鞏宏亮 戚興 常瑞清 王洋 富源 侯宇 李金源 劉成林 陳云龍

（1.大慶油田采油工程研究院；2.哈爾濱索菲電氣技術(shù)有限公司）

抽油機(jī)不停機(jī)間歇采油技術(shù)研究與應(yīng)用

鞏宏亮1戚興1常瑞清1王洋1富源1侯宇1李金源2劉成林2陳云龍2

（1.大慶油田采油工程研究院；2.哈爾濱索菲電氣技術(shù)有限公司）

常規(guī)間歇采油存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、管理難度大、工作制度難以執(zhí)行到位等問(wèn)題。為此，提出了抽油機(jī)不停機(jī)間歇采油技術(shù)，采用長(zhǎng)周期集中式間歇采油轉(zhuǎn)變成多次短周期分散式間歇采油的策略，開展連續(xù)整周運(yùn)行與低能耗擺動(dòng)運(yùn)行相結(jié)合的方式，將常規(guī)間抽停機(jī)運(yùn)行改為曲柄低能耗小角度擺動(dòng)運(yùn)行；以井下柱塞保持不動(dòng)為前提，桿柱最大彈性變形為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出曲柄最大擺動(dòng)范圍，確保地面設(shè)備不停機(jī)安全擺動(dòng)，井下泵停抽的不停機(jī)短周期間抽工藝?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，與常規(guī)間抽相比，系統(tǒng)效率提高4.4個(gè)百分點(diǎn)，百米噸液?jiǎn)魏慕档?8.7%，日節(jié)電22.14 kWh，對(duì)低產(chǎn)井高效開發(fā)具有重要意義。

抽油機(jī)；不停機(jī)間歇采油；間抽制度；曲柄搖擺

引言

隨著大慶油田開發(fā)進(jìn)入中后期，普遍存在間歇出油、嚴(yán)重供液不足的低效井現(xiàn)象，所謂的低效井具有低產(chǎn)液、低泵效、低流壓的井。這部分井通常采用連續(xù)運(yùn)行生產(chǎn)方式，這些低產(chǎn)井在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間處于無(wú)效空抽運(yùn)行狀態(tài)，從而造成抽油機(jī)系統(tǒng)效率低、能耗大、設(shè)備磨損嚴(yán)重等問(wèn)題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大慶外圍油田抽油機(jī)井已經(jīng)超過(guò)2.1萬(wàn)口，占全油田機(jī)采總井?dāng)?shù)的31.8%，日產(chǎn)液5 t以下的低產(chǎn)井已超過(guò)1.8萬(wàn)口，這些低產(chǎn)井的產(chǎn)液量?jī)H占全油田總量5.6%，耗電量則高達(dá)23.7%，噸液?jiǎn)魏氖抢蠀^(qū)的5.2倍，平均系統(tǒng)效率僅為13.2%。其中，即使采用最小參數(shù)運(yùn)行仍然不能實(shí)現(xiàn)供排平衡，平均系統(tǒng)效率不足10%。

為保證低效井有足夠的供液能力，通常采用間歇采油技術(shù)[2-6]。間歇采油技術(shù)的應(yīng)用極大提高低效井的系統(tǒng)效率，并在節(jié)能降耗方面效果顯著[7-9]。為了方便管理，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采用間歇采油技術(shù)的大多數(shù)井都有統(tǒng)一固定的間抽制度，抽8 h停16 h間歇制度在油田占間抽井總數(shù)的95%[10]；然而一般停機(jī)8 h以上，油井動(dòng)液面波動(dòng)幅度大，不能保證合理流壓條件下生產(chǎn)，影響產(chǎn)量。間歇采油技術(shù)還存在增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度、無(wú)法精確控制間抽時(shí)間、管理難度大、工作制度難以執(zhí)行到位等問(wèn)題[11-13]；此外，井位偏遠(yuǎn)且交通不便、陰雨和風(fēng)雪惡劣天氣、冬季停機(jī)容易凍井口等問(wèn)題的出現(xiàn)都無(wú)法實(shí)施間歇采油制度。為此，2013年提出抽油機(jī)不停機(jī)間歇采油技術(shù)思路，并開展可行性研究；2014年定型技術(shù)方案，開展控制理論及控制方法的設(shè)計(jì)，形成曲柄擺動(dòng)定位技術(shù)；2015年開展低能耗、無(wú)沖擊驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究，研制不停機(jī)間抽裝置，并進(jìn)行2口井先導(dǎo)試驗(yàn)，驗(yàn)證了技術(shù)可行性和節(jié)能效果。2016年，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)方法，完善控制裝置，進(jìn)一步增強(qiáng)裝置的適應(yīng)性和可靠性，并開展10口井?dāng)U大試驗(yàn)；從而確定了抽油機(jī)不停機(jī)間歇采油技術(shù)，確保地面設(shè)備不停機(jī)安全擺動(dòng)運(yùn)行，井下抽油泵間歇采油，實(shí)現(xiàn)油井供排協(xié)調(diào)，達(dá)到高效舉升的目的。

