周萬富

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三元復(fù)合驅(qū)有桿泵舉升參數(shù)優(yōu)化研究

周萬富

（大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163002）

三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)可以改善高含水油田的驅(qū)替效果，提高油層的采出程度。在三元復(fù)合驅(qū)的不同驅(qū)替階段，采出液流變性能不同，會(huì)影響有桿泵的泵效。基于改進(jìn)的有桿泵系統(tǒng)效率計(jì)算模型，通過迭代算法優(yōu)化了不同驅(qū)替階段的下泵深度、沖程、沖次和泵徑，研究了扶正器個(gè)數(shù)、沖程、沖次和驅(qū)替階段對系統(tǒng)效率的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，沖程、沖次對系統(tǒng)效率影響較大，系統(tǒng)效率隨沖程和沖次的增加先增加后平緩，主段塞驅(qū)替階段的系統(tǒng)效率最低。扶正器會(huì)降低系統(tǒng)效率但是不明顯。

三元復(fù)合驅(qū)；有桿泵；系統(tǒng)效率；舉升參數(shù)

三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)可以提高地層驅(qū)油效率和波及系數(shù)，緩解地層非均質(zhì)性對驅(qū)替效果的影響，對提高油田中后期采收率，維持油田產(chǎn)量有重要作用[1?2]。三元復(fù)合驅(qū)采出液黏度較大，在生產(chǎn)過程中會(huì)加劇抽油桿偏磨[3?4]，因此需要在抽油桿上加裝扶正器，而扶正器在上下沖程中會(huì)增加抽油桿與油管和液柱的摩擦力，從而對抽油機(jī)懸點(diǎn)產(chǎn)生附加載荷，影響抽油機(jī)的系統(tǒng)效率[5?6]。三元復(fù)合驅(qū)在大慶油田應(yīng)用時(shí)分為前置聚合物驅(qū)替、主段塞驅(qū)替、副段塞驅(qū)替和后續(xù)聚合物驅(qū)替階段，每段的驅(qū)替液成分不同，流變性也不同，在井筒中的采出液也會(huì)體現(xiàn)不同的流變性，影響采出液在井筒中的流動(dòng)，由于油田越來越注重精細(xì)化管理，因此需要針對不同的驅(qū)替階段優(yōu)化舉升參數(shù)，提高系統(tǒng)效率。當(dāng)油井穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)，地層流入井筒的流量和有桿泵的實(shí)際流量平衡，不同的井底流壓和產(chǎn)量對應(yīng)有桿泵不同的舉升參數(shù)。本文基于有桿泵系統(tǒng)效率計(jì)算模型，通過迭代算法優(yōu)化了不同驅(qū)替階段的下泵深度、沖程、沖次和泵徑，研究了扶正器個(gè)數(shù)、沖程、沖次和驅(qū)替階段對系統(tǒng)效率的影響規(guī)律，對現(xiàn)場進(jìn)行合理生產(chǎn)具有參考意義。

1 泵效計(jì)算模型

泵效計(jì)算模型采用常規(guī)計(jì)算模型，考慮泵內(nèi)氣體、流體體積變化、泵內(nèi)漏失和沖程損失對泵效的影響。

三元復(fù)合驅(qū)油井采出液在井筒中流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)為油氣水三相的乳狀液，乳狀液的密度為：

式中，p為生產(chǎn)氣油比，m3/m3；s為溶解氣油比，m3/m3；sc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓力，Pa；sc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下溫度，取293 K；p為泵入口的流動(dòng)溫度，K；p為泵入口的壓力，Pa；w為含水率，%。

三元復(fù)合驅(qū)采出液為黏彈性流體，采出液通過閥孔時(shí)的壓降不僅有黏性壓降，還存在彈性壓降，產(chǎn)生的總壓力降?in為[9]：

式中，?in為保證泵充滿程度的沉沒壓力，Pa。流體流過泵吸入閥時(shí)，泵內(nèi)氣體的壓力為：

i=s-?in(3)

式中，s為沉沒壓力，Pa，通過沉沒度計(jì)算。

泵內(nèi)氣體、流體體積變化、泵內(nèi)漏失和沖程損失對泵效的影響采用常規(guī)計(jì)算公式[10]。

泵效計(jì)算公式為：

2 系統(tǒng)效率計(jì)算模型

通常泵效最高時(shí)，系統(tǒng)效率不一定最高，系統(tǒng)效率最高可以最大程度的發(fā)揮抽油系統(tǒng)的效率，降低成本。系統(tǒng)效率計(jì)算模型為[11]:

有效揚(yáng)程計(jì)算公式為：

式中，液為油井動(dòng)液面深度，m；油為油井井口油壓，MPa；套為油井井口套壓，MPa。

電入與抽油機(jī)的載荷有關(guān)。電機(jī)實(shí)際輸入的最大功率為：

式中，電入為電機(jī)實(shí)際輸入的最大功率，kW；max為曲柄軸最大扭矩，N·m；p為沖次，min-1；傳為傳動(dòng)效率，取0.9；電為電機(jī)效率，取0.9。

曲柄軸處的最大扭矩max為：

式中，為光桿沖程，m；max為懸點(diǎn)最大載荷，N；min為懸點(diǎn)最小載荷，N。

文中忽略振動(dòng)、井口回壓產(chǎn)生的懸點(diǎn)載荷，只存在一種直徑的抽油桿，此時(shí)，懸點(diǎn)最大和最小載荷可表示為：

在三元復(fù)合驅(qū)采出井中，為了防止抽油桿偏磨，需要加裝扶正器，因此在考慮摩擦載荷時(shí)需要考慮扶正器與油管和采出液的摩擦力。在本文中認(rèn)為扶正器在抽油桿上均勻分布。

