付麗（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

降低低滲透油田抽汲能耗的措施與效果分析

付麗（大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠）

隨著低滲透油田不斷開發(fā)，機采井產(chǎn)能降低，能耗也隨之不斷增加。大慶某低滲透采油廠區(qū)塊為降能耗節(jié)成本，進行了抽油機機型優(yōu)選試驗研究，現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明六型機能夠滿足試驗要求，可進一步降低系統(tǒng)能耗。無桿柱電潛柱塞泵舉升工藝試驗與優(yōu)化設(shè)計具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

低滲透 措施 應(yīng)用

大慶某采油廠屬外圍低滲透油田，主要開發(fā)目的層油層深，原油物性差，平均泵掛深度 1500m，平均單井日產(chǎn)液 5t，全廠抽油機系統(tǒng)效率只有10.8%。影響系統(tǒng)效率的主要因素有兩個方面：一是油井深、產(chǎn)液低；二是部分井抽汲設(shè)備偏大，抽油機井裝機功率偏高。因此，對抽油機機型進行降機型優(yōu)化分析，同時在抽汲方式上開展了低滲透油田電潛柱塞泵技術(shù)研究應(yīng)用。

1 抽油機機型優(yōu)選試驗研究

該采油廠抽油機以八、十型機為主，截至2006 年 12 月， 八 型機 占 油井總 數(shù) 的 66.34%， 十型機 占 31.98% （表1）。 抽 油 機 井 平 均 載 荷 利 用 率60.6% ， 扭 矩 利 用 率 44.6% 。 載 荷 利 用 率 低 于 60%的井占統(tǒng)計井?dāng)?shù)的 53.3%，扭矩利用率低于 60%的井占 86.8%，抽油機負載率偏低。選擇合理機型，提高抽油機載荷、扭矩利用率，是提高抽油機井系統(tǒng)效率的源頭和有效途徑。

表1 抽油機機型技術(shù)指標統(tǒng)計

從該采油廠已投產(chǎn)井分析，95%未措施油井產(chǎn)液量呈遞減趨勢，投產(chǎn)初期穩(wěn)定產(chǎn)液量為整個生產(chǎn)期最高產(chǎn)量；壓裂措施井與投產(chǎn)初期對比，產(chǎn)液量低 及持平 的 井占 60.3% 。通過 對油井 產(chǎn) 液規(guī)律 分析，針對抽油機負載率偏低的問題，開展了油井抽油機機型優(yōu)化試驗研究。

1.1建立抽油機機型懸點載荷與曲柄扭矩理論模型

抽油機懸點載荷、扭矩計算是抽油機選型的基礎(chǔ)，在理論上，抽油機四連桿參數(shù)、平衡重大小決定了懸點運動特性及輸出軸凈扭矩，每種機型或相同機型不同廠家也不相同，造成相同的井下載荷，懸點載荷、凈扭矩不同。

目前主要采用經(jīng)驗公式 （1）、公式 （2）進行抽油機懸點載荷和輸出軸最大凈扭矩計算。計算模型中沒有考慮原油物性、機型、扶正器以及井斜影響；輸出軸最大凈扭矩是在理想平衡率下計算得出的，由于沒有直接檢測結(jié)果，無法確認其誤差。

式中：

Pmax——懸點最大載荷，kN；

Pmin——最小 載 荷 ， kN；

Wr——抽油桿柱載荷，kN；

WL——作用在活塞整個截面積上的液柱載荷，kN；

MNmax——最大扭矩，kN·m；

s——沖程，m；

n ——沖速，min-1。

因此，為提高抽油機懸點載荷計算精度，提高載荷利用率和扭矩利用率，結(jié)合不同機型、原油物性和實際生產(chǎn)條件，考慮了具體機型的機構(gòu)特性與平衡特性，應(yīng)用波動方程，建立了抽油機機型懸點載荷與曲柄扭矩理論模型。

為對比經(jīng)驗公式與理論模型兩種方法適應(yīng)性，分別采用兩種方法對 64口抽油機井進行計算。與現(xiàn) 場 實 測 結(jié) 果 對 比 ， Pmax和 Pmin經(jīng) 驗 公 式 計 算 值 誤差相對較大，理論模型計算值誤差相對較小（表2）?？梢姡橛蜋C懸點載荷理論模型計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果符合率較高，可以作為抽油機機型優(yōu)選的理論依據(jù)。

