何宏偉
摘要:如何提高系統(tǒng)效率保證節(jié)能以及經(jīng)濟(jì)效益,已經(jīng)成為了一個(gè)重要的問(wèn)題。主要從電機(jī),抽油機(jī)類(lèi)型,抽油機(jī)平衡度等地面設(shè)備方面,抽汲系數(shù) (沖程、沖次、泵徑)等井下方面及日產(chǎn)液量、原油性質(zhì)等,通過(guò)對(duì)比、綜合分析以提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率為目標(biāo)總結(jié)出影響抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的各種 因素。
1 抽油機(jī)井系統(tǒng)效率定義和相關(guān)計(jì)算
1.1 抽油機(jī)的系統(tǒng)效能的計(jì)算
根據(jù)《SY/T5264-2006 油田生產(chǎn)系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》標(biāo)準(zhǔn),抽 油機(jī)井的系統(tǒng)效率是指抽油機(jī)的有效功率與輸入功率的比值,用 系統(tǒng) 表 示。
有入抽油機(jī)的系統(tǒng)效率又可分解為地面效率及井下效率兩大部分:
抽油機(jī)井的井下效率為有效功率比上光桿功率。井下部分的能量損失 主要發(fā)生在盤(pán)根盒和抽油桿,抽油管,抽油泵中:
則抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率為:
抽油機(jī)井大體由電機(jī),皮帶及減速箱,四連桿,光桿,盤(pán)根,抽油桿,抽油泵,井下管柱等部分組成。地面效率影響主要有電機(jī)影響;井下系統(tǒng) 效率損失包括:盤(pán)根盒功率損失、抽油桿功率損失、抽油泵功率損失和抽 油管柱功率損失。盤(pán)根盒工作損耗屬于人工管理范疇,可以通過(guò)加強(qiáng)管理 提高,且能量損耗比重較小,因此井下工作效率的分析重點(diǎn)為抽油泵和抽 油桿兩部分。
1.2 抽油機(jī)井系統(tǒng)效能測(cè)試
(1)地面測(cè)試參量:電機(jī)輸入功率、電機(jī)型號(hào)、上下沖程最大電流、 示功圖、油壓、套壓、產(chǎn)液量、含水率;
(2) 井下測(cè)試參量:油井動(dòng)液面和靜液面、下泵深度、沉沒(méi)度、抽油 泵泵徑、沖程、沖次。
測(cè)試方法:
(1)電機(jī)輸入功率測(cè)試:
(2)油井日產(chǎn)液量測(cè)試
直接引用報(bào)表。弊端:表報(bào)產(chǎn)量中有些油井是分配產(chǎn)量,與油井的實(shí) 際產(chǎn)液量有一定的誤差。
(3)油井含水率測(cè)量
井口取樣,用蒸餾法或離心法測(cè)量。
(4)油井井口油壓和套壓測(cè)量
根據(jù)油井井口油管和套管上裝有的壓力表讀取
(5)動(dòng)液面深度測(cè)試
用井口回聲儀測(cè)量,多測(cè)幾次取平均值。
(6)油井示功圖測(cè)試
在抽油機(jī)懸繩器處裝示功儀,測(cè)量抽油機(jī)的示功圖,多測(cè)幾次取平均 值。
1.3 小結(jié)
(1)系統(tǒng)效率即為有效功率與輸入功率的比值,進(jìn)一步分解為地面效 率與井下效率的乘積,可進(jìn)一步分解為電機(jī),抽油機(jī),抽油桿,抽油泵等 方面,受沉沒(méi)度,日產(chǎn)液量,抽汲系數(shù)等多方面影響;
(2)根據(jù)公式和數(shù)據(jù)計(jì)算的涇河油田的機(jī)采井的系統(tǒng)效率,其系統(tǒng)效 率的平均值為 24.210%,井下效率的平均值為 41.542%,地面效率的平均值 為 59.939%,由此可見(jiàn),系統(tǒng)效率還可以進(jìn)一步提升。
第 2 章 抽油機(jī)系統(tǒng)效率影響因素
