低产低效油井机采系统优化设计与应用

裴润有 周志平 令永刚 何建军

1.中国石油长庆油田分公司 技术监测中心 （陕西 西安 710018）

2.中国石油长庆油田分公司 超低渗油藏第二项目部 （甘肃 庆城 745100）

近年来，随着油田开发技术的进步，大量低渗、超低渗油田相继投入开发。超低渗透油藏具有低渗、低压、低产的特点，地层供液能力差，单井产量低，部分井间歇出油，采用传统机械采油配套工艺油井抽油泵效、机采系统效率严重偏低，运行维护成本高，为实现低渗透、低产低效油田经济有效开发，需要研究与之配套的机械采油工艺。

超低渗透油田单井产液量在2～3m3/d，低产低效井所占比例大，抽油泵效、机采系统效率偏低[1]。据统计，某超低渗区块单井产量低于1.0t的油井221口,系统效率平均值仅为4.3%;单井产量1.0～2.0t之间的油井446口,系统效率平均值仅为9.2%。采用常规采油配套工艺，在最低工作制度下 （泵径32mm、冲程 2.5m、冲次 2.5次/min），抽油泵理论排量7.16m3/d，受井筒脱气及冲程损失等影响，抽油泵效平均只有25%，机采系统效率13%左右，系统效率严重偏低，受低产油井产液量偏低这一客观因素制约,低产低效油井机采系统必须重新进行优化设计，满足低渗、超低渗透油藏规模有效开发的需求。

1 机采系统优化

在日产液量限定的前提下，提高系统效率就必须从降低抽油泵理论排量入手，重新进行机采系统优化设计，进一步优化机、杆、泵组合。按照“抽油杆强度增一级、抽油泵径降一级、抽油杆径降一级、抽油机型号降一级、电机功率降一级、机采系统效率提一级”的思路，对机械采油系统重新进行优化设计，应用HY/HL级高强度抽油杆代替普通D级抽油杆，研制了加强型Φ28mm整筒泵，整体降低了抽油机型号、配套小功率电机，通过优化设计，达到提高抽油泵效和机采系统效率的目的。

1.1 超高强度（HY级）抽油杆

HY级超高强度抽油杆采用超音频感应加热表面淬火工艺对D级抽油杆进行深加工，使其表面形成一层杆体直径5%～15%的淬硬层，金相组织为针状回火马氏体，其组织晶粒更加细小均匀，再经过抛丸强化处理后,具有很高的抗拉强度(980～1176MPa)和表面硬度（表面强度≥42HRC，见表1）。

采用Φ16 mm、Φ19mm HY级高强杆代替常规Φ19 mm、Φ22mm D级杆，杆柱抗拉强度提高17.8%～21.9%。以1800m井深为例，使用HY级超高强度抽油杆设计为19.05mm+15.87mm，其抗拉强度完全能满足采油需要，而杆柱重量则减轻1.32t（1800m井深22.23mm+19.05mm组合杆柱重量为 4.887t；19.05mm+15.87mm组合杆柱重量为3.567t），抽油杆柱的体积比原杆柱体积平均减少26%，抽油机悬点载荷降低27%。

表1 超高强度抽油杆及D级抽油杆的材料及机械性能对比

1.2 加强型Φ28mm整筒泵

开展降低抽油泵泵径研究，通过对Φ32mm整筒抽油泵进行改进，研制了Φ28mm加强型抽油泵，其金属柱塞直径为Φ28mm，游动凡尔球直径Φ16mm，其余柱塞、泵管长度及联结尺寸与Φ32 mm抽油泵完全一致，泵常数为0.886m3/d，最低理论排量为5.54m3/d，理论泵效最大能达到54%。

Φ28mm抽油泵还没有制定相关国家标准，由于球腔壁厚比Φ32 mm抽油泵减小1.25mm，使用时容易出现上出油阀罩断裂、整泵刚性低、固定阀漏失等问题，为此，对其结构进行了适应性改进:

（1）泵筒强度加强。在常规整筒泵的泵筒外增加一个加强套管，起到保护泵筒的作用，加强泵筒的抗弯曲变形能力为普通泵筒的2.68倍。

（2）上凡尔出油阀罩结构改进。设计了分体式上出油阀罩，阀罩的球腔和出油槽分开（图2），延长使用寿命。

（3）游动阀、固定阀改进。选用碳化钛基材质的阀球和阀座，解决了由于钨钴硬质合金阀球比重大，造成泵阀开启压差增大和陶瓷阀球脆性大且易开裂的问题，同时能够较好的解决高含水、腐蚀性强油井抽油泵阀使用寿命的问题。