表2 經(jīng)驗公式與理論模型計算誤差情況統(tǒng)計

1.2不同抽油機型理論模型應(yīng)用評價

為對不同類型抽油機進行優(yōu)選，在同一井況下，按日產(chǎn)液 4.0t，泵掛深度 1500m，沉沒度 200m，泵 徑 ? 32mm， 沖 程 3m，沖速 4min-1， 分 別 對 八型常規(guī)抽油機、雙驢頭抽油機、異相型抽油機和下偏杠鈴抽油機進行評價，輸出軸凈扭矩曲線見圖1。

從輸出軸凈扭矩及耗電情況看，機型優(yōu)選順序為：雙驢頭抽油機、下偏杠鈴抽油機、異相型抽油機、常規(guī)抽油機。

1.3優(yōu)選六型機現(xiàn)場試驗

從近5年投產(chǎn)井情況看，初期產(chǎn)液量小于 5t井占 76%。油層中深低于 1600m 井占 91.1%。從新投產(chǎn)井初期產(chǎn)液量分級、油層中深及抽油機機型優(yōu)化結(jié)果看，六型機和八型機基本可以滿足油井需要，有 70%左右井適用于六型抽油機，八型機降為六型機是可行的。

首先確定了桿泵匹配原則：選擇 ? 38mm以下抽油泵，泵掛深度低于 1550m，抽油桿采用 H 級? 22mm+ ? 19mm桿柱組合。

應(yīng)用抽油機機型優(yōu)選技術(shù)對新產(chǎn)能區(qū)塊抽油機進行優(yōu)選，優(yōu)選了 66口井，開展了六型機前期試驗。目前六型機主要有三種機型，技術(shù)參數(shù)見表3。由于雙驢頭抽油機過載能力差，考慮到產(chǎn)液量低及抽油機運行可靠性等因素，2007年隨產(chǎn)能建設(shè)開 展 了 PCYJ6-2.5-26HF 和 CYJY6-2.5-26HB 兩 種六型機現(xiàn)場試驗。

圖1 4種型號抽油機曲柄扭矩曲線

表3 六型抽油機技術(shù)參數(shù)

從現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)看 （表4）， 日產(chǎn) 液在 0.6～9.0 t之 間 ， Pmax利 用 率 在 66.8～99.4% 之 間 ， 扭 矩 利 用率 在 29.0～79.6% 之 間。與八型抽 油 機 相 比 ， 平 均單 井 日 節(jié) 電 52.1kWh， 節(jié) 電 率 達 33.4% ， 年 節(jié) 電1.72× 104kWh， 單 井 可 節(jié) 省 投 資 3.62 萬 元 。 從 試 驗初期看，六型機能夠滿足生產(chǎn)需要。

表4 六型抽油機與八型抽油機實耗功率對比

2008年產(chǎn)能井中繼續(xù)加強抽油機機型優(yōu)化，擴大六型機應(yīng)用規(guī)模，在基建井采油工程設(shè)計中優(yōu)選六型抽油機 68口井，進一步降低機采系統(tǒng)能耗。

2 電潛柱塞泵舉升工藝試驗與設(shè)計

老區(qū)單井日產(chǎn)液量 22.8～ 71.1t，機采噸液耗電4.4～6.5kWh ，舉 液 消 耗 占 舉 升 能 耗 50% ～80%，舉 升 效 率 高 ； 外 圍 采 油 廠 單 井 日 產(chǎn) 液 量 2.3～ 3.9t，噸液耗電普遍較高，而該采油廠達到 45.4kWh。原因是：井深達 1500m，百米噸液能耗 0.27kWh，噸液舉升耗電 4.1kWh，桿柱長距離傳遞舉升力，變形大，損耗大；單井產(chǎn)液量低：每次舉升過程排出液 量 0.65kg （以 ? 32mm 泵 ， 沖 程 3m， 沖速 4 min-1計算），舉 液能 耗僅占 10%； 管柱 內(nèi)液體 運行時間長，液體溫度低、黏度大，能耗加大，舉升系統(tǒng)無功消耗占 90%。針對這一問題，改變舉升方式，技術(shù)思路是：無桿舉升提高有效負載，減少無功損耗；供采平衡，降低空載率，提高運行效率。工藝設(shè)想保留整筒泵成熟技術(shù)（揚程大、結(jié)構(gòu)簡單、適用低液量），配套井下動力源，直接作用于柱塞，降低舉升設(shè)備無功損耗，開展電潛柱塞泵高效舉升工藝技術(shù)試驗。