地面效率影響主要分析電機(jī)、抽油機(jī)的影響;在井下工作功耗中包括:盤(pán)根盒功率損失、抽油桿功率損失、抽油泵功率損失和抽油管柱功率損失。其中盤(pán)根盒工作損耗仍然屬于管理范疇,可以通過(guò)加強(qiáng)管理提高,并且其?能量損耗比重較小,因此井下工作效率的分析重點(diǎn)為抽油泵、抽油桿等。
2.1 電機(jī)
電機(jī)應(yīng)在滿足抽油機(jī)啟動(dòng)功率要求的前提下進(jìn)行匹配。研究電機(jī)功率 利用率,可以看出電機(jī)的使用是否合理,從而可以避免能耗的浪費(fèi)而影響 抽油機(jī)的系統(tǒng)效率。作出涇河油田電機(jī)功率利用率與系統(tǒng)效率、地面效率 的分布關(guān)系。
從電機(jī)功率利用率與地面效率的關(guān)系可得出地面效率隨著電機(jī)功率利 用率的升高而升高。對(duì)涇河油田 35 口機(jī)采井的電機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
2.2 抽油機(jī)
(1)抽油機(jī)型號(hào)
對(duì)涇河油田所采用的抽油機(jī)型號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表 2-2),由表 2-2 可以看 出各個(gè)型號(hào)的抽油機(jī)平均平均載荷利用率、地面效率都到達(dá)了 50%以上,涇河油田抽油機(jī)整體應(yīng)用情況較好,其提高系統(tǒng)效率的重點(diǎn)在于提高井下效率。
(2)抽油機(jī)平衡度
抽油機(jī)平衡度一般由 B 表示:
影響抽油機(jī)平衡度的因素是多方面的,如油管磨損和受腐燭后產(chǎn)生輕 微漏失,抽油泉磨損或密封性變差,抽油參數(shù)的調(diào)整不當(dāng)或抽油位置改變 等都會(huì)導(dǎo)致抽油機(jī)不平衡,從而影響抽油系統(tǒng)效率。
目前現(xiàn)場(chǎng)判斷抽油機(jī)平衡的方法主要有兩種:電流法和功率法,現(xiàn)場(chǎng) 一般認(rèn)為平衡度在 80%~110%之間就是平衡的。圖 2 是系統(tǒng)效率和功率平 衡指數(shù)的關(guān)系圖,由圖可知按平衡度 80%~110%的要求,涇河油田平衡度 達(dá)標(biāo)的井?dāng)?shù)不多,需要對(duì)抽油機(jī)不平衡的井進(jìn)行調(diào)平衡以提系統(tǒng)效率。
對(duì)此,可以采用不同的平衡方式,目前采用的主要是有氣動(dòng)平衡和機(jī) 械平衡。
2.3 日產(chǎn)液量
當(dāng)油井的日產(chǎn)液量過(guò)低時(shí),油井會(huì)出現(xiàn)供液不足、動(dòng)液面下降、沉沒(méi) 度減少等現(xiàn)象,可以采用優(yōu)化抽汲參數(shù)或?qū)嵭虚g開(kāi)的措施加以改善。日產(chǎn) 液量的大小直接影響系統(tǒng)的有效功率,從而影響到抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率。日產(chǎn)液量的增大,會(huì)增大有效功率,進(jìn)而系統(tǒng)效率會(huì)增大,但同時(shí)產(chǎn)液量 增大后,將液體從井筒舉升至地面的能耗將會(huì)有所增大。
如圖 3 可看出隨著日產(chǎn)液量的增大,地面效率顯著提升,井下效率先 升后降。而系統(tǒng)效率在兩者的共同影響下逐漸增大。
2.4 沉沒(méi)度
根據(jù)涇河油田數(shù)據(jù),沉沒(méi)度和系統(tǒng)效率的關(guān)系大體遵從著正交分布的 特點(diǎn)。
2.5 抽汲參數(shù)
抽汲系數(shù)的選擇有以下幾個(gè)原則:
(1)要與所用抽油機(jī)參數(shù)和功率相匹配;
(2)要考慮整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)效率是否合理,本段希望提升系統(tǒng)效率;
(3)要考慮油井類(lèi)型和地質(zhì)狀況;
