降低低渗透油田抽汲能耗的措施与效果分析

2013-05-05付丽大庆油田有限责任公司第八采油厂

石油石化节能 2013年10期

付丽（大庆油田有限责任公司第八采油厂）

降低低渗透油田抽汲能耗的措施与效果分析

付丽（大庆油田有限责任公司第八采油厂）

随着低渗透油田不断开发，机采井产能降低，能耗也随之不断增加。大庆某低渗透采油厂区块为降能耗节成本，进行了抽油机机型优选试验研究，现场数据表明六型机能够满足试验要求，可进一步降低系统能耗。无杆柱电潜柱塞泵举升工艺试验与优化设计具有明显的节能优势。

低渗透措施应用

大庆某采油厂属外围低渗透油田，主要开发目的层油层深，原油物性差，平均泵挂深度 1500m，平均单井日产液 5t，全厂抽油机系统效率只有10.8%。影响系统效率的主要因素有两个方面：一是油井深、产液低；二是部分井抽汲设备偏大，抽油机井装机功率偏高。因此，对抽油机机型进行降机型优化分析，同时在抽汲方式上开展了低渗透油田电潜柱塞泵技术研究应用。

1 抽油机机型优选试验研究

该采油厂抽油机以八、十型机为主，截至2006 年 12 月，八型机占油井总数的 66.34%，十型机占 31.98% （表1）。抽油机井平均载荷利用率60.6% ，扭矩利用率 44.6% 。载荷利用率低于 60%的井占统计井数的 53.3%，扭矩利用率低于 60%的井占 86.8%，抽油机负载率偏低。选择合理机型，提高抽油机载荷、扭矩利用率，是提高抽油机井系统效率的源头和有效途径。

表1 抽油机机型技术指标统计

从该采油厂已投产井分析，95%未措施油井产液量呈递减趋势，投产初期稳定产液量为整个生产期最高产量；压裂措施井与投产初期对比，产液量低及持平的井占 60.3% 。通过对油井产液规律分析，针对抽油机负载率偏低的问题，开展了油井抽油机机型优化试验研究。

1.1建立抽油机机型悬点载荷与曲柄扭矩理论模型

抽油机悬点载荷、扭矩计算是抽油机选型的基础，在理论上，抽油机四连杆参数、平衡重大小决定了悬点运动特性及输出轴净扭矩，每种机型或相同机型不同厂家也不相同，造成相同的井下载荷，悬点载荷、净扭矩不同。

目前主要采用经验公式（1）、公式（2）进行抽油机悬点载荷和输出轴最大净扭矩计算。计算模型中没有考虑原油物性、机型、扶正器以及井斜影响；输出轴最大净扭矩是在理想平衡率下计算得出的，由于没有直接检测结果，无法确认其误差。

式中：

Pmax——悬点最大载荷，kN；

Pmin——最小载荷， kN；

Wr——抽油杆柱载荷，kN；

WL——作用在活塞整个截面积上的液柱载荷，kN；

MNmax——最大扭矩，kN·m；

s——冲程，m；

n ——冲速，min-1。

因此，为提高抽油机悬点载荷计算精度，提高载荷利用率和扭矩利用率，结合不同机型、原油物性和实际生产条件，考虑了具体机型的机构特性与平衡特性，应用波动方程，建立了抽油机机型悬点载荷与曲柄扭矩理论模型。

为对比经验公式与理论模型两种方法适应性，分别采用两种方法对 64口抽油机井进行计算。与现场实测结果对比， Pmax和 Pmin经验公式计算值误差相对较大，理论模型计算值误差相对较小（表2）。可见，抽油机悬点载荷理论模型计算结果与现场实测结果符合率较高，可以作为抽油机机型优选的理论依据。

表2 经验公式与理论模型计算误差情况统计

1.2不同抽油机型理论模型应用评价

为对不同类型抽油机进行优选，在同一井况下，按日产液 4.0t，泵挂深度 1500m，沉没度 200m，泵径 ϕ 32mm，冲程 3m，冲速 4min-1，分别对八型常规抽油机、双驴头抽油机、异相型抽油机和下偏杠铃抽油机进行评价，输出轴净扭矩曲线见图1。