2.1工藝結(jié)構(gòu)及原理

電潛柱塞抽油泵舉升技術(shù)總體設(shè)計思路是：依據(jù)電磁學(xué)理論，將由旋轉(zhuǎn)電動機傳遞能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€電動機傳遞能量。系統(tǒng)由直線電動機、往復(fù)抽油泵、供電系統(tǒng)組成。系統(tǒng)中直線電動機定子不動，動子抽油泵柱塞相連帶動柱塞在泵筒內(nèi)往復(fù)運動，實現(xiàn)抽油舉升 （圖2）。

圖2 工藝結(jié)構(gòu)

2.2直線電動機設(shè)計

依據(jù)電磁學(xué)理論，通電線圈周圍產(chǎn)生磁場，磁場的方向用右手定則判斷，按圖3a所示電流方向，磁場方向上部為N極、下部為S極；當(dāng)電流方向改變時，如圖3b磁場方向隨之改變。當(dāng)線圈通過交流電后，在線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，磁場變化的頻率與交流電頻率同步。置于磁場內(nèi)的永磁體N極和S極不隨電流方向的改變而變化，因此，其受力方向?qū)S著磁場方向的變化而變化，受力的大小與磁場強度有關(guān)。

圖3 電磁學(xué)理論模型

根據(jù)以上理論，直線電動機定子A、B、C三相中通入交流對稱正弦電流后，產(chǎn)生氣隙磁場，氣隙磁場沿直線呈正弦分布 （圖4）。當(dāng)A相電流達到最大值時，B 相和 C 相電流為負的y2最大值，磁場波幅處于A相位置；當(dāng)B相電流達到最大值時，C相和 A 相電流為負的y2最大值，磁場波幅處于 B 相位置；當(dāng)C相電流達到最大值時，A相和B相電流為負的y2最大值，磁場波幅處于 C 相位置；隨著電流的變化，磁場的波幅按A相、B相、C相沿直線移動，動子（永磁體）與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力，在定子不動的條件下，動子（永磁體）沿行波磁場方向作直線運動。電流方向改變時，行波磁場方向隨之改變，動子（永磁體）的運行方向改變，從而實現(xiàn)動子在定子內(nèi)作往復(fù)直線運動。

異步電動機空載或輕載時，電流中勵磁電流占相當(dāng)大的比例，激磁損耗大，因此動子設(shè)計為永磁體，無需勵磁就能與定子產(chǎn)生電磁推力。降低電動機空載電流，減少電動機的銅損和鐵損。電動機設(shè)計由定子、動子組成；定子由外筒、線圈、硅鋼片、內(nèi)筒構(gòu)成；動子由感應(yīng)線圈構(gòu)成。

圖4 直線電動機原理圖

2.3配套抽油泵設(shè)計

方案一：電動機在下、泵在上。電動機動子不需要設(shè)計油流通道，需要重新設(shè)計抽油泵和連桿。其舉升管柱與常規(guī)抽油機舉升管柱不同，液體由泵和電動機中間的篩管進入泵筒，進液通道無法連接氣錨，對于氣油比高的井泵易氣鎖。上行程舉升液體，連桿承受液柱壓力、油井回壓，作用在連桿上的推力 1～2t，使連桿處于壓縮狀態(tài)，連桿長度不能太長，沖程受連桿的影響。下行程進液，桿受力較小。電動機內(nèi)沒有液流通過，設(shè)計時需考慮動子下行壓力平衡。