抽汲參數(shù)會(huì)同時(shí)影響地面效率和井下效率,合適的抽汲參數(shù)的選擇非常重要。理論上對(duì)于像稠油井,一般選用大泵徑、大沖程和低沖次的工作 方式。
2.6 原油性質(zhì)
涇河油田產(chǎn)出原油密度 0.872 ~ 0.924g/cm3 ,平均為 0.90g/cm3 ;凝固 點(diǎn) 6.9 ~28.2 ℃,平均 22 ℃;含蠟量 11.79% ~46.85%,平均 30.34%;30℃時(shí)原油基本全為稠油,部分井粘度達(dá)到了特稠油的范疇。
2.7 小結(jié)
根據(jù)分析得知,需要選擇正確的電機(jī),抽油機(jī),抽油泵,選取合理的 沉沒(méi)度,選擇合適的抽汲系數(shù),才能從地上和地下兩方面提高系統(tǒng)效率。
第 3 章 提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率優(yōu)化方案(以涇河油田為例)
3.1 抽油機(jī)調(diào)平衡
抽油機(jī)平衡度標(biāo)準(zhǔn)在 80%~110%,圖 4 是涇河采油廠抽油機(jī)測(cè)平衡的 具體情況。對(duì)這些平衡度不達(dá)標(biāo)的井應(yīng)重新調(diào)節(jié)其平衡,并加強(qiáng)抽油機(jī)的 日常維護(hù)保養(yǎng),有助于提高抽油機(jī)井的地面效率。
當(dāng)平衡時(shí),下沖程所需要對(duì)重物做的功 Au和上沖程中需要重物釋放的 能量 Ad關(guān)系應(yīng)該為:
由公式 3-1 可知道抽油機(jī)平衡條件是在一個(gè)抽汲循環(huán)中,重物在下沖 程中儲(chǔ)存的能量或者上沖程中幫助電動(dòng)機(jī)所作的功,應(yīng)等于上沖程和下沖 程懸點(diǎn)作功之和的一半。
上沖程中懸點(diǎn)所做的功:
下沖程中懸點(diǎn)所做的功:
由于慣性載荷在上下沖程中所作的總功為零,所以沒(méi)有考慮慣性力。
將 Au和 A?d代入 3-1 中:
這就是平衡重所需要做的功。
3.2 優(yōu)化抽汲參數(shù)
抽汲參數(shù)的確定,有助于提升系統(tǒng)效率,在生產(chǎn)實(shí)踐中一般遵循長(zhǎng)沖 程、低沖次的生產(chǎn)原則,并選用合理泵徑。
3.2.1 井底流壓和下泵深度的確定
若想優(yōu)化抽汲系數(shù),首先要確定油井產(chǎn)量或已知產(chǎn)量下的井底流壓,這點(diǎn)應(yīng)該根據(jù)試井資料,結(jié)合 IPR 曲線來(lái)確定;其次結(jié)合地層壓力和多相 管流計(jì)算方法求出動(dòng)液面深度,即可得到下泵深度LP 值。
而綜合 IPR 曲線分兩種情況,一種是在一定總產(chǎn)量下確定井底流壓,另一種是已知井底流壓計(jì)算總產(chǎn)量。
1、確定沉沒(méi)壓力和沉沒(méi)度
沉沒(méi)壓力是指泵受到的環(huán)空液柱所產(chǎn)生的壓力。沉沒(méi)度是指動(dòng)液面與 泵處之間的深度。為了使泵效提高,必須保證沉沒(méi)度。但是隨著沉沒(méi)度的增大,促使下泵深度增加。而下泵深度的提高,也會(huì)導(dǎo)致沖程損失的增加。
(1)泵充滿系數(shù)與沉沒(méi)壓力關(guān)系
泵壓在飽和壓力以下時(shí),泵內(nèi)有自由氣體存在。在忽略余隙的情況下,泵的充滿程度可以用下式表示:
式中 β—泵充滿系數(shù);
Vo Vw Vg?泵內(nèi)油,水,自由氣體積;
又由于:
f w ——含水率
結(jié)合 3-5 和 3-6 得出沉沒(méi)壓力和泵充滿系數(shù)的關(guān)系
由上式可知,增大沉沒(méi)壓力可提高泵充滿系數(shù)。
2、確定下泵深度
在忽略流動(dòng)摩阻情況下,根據(jù)油管套管環(huán)空流體的分布狀態(tài),可按下 式確定下泵深度。
Lp—泵掛深度,m
Hm—油層中部深度,m
Pc—套壓,MPa
ρl—混合液密度,kg/m3