从输出轴净扭矩及耗电情况看，机型优选顺序为：双驴头抽油机、下偏杠铃抽油机、异相型抽油机、常规抽油机。

1.3优选六型机现场试验

从近5年投产井情况看，初期产液量小于 5t井占 76%。油层中深低于 1600m 井占 91.1%。从新投产井初期产液量分级、油层中深及抽油机机型优化结果看，六型机和八型机基本可以满足油井需要，有 70%左右井适用于六型抽油机，八型机降为六型机是可行的。

首先确定了杆泵匹配原则：选择 ϕ 38mm以下抽油泵，泵挂深度低于 1550m，抽油杆采用 H 级ϕ 22mm+ ϕ 19mm杆柱组合。

应用抽油机机型优选技术对新产能区块抽油机进行优选，优选了 66口井，开展了六型机前期试验。目前六型机主要有三种机型，技术参数见表3。由于双驴头抽油机过载能力差，考虑到产液量低及抽油机运行可靠性等因素，2007年随产能建设开展了 PCYJ6-2.5-26HF 和 CYJY6-2.5-26HB 两种六型机现场试验。

图1 4种型号抽油机曲柄扭矩曲线

表3 六型抽油机技术参数

从现场实测数据看（表4），日产液在 0.6～9.0 t之间， Pmax利用率在 66.8～99.4% 之间，扭矩利用率在 29.0～79.6% 之间。与八型抽油机相比，平均单井日节电 52.1kWh，节电率达 33.4% ，年节电1.72× 104kWh，单井可节省投资 3.62 万元。从试验初期看，六型机能够满足生产需要。

表4 六型抽油机与八型抽油机实耗功率对比

2008年产能井中继续加强抽油机机型优化，扩大六型机应用规模，在基建井采油工程设计中优选六型抽油机 68口井，进一步降低机采系统能耗。

2 电潜柱塞泵举升工艺试验与设计

老区单井日产液量 22.8～ 71.1t，机采吨液耗电4.4～6.5kWh ，举液消耗占举升能耗 50% ～80%，举升效率高；外围采油厂单井日产液量 2.3～ 3.9t，吨液耗电普遍较高，而该采油厂达到 45.4kWh。原因是：井深达 1500m，百米吨液能耗 0.27kWh，吨液举升耗电 4.1kWh，杆柱长距离传递举升力，变形大，损耗大；单井产液量低：每次举升过程排出液量 0.65kg （以 ϕ 32mm 泵，冲程 3m，冲速 4 min-1计算），举液能耗仅占 10%；管柱内液体运行时间长，液体温度低、黏度大，能耗加大，举升系统无功消耗占 90%。针对这一问题，改变举升方式，技术思路是：无杆举升提高有效负载，减少无功损耗；供采平衡，降低空载率，提高运行效率。工艺设想保留整筒泵成熟技术（扬程大、结构简单、适用低液量），配套井下动力源，直接作用于柱塞，降低举升设备无功损耗，开展电潜柱塞泵高效举升工艺技术试验。

2.1工艺结构及原理

电潜柱塞抽油泵举升技术总体设计思路是：依据电磁学理论，将由旋转电动机传递能量转变为直线电动机传递能量。系统由直线电动机、往复抽油泵、供电系统组成。系统中直线电动机定子不动，动子抽油泵柱塞相连带动柱塞在泵筒内往复运动，实现抽油举升（图2）。

图2 工艺结构

2.2直线电动机设计

依据电磁学理论，通电线圈周围产生磁场，磁场的方向用右手定则判断，按图3a所示电流方向，磁场方向上部为N极、下部为S极；当电流方向改变时，如图3b磁场方向随之改变。当线圈通过交流电后，在线圈周围产生交变磁场，磁场变化的频率与交流电频率同步。置于磁场内的永磁体N极和S极不随电流方向的改变而变化，因此，其受力方向将会随着磁场方向的变化而变化，受力的大小与磁场强度有关。

