or low productivity.

rod-pumped well;continuous production;intermittent production;parameters for mechanical production;design optimization;oil production efficiency

鄧吉彬.抽油機井節(jié)能優(yōu)化統(tǒng)一模型［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：842-847.

TE355.5

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0842-06

10.13639/j.odpt.2016.06.025

:DENG Jibin.Uniformed model for energy conservation and optimization of rod-pumped wells［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):842-847.

國家科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目“抽油機井節(jié)能潛力評價與設計管理系統(tǒng)”（編號：13C26213201847）。

鄧吉彬（1972-），1997年畢業(yè)于西南石油大學油氣田開發(fā)工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事采油、節(jié)能工藝技術(shù)研究應用工作，高級工程師。通訊地址：（23009）江蘇省揚州市文匯西路1號石油城實驗樓2002室。電話：0514-87762426。Email:dengjb.jsyt@sinopec.com