如果求得的 Lp 超過(guò)了井底或其他限制因素,則說(shuō)明充滿程度過(guò)高,不 適合本井,應(yīng)降低充滿程度。
3.2.2 沖程、沖次和泵徑的確定
在已知油田區(qū)塊泵效p 的條件下,實(shí)際產(chǎn)量與泵徑DP?、沖程 S、沖 次 N 有如下關(guān)系:
其中:K—泵常數(shù);S—沖程(米);N—沖次(次/分);p —泵效。
由 3-9 可知道,在產(chǎn)量和泵效確定的條件下,沖程、沖次的乘積與泵 常數(shù)的乘積是固定的。這樣的話,在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮多種泵。先確定泵的 型號(hào),這樣泵的沖程、沖次的乘積為定值。據(jù)此,根據(jù)油藏情況再進(jìn)行進(jìn) 一步的篩選。
3.3 提高泵的充滿系數(shù)
由前面分析可得,泵效與系統(tǒng)效率的關(guān)系明顯,系統(tǒng)效率隨著泵效的增 大而增大。故可以通過(guò)提高泵的充滿程度來(lái)提高泵效,從而提高系統(tǒng)效率。
通常采用充滿系數(shù)β來(lái)表示氣體的影響程度:
式中?Vp --上沖程活塞讓出的容積;
Vl,--每沖程吸入泵內(nèi)的液體體積。
用 R 表示氣液比,即 R=Vg/Vl
用 K=VS/Vp表示余隙比,則:
據(jù)此,可以減小 K 和 R 的值以增大充滿系數(shù),提高泵效。
與此同時(shí),根據(jù)涇河油田情況,井內(nèi)結(jié)蠟較為嚴(yán)重,這也會(huì)導(dǎo)致泵的 充滿程度低的情況。對(duì)于稠油,可采取降粘措施。
在前面也提到了了日產(chǎn)液量對(duì)系統(tǒng)效率的影響,日產(chǎn)液量越高系統(tǒng)效 率越高,但對(duì)于油層供應(yīng)能力差,供液不足的井,可采取增加泵深,調(diào)小 工作參數(shù)以匹配油層供液能力。而當(dāng)所用抽油機(jī)已調(diào)到最小沖程、最小沖 次,仍然供應(yīng)不求的井可采取間歇抽油,保證產(chǎn)量不受影響。
3.4 小結(jié)
(1) 根據(jù)前面的章節(jié)對(duì)系統(tǒng)效率的分析及評(píng)價(jià),針對(duì)不同的情況,提 出了相應(yīng)改善抽油機(jī)井系統(tǒng)效率的優(yōu)化技術(shù)。
(2)涇河油田地面效率整體水平較高,因此提高系統(tǒng)效率的重點(diǎn)在于 提高井下效率。大體通過(guò)提高泵的充滿系數(shù)、和抽汲參數(shù)兩方面。
第 4 章 結(jié)論與建議
(1) 涇河油田的地面效率的平均值為 59.939%,井下效率的平均值為 41.542%,系統(tǒng)效率也可以表示為地面效率與井下效率的乘積。涇河油田整 體地面效率較高,導(dǎo)致涇河油田系統(tǒng)效率低的主要原因是井下效率低下,因此提高涇河油田系統(tǒng)效率的主要途徑是提高井下效率。
(2) 系統(tǒng)效率測(cè)試結(jié)果分析表明,沉沒(méi)度合理、泵效高、日產(chǎn)液量高 的井系統(tǒng)效率則高;抽油機(jī)型號(hào)選擇合適、電機(jī)功率利用率高及抽油機(jī)平 衡良好的井系統(tǒng)效率高。
(3)地面效率低的主要原因主要有抽油機(jī)不平衡,電機(jī)或抽油機(jī)型號(hào) 選擇過(guò)大;井下效率低主要原因有兩個(gè)方面:井下摩阻大;泵的充滿程度 低。
(4)提高地面效率主要通過(guò)調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡,加強(qiáng)日常維護(hù)。
(5)井下效率的提高是涇河油田提高系統(tǒng)效率的重點(diǎn),井下效率主要 通過(guò)抽汲參數(shù)的優(yōu)化、提高泵的充滿系數(shù)等來(lái)改善。
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