图3 电磁学理论模型

根据以上理论，直线电动机定子A、B、C三相中通入交流对称正弦电流后，产生气隙磁场，气隙磁场沿直线呈正弦分布（图4）。当A相电流达到最大值时，B 相和 C 相电流为负的y2最大值，磁场波幅处于A相位置；当B相电流达到最大值时，C相和 A 相电流为负的y2最大值，磁场波幅处于 B 相位置；当C相电流达到最大值时，A相和B相电流为负的y2最大值，磁场波幅处于 C 相位置；随着电流的变化，磁场的波幅按A相、B相、C相沿直线移动，动子（永磁体）与气隙磁场相互作用产生电磁推力，在定子不动的条件下，动子（永磁体）沿行波磁场方向作直线运动。电流方向改变时，行波磁场方向随之改变，动子（永磁体）的运行方向改变，从而实现动子在定子内作往复直线运动。

异步电动机空载或轻载时，电流中励磁电流占相当大的比例，激磁损耗大，因此动子设计为永磁体，无需励磁就能与定子产生电磁推力。降低电动机空载电流，减少电动机的铜损和铁损。电动机设计由定子、动子组成；定子由外筒、线圈、硅钢片、内筒构成；动子由感应线圈构成。

图4 直线电动机原理图

2.3配套抽油泵设计

方案一：电动机在下、泵在上。电动机动子不需要设计油流通道，需要重新设计抽油泵和连杆。其举升管柱与常规抽油机举升管柱不同，液体由泵和电动机中间的筛管进入泵筒，进液通道无法连接气锚，对于气油比高的井泵易气锁。上行程举升液体，连杆承受液柱压力、油井回压，作用在连杆上的推力 1～2t，使连杆处于压缩状态，连杆长度不能太长，冲程受连杆的影响。下行程进液，杆受力较小。电动机内没有液流通过，设计时需考虑动子下行压力平衡。

方案二：电动机在上、泵在下。电动机动子需要设计油流通道，选用常规的整筒抽油泵和连杆。其举升管柱与常规抽油机举升管柱一样，液体由泵下进入泵筒，泵下可连接气锚、防砂筛管、油管锚等工具。上行程举升液体，连杆承受液柱压力、油井回压，作用在连杆上的拉力 1～2t，使连杆处于拉伸状态，不易弯曲；下行程，连杆传递电动机动子的推力作用于柱塞，压缩泵筒内的液体，当泵内压力超过液柱压力与油井回压之和时，作用在连杆上的推力达到 1～2t，杆过长易产生弯曲。液体先后流经深井泵、电动机，再进入油管，要求电动机动子中心预留过流通道，且过流面积要大于泵的过流面积，才能保证在电动机处不节流。另外，电动机为强磁场，当导磁性好的物质流经电动机动子过流通道时，易被磁化并吸附于过流通道内，时间长会影响过流面积。

两套方案对比，方案一优于方案二，选用方案一，即：泵在上、电动机在下。设计新型抽泵，固定阀设计在泵顶部，游动阀与柱塞在泵筒内，所有的阀球向上单向开启。抽油举升过程是：下冲程时，固定阀关闭，柱塞下行，柱塞让出的空间形成一个低压腔，游动阀打开，液体经柱塞进入泵筒；上冲程时，游动阀关闭，柱塞上行推动液体顶开固定阀，将液体排出泵筒，进入油管，完成举升过程。

2.4配电系统设计

永磁同步电动机机械特性曲线为一根平行横轴直线，开环控制的性能指标达到了异步电动机闭环控制指标，因此设计为变频调速开环控制。系统设计由变频器、单片机、变压器、整流器、开关管、检测元件组成。单片机是系统的中枢，存储设计程序，它接受指令后，按设计程序控制变频器调节交流电频率，来调节电动机的运动速度、举升力；控制开关调整上行时间、下行时间、停留时间，调节电动机单位时间的往复次数。

2.5工艺改进成果

经过工艺改进现场试验攻关，优化设计改进加工工艺，直线电动机及配套抽油泵性能得到提高，安全系数加大。电动机外径由 ϕ 110mm 扩大到ϕ 114mm，增大定子线圈截面积，定子磁场强度增加 20%，举升力由 2.7t提高到了 3.2t，电动机效率提高了 18.5% （见表5）。