1.3 小型节能抽油机

抽抽机的选择应满足油井不同时期生产需要。由于采用小抽油泵及重量更轻、强度更强的油杆组合，使得抽油机悬点负荷大幅下降，为应用小型节能抽油机创造了条件。

依据最大生产条件下的悬点载荷和减速箱扭矩，确定经济、适用的抽油机。抽油机型号降一级，与传统8型、7型抽油机相比，配套电机功率由15kW、11kW下调为7.5kW、5.5kW，大幅提升了地面系统效率，节能降耗效果显著（表2、表3）。

1.4 系统校核

泵径Φ28mm，最大下泵深度为1750m；管柱组合:Φ19mm×15%+Φ16mm×50%+Φ19mm×35%，选用HY级抽油杆:抗拉强度980～1176MPa。选用冲程2.5m，冲次5次/min进行机采系统校核，抽油机悬点最大载荷[2]:

式中 Pmax—悬点最大载荷，N；

Wr—作用在悬点上的抽油杆柱载荷，N；

Wl—作用在柱塞上的液柱载荷，N；

Iru—液柱惯性载荷，N；

Fu—最大摩擦载荷，N。

其中，抽油杆柱载荷:

式中 qr—每米抽油杆的质量，kg/m;

g—重力加速度，m/s2;

L—抽油杆柱长度，m。

根据（2）式计算得Wr=33785.5N。

式中 fp—柱塞截面积，m2；

fr—抽油杆截面积，m2；

ρ1—油水混合液密度，kg/m3。

取混合液的含水为60%，根据（3）式计算的Wl=9738.4N。

式中 s—光杆冲程，m；

n—柱塞冲次，次/min。

根据（4）式计算可得Iru=1466.4N，

摩擦载荷 Fu=Wr×0.03=1013.6（N）。

根据（1）式可得抽油机悬点最大载荷:

Pmax=33785.5+9738.4+1466.4=44990.3（N）=44.9903（kN）。

悬点最小载荷:

式中 Wr′—下冲程作用在悬点上的抽油杆柱载荷，N；

Ird—悬点最大惯性载荷，N。

表2 超低渗透油藏抽油机选型表

表3 抽油机电机选配表

式中 qr′—qrb，b为考虑抽油杆柱受液体浮力的失重系数，b=(ρs-ρl)/ρs,ρs为抽油杆材料密度，ρl为液体密度。

式中 r—抽油机曲柄半径，m；

l—连杆长度，m。

根据所选抽油机结构特性，取r/l=1/4。

根据（5）、（6）、（7）式计算可得 Pmin=34kN。

抽油机最大扭矩:

CYJ6-2.5-26HF抽油机，配套电机功率7.5kW，悬点最大载荷60kN，最大许用悬点载荷[Pmax]=60kN×90%=54kN；减速箱最大扭矩 26kN·m，许用最大扭矩[Mmax]=26kN·m×70%=18.2kN·m，由于

故该系统能够满足要求。

通过对19口典型井示功图最大、最小载荷的统计，平均下泵深度1436m，平均最大载荷32.55kN，最高悬点载荷37.5kN，低于六型抽油机悬点许用最大载荷,且有一定安全余量,完全能够满足采油需要。

2 现场应用及结论

低产井机械采油优化配套工艺技术专门针对排量在3m3以下的低产井进行配套，该技术在某超低渗透油藏应用1500口以上，与常规配套相比，具有明显的技术、经济优势:

（1）提高抽油泵效。与常规Φ32mm抽油泵相比，应用Φ28mm抽油泵后，相同冲程、冲次及单井日产液量，油井抽油泵效提高了7.1%（表4）。

（2）延长油井免修期。HY型超高强度抽油杆抗拉强度高、弹性好、抗弯耐磨性能明显优于普通D级杆，且具有一定抗腐蚀性能，可以有效地防止偏磨现象和断杆事故，降低了油井故障频次，延长油井检泵周期60d以上，单井年维护成本降低0.68万元。

表4 相同生产情况下Φ28mm与Φ32mm抽油泵抽油泵效对比

（3）降低建设投资费用。超高强度（H级）抽油杆单价接近普通D级杆，由于杆柱重量减轻及抽油机型号下调,单井一次性建设投资费用降低3.25万元。

（4）节能降耗效果显著。由于悬点载荷降低，抽油机配套电机功率下调为7.5kW、5.5kW，单井日耗电量节约25kW·h，年节约电费0.59万元，节能降耗、经济效益十分显著。

[1]樊成.长庆油田超低渗透油藏开发技术研究与应用[J].石油化工应用，2009，28（2）:38-41.

[2]张琪.采油工程原理与设计[M].北京:中国石油大学出版社，2006.