方案二：電動機在上、泵在下。電動機動子需要設(shè)計油流通道，選用常規(guī)的整筒抽油泵和連桿。其舉升管柱與常規(guī)抽油機舉升管柱一樣，液體由泵下進入泵筒，泵下可連接氣錨、防砂篩管、油管錨等工具。上行程舉升液體，連桿承受液柱壓力、油井回壓，作用在連桿上的拉力 1～2t，使連桿處于拉伸狀態(tài)，不易彎曲；下行程，連桿傳遞電動機動子的推力作用于柱塞，壓縮泵筒內(nèi)的液體，當(dāng)泵內(nèi)壓力超過液柱壓力與油井回壓之和時，作用在連桿上的推力達到 1～2t，桿過長易產(chǎn)生彎曲。液體先后流經(jīng)深井泵、電動機，再進入油管，要求電動機動子中心預(yù)留過流通道，且過流面積要大于泵的過流面積，才能保證在電動機處不節(jié)流。另外，電動機為強磁場，當(dāng)導(dǎo)磁性好的物質(zhì)流經(jīng)電動機動子過流通道時，易被磁化并吸附于過流通道內(nèi)，時間長會影響過流面積。

兩套方案對比，方案一優(yōu)于方案二，選用方案一，即：泵在上、電動機在下。設(shè)計新型抽泵，固定閥設(shè)計在泵頂部，游動閥與柱塞在泵筒內(nèi)，所有的閥球向上單向開啟。抽油舉升過程是：下沖程時，固定閥關(guān)閉，柱塞下行，柱塞讓出的空間形成一個低壓腔，游動閥打開，液體經(jīng)柱塞進入泵筒；上沖程時，游動閥關(guān)閉，柱塞上行推動液體頂開固定閥，將液體排出泵筒，進入油管，完成舉升過程。

2.4配電系統(tǒng)設(shè)計

永磁同步電動機機械特性曲線為一根平行橫軸直線，開環(huán)控制的性能指標達到了異步電動機閉環(huán)控制指標，因此設(shè)計為變頻調(diào)速開環(huán)控制。系統(tǒng)設(shè)計由變頻器、單片機、變壓器、整流器、開關(guān)管、檢測元件組成。單片機是系統(tǒng)的中樞，存儲設(shè)計程序，它接受指令后，按設(shè)計程序控制變頻器調(diào)節(jié)交流電頻率，來調(diào)節(jié)電動機的運動速度、舉升力；控制開關(guān)調(diào)整上行時間、下行時間、停留時間，調(diào)節(jié)電動機單位時間的往復(fù)次數(shù)。

2.5工藝改進成果

經(jīng)過工藝改進現(xiàn)場試驗攻關(guān)，優(yōu)化設(shè)計改進加工工藝，直線電動機及配套抽油泵性能得到提高，安全系數(shù)加大。電動機外徑由 ? 110mm 擴大到? 114mm，增大定子線圈截面積，定子磁場強度增加 20%，舉升力由 2.7t提高到了 3.2t，電動機效率提高了 18.5% （見表5）。

表5 同區(qū)塊兩種舉升方式節(jié)能效果對比

目前該工藝檢泵周期達到 446d，與抽油機相比 單 井 初 期 投 資 降 低 12.1% ， 運 行 成 本 下 降16.7%，噸 液 單 耗 降 低 55.5% ， 用 人 指標單 井 下 降0.18 人。

3 結(jié)論及認識

1）運用理論模型計算抽油機載荷與現(xiàn)場實測結(jié)果誤差范圍相對較小，可以指導(dǎo)今后抽油機選型，提高載荷利用率和扭矩利用率。

2）從現(xiàn)場試驗初期看，六型抽油機能夠滿足相對井淺、產(chǎn)液量低的油井需要，節(jié)能效果顯著。

3）電潛柱塞泵舉升工藝無桿柱，避免了桿系統(tǒng)因素造成的檢泵作業(yè)，目前可以初步滿足低產(chǎn)油田油井的舉升需求，具有能耗低、易操作，日常維護性工作量低等明顯優(yōu)勢。

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.010.007

2013-08-01）

付麗，工程師，1998年畢業(yè)于大慶石油學(xué)校 （采油專業(yè)）， 現(xiàn) 從 事 注 水 井 方 案 編 制 及 設(shè) 計 工 作 ， E-mail： fl@petrochina. com.cn，地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第八采油廠工程技術(shù)大隊工藝室，163514。