式中，cl為扶正器與液柱之間的摩擦力。扶正器與液柱之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，主要發(fā)生在下沖程，其摩擦力的方向向上，當(dāng)存在扶正器的時(shí)候，由于扶正器過流斷面小，流體流過扶正器時(shí)會(huì)產(chǎn)生額外壓降?h，則扶正器對與液柱之間的摩擦力為

3 系統(tǒng)效率影響因素

通過建立的系統(tǒng)效率計(jì)算模型，對扶正器個(gè)數(shù)、沖程、沖次和不同驅(qū)替階段對系統(tǒng)效率的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。

圖1為扶正器個(gè)數(shù)、沖程、沖次、驅(qū)替階段對系統(tǒng)效率的影響。由圖1可知，扶正器數(shù)量越多，系統(tǒng)效率越低。沖程和沖次對系統(tǒng)效率影響較大，系統(tǒng)效率隨沖程和沖次的增大而增大，當(dāng)沖程大于5 m，沖次大于6 次/min后，系統(tǒng)效率增加平緩。當(dāng)舉升參數(shù)相同時(shí)，主段塞驅(qū)替階段系統(tǒng)效率最低，是因?yàn)橹鞫稳?qū)替階段采出液黏度最高，對泵效影響最大。主段塞對提高驅(qū)替效果有重要作用，因此需要通過優(yōu)化舉升參數(shù)來提高主段塞的系統(tǒng)效率。

4 不同驅(qū)替階段舉升參數(shù)確定

由于三元復(fù)合驅(qū)采出液黏度較大，導(dǎo)致井筒內(nèi)工況比較復(fù)雜，下泵深度過低導(dǎo)致油井產(chǎn)量低，過高導(dǎo)致抽油桿彎曲偏磨嚴(yán)重，因此需要確定合理的下泵深度，對改善油井工作狀態(tài)，提高油井產(chǎn)能和系統(tǒng)效率有重要的作用。下泵深度確定的關(guān)鍵是沉沒度，沉沒度的大小會(huì)影響泵效，從而影響產(chǎn)量和井底流壓，而井底流壓影響動(dòng)液面的高度，從而影響沉沒度和泵效。因此，確定合理的下泵深度需要通過迭代過程求解，得到下泵深度后，需要計(jì)算當(dāng)前舉升參數(shù)下的系統(tǒng)效率，通過對比不同舉升參數(shù)下的系統(tǒng)效率，來確定最優(yōu)的沖程和沖次。舉升參數(shù)優(yōu)化的思路如圖2所示。

針對大慶某采油廠的數(shù)據(jù)，對合理下泵深度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最大下泵深度950 m。沉沒度過大時(shí)，會(huì)造成產(chǎn)量過高，井底流壓過低，動(dòng)液面距井口深度太大，導(dǎo)致下泵深度超過造斜點(diǎn)；沉沒度過小時(shí)，會(huì)造成產(chǎn)量過低，井底流壓過高，動(dòng)液面到達(dá)井口。沉沒度的取值范圍必須保證：

(17)

表1　不同驅(qū)替階段采出液性質(zhì)變化

表2　不同驅(qū)替階段下泵深度和舉升參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)論

（1）三元復(fù)合驅(qū)采出液具有黏彈效應(yīng)，在泵吸入口會(huì)產(chǎn)生較大壓降，影響泵充滿程度，從而降低泵效。

（2）存在扶正器時(shí)，扶正器在上下沖程中會(huì)與油管和采出液產(chǎn)生摩擦，影響懸點(diǎn)載荷，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

（3）扶正器數(shù)量越大，系統(tǒng)效率越低。沖程和沖次對系統(tǒng)效率影響較大，系統(tǒng)效率隨沖程和沖次的增大而增大，當(dāng)沖程大于5 m，沖次大于6次/min后，系統(tǒng)效率增加平緩。相同舉升參數(shù)時(shí)，主段塞驅(qū)階段系統(tǒng)效率最低。

（4）通過迭代算法，優(yōu)化得到了兩種泵徑下不同驅(qū)替階段的合理沖程、沖次、下泵深度，提高了不同驅(qū)替階段尤其是主段塞的系統(tǒng)效率，進(jìn)一步增加了主段塞驅(qū)替階段的效益。

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（編輯 王戩麗）

Optimization of Lifting Parameters of Sucker Rod Pump in Alkali?Surfactant?Polymer Flooding Stages

Zhou Wanfu

（）

Alkali?Surfactant?Polymer (ASP) flooding can improve the flooding efficiency for oilfields which are in high water?cut period. In different ASP flooding stages, the rheological property of production fluid changes, which could affect the pump efficiency. Based on the improved sucker rod pumping system efficiency model, the pump depth, stroke length, stroke speed and pump diameter have been optimized through iterative algorithm. The effect of centralizer numbers, stroke length, stroke speed and flooding stages on sucker rod pumping system efficiency has been studied. The results indicate that the influence of stroke length and stroke speed is significant. The sucker rod pumping system efficiency first increased obviously and then trends to be gentle with the stroke length and speed increasing. The pumping system efficiency in main slug of ASP flooding is lowest. The centralizers can decrease the sucker rod pumping system efficiency slightly.

ASP flooding； Sucker rod pump； Pumping system efficiency； Lifting parameters

TE327

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2018.06.005

2018?03?23

2018?04?25

國家科技重大專項(xiàng)（2016ZX05054）。

周萬富（1963?），男，博士，教授級高工，從事油田化學(xué)方向的研究；E?mail：zhouwf@petrochina.com.cn。

1006396X（ 2018）06002805

http://journal.lnpu.edu.cn