1 抽油機(jī)不停機(jī)間歇采油技術(shù)

不停機(jī)間歇采油技術(shù)是指曲柄以連續(xù)整周運(yùn)行與低能耗擺動(dòng)運(yùn)行組合方式工作，將長(zhǎng)周期的集中式間歇采油轉(zhuǎn)變成多次短周期分散式間歇采油，將常規(guī)間抽停機(jī)運(yùn)行改為曲柄低能耗小角度擺動(dòng)運(yùn)行，井下泵停抽的不停機(jī)短周期間抽工藝。

1.1 曲柄擺動(dòng)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)及系統(tǒng)載荷計(jì)算分析，研究光桿小幅運(yùn)行井下負(fù)載變化規(guī)律及桿柱形變，以桿柱最大彈性變形為基礎(chǔ)，計(jì)算出曲柄最大擺動(dòng)范圍。根據(jù)不同曲柄位置，充分考慮平衡扭矩分布，設(shè)計(jì)懸點(diǎn)最佳光桿運(yùn)行距離（曲柄擺角）和擺動(dòng)速度，形成無(wú)沖擊低能耗擺動(dòng)運(yùn)行方案。

1）抽油桿最大靜載變形確定[14]：

式中：λ——抽油桿變形量，m；λr——抽油桿柱靜變形量，m；λt——油管柱靜變形量，m；E——抽油桿、油管鋼材彈性模量，2.12×108kN/m2；Ar——抽油桿柱截面積，m2；At——油管柱截面積，m2；L——抽油桿柱長(zhǎng)度，m；W′f——在柱塞上產(chǎn)生的液柱載荷，N。

2）曲柄最大擺動(dòng)角度范圍確定。曲柄最大擺動(dòng)角度范圍是在井下柱塞保持不動(dòng)前提下，以桿柱最大彈性變形為基礎(chǔ)，確保擺動(dòng)時(shí)桿柱運(yùn)動(dòng)控制在彈性變形范圍內(nèi)。通過(guò)計(jì)算抽油機(jī)驢頭在懸點(diǎn)處的最大位移值，從而確定出曲柄最大擺動(dòng)角度范圍。圖1為常規(guī)游梁式抽油機(jī)簡(jiǎn)圖。計(jì)算曲柄轉(zhuǎn)角θ的公式如下：

圖1 常規(guī)游梁式抽油機(jī)簡(jiǎn)圖

式中：θ——曲柄擺動(dòng)轉(zhuǎn)角，rad；θ1——下死點(diǎn)與平衡點(diǎn)間曲柄轉(zhuǎn)角，rad；θ2——上下死點(diǎn)時(shí)曲柄間轉(zhuǎn)角，rad；φ——曲柄在平衡點(diǎn)時(shí)角度的余角，rad；+號(hào)用于順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；-號(hào)用于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

1.2 不停機(jī)間歇采油控制裝置

不停機(jī)間歇采油控制裝置主要由電參監(jiān)測(cè)單元、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、曲柄位置傳感器、智能控制器和驅(qū)動(dòng)器組成。

電動(dòng)機(jī)傳感器、曲柄傳感器和電參監(jiān)測(cè)單元將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲柄位置和電參數(shù)傳給智能控制器，智能控制器控制整周運(yùn)行與擺動(dòng)運(yùn)行，智能控制器下達(dá)指令；驅(qū)動(dòng)器根據(jù)設(shè)定的時(shí)間對(duì)電動(dòng)機(jī)柔性啟動(dòng)進(jìn)行連續(xù)整周運(yùn)行，在擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)按照控制指令進(jìn)行驅(qū)動(dòng)速度實(shí)時(shí)調(diào)整。

整周運(yùn)行與擺動(dòng)運(yùn)行之間的切換是依靠抽油機(jī)在負(fù)載最低點(diǎn)附近處利用曲柄勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，以柔性加載斷續(xù)供電的方式，順勢(shì)而為地實(shí)現(xiàn)曲柄低能耗擺動(dòng)，保證驅(qū)動(dòng)速度的同時(shí)控制最大驅(qū)動(dòng)功率，實(shí)現(xiàn)功率平穩(wěn)運(yùn)行。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器安裝在電動(dòng)機(jī)尾軸上，能夠同步實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度監(jiān)測(cè)。曲柄位置傳感器安裝在對(duì)應(yīng)光桿下死點(diǎn)的曲柄位置處，檢測(cè)每個(gè)沖程內(nèi)的下死點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲柄位置。電參監(jiān)測(cè)單元、智能控制器和驅(qū)動(dòng)器安裝在智能控制柜內(nèi)。

1.3 工作制度確定

不停機(jī)間歇采油工作制度的確定主要依據(jù)IRP生產(chǎn)曲線，以油井產(chǎn)能最大為目標(biāo)，確定其合理的產(chǎn)量，通過(guò)產(chǎn)量確定井底動(dòng)液面深度；根據(jù)合理動(dòng)液面波動(dòng)幅度，確定最佳的連續(xù)抽汲時(shí)間和擺動(dòng)時(shí)間；通過(guò)持續(xù)觀察動(dòng)液面變化，最終確定最優(yōu)的不停機(jī)間歇采油工作制度。具體流程見圖2。

圖2 抽油機(jī)不停機(jī)間歇采油工作制度流程

不停機(jī)間歇采油的工作制度是將長(zhǎng)周期集中式間歇采油轉(zhuǎn)變成多次短周期分散式間歇采油，將每個(gè)間抽周段內(nèi)的動(dòng)液面波動(dòng)幅度控制在一定范圍內(nèi)，避免了因停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致動(dòng)液面波動(dòng)幅度過(guò)大對(duì)產(chǎn)能造成影響。由于單井地質(zhì)情況和供液能力的存在差異，不停機(jī)間歇采油能夠個(gè)性化制定單井工作制度，實(shí)現(xiàn)油井供排協(xié)調(diào)，達(dá)到高效舉升的目的。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

表1 不停機(jī)間歇采油與連續(xù)采油對(duì)比

表2 不停機(jī)間抽與常規(guī)間抽對(duì)比

為了檢驗(yàn)抽油機(jī)不停機(jī)間歇采油技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況，現(xiàn)場(chǎng)開展了10口井的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)。表1和表2分別為不停機(jī)間歇采油與連續(xù)采油和常規(guī)間抽對(duì)比。

由表1和表2可知，應(yīng)用抽油機(jī)不停機(jī)間歇采油技術(shù)后，在保持動(dòng)液面合理穩(wěn)定的前提下，相比連續(xù)運(yùn)行的井，日節(jié)電52.8 kWh，系統(tǒng)效率提高7.8個(gè)百分點(diǎn)，百米噸液?jiǎn)魏慕档?9.4%。相比常規(guī)間抽井，日節(jié)電22.14 kWh，系統(tǒng)效率提高4.4個(gè)百分點(diǎn)，百米噸液?jiǎn)魏慕档?8.7%?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，不停機(jī)間歇采油大幅提高了抽油機(jī)系統(tǒng)效率，節(jié)能效果顯著。

3 結(jié)論

1）抽油機(jī)不停機(jī)間歇采油技術(shù)通過(guò)連續(xù)整周運(yùn)行與低能耗擺動(dòng)運(yùn)行相結(jié)合方式，將長(zhǎng)周期的集中式間歇采油轉(zhuǎn)變成多次短周期分散式間歇采油，將每個(gè)短周期的動(dòng)液面波動(dòng)幅度控制在合理范圍內(nèi)，保證了泵的充滿度，確保油井產(chǎn)能得到充分發(fā)揮。

2）根據(jù)單井地質(zhì)情況和供液能力的差異，個(gè)性化制定單井工作制度，實(shí)現(xiàn)油井供排協(xié)調(diào)，達(dá)到高效舉升的目的。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，不停機(jī)間歇采油與常規(guī)間抽相比，節(jié)電率大幅提高，系統(tǒng)效率增大，節(jié)能效果顯著。同時(shí)解決了常規(guī)間抽制度執(zhí)行難度大、冬季易凍井口、停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、易卡井等問(wèn)題，而且可以減少單井用工人數(shù)，大幅降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。該技術(shù)能夠充分發(fā)揮間歇采油的優(yōu)勢(shì)，對(duì)低產(chǎn)井高效開發(fā)具有重要意義。

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大慶煉化球罐

2017-06-20

（編輯 李發(fā)榮）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.002

鞏宏亮，工程師，2006年畢業(yè)于黑龍江科技大學(xué)（自動(dòng)化專業(yè)），從事油氣田舉升研究，E-mail：gonghongliang@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)采油工程研究院舉升工藝室，163000。