萨北油田抽油机井合理回压界限试验研究

2016-02-05冯华胜罗锐妮大庆油田有限责任公司第三采油厂

石油石化节能 2016年8期

冯华胜罗锐妮（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

萨北油田抽油机井合理回压界限试验研究

冯华胜罗锐妮（大庆油田有限责任公司第三采油厂）

抽油机井合理回压试验研究从抽油机井产液量、能耗及杆管寿命等要素出发，根据回压对生产成本的影响，并结合地面改造成本，对抽油系统建立了数值模型，并应用计算机程序来计算出不同年限井口回压的合理范围。现场采用控制生产阀门进行井口提升回压试验。经过对试验数据分析，当井口回压大于0.8 MPa时，能耗增幅超过5.1%，随着回压的增大，能耗增幅也逐渐加大。因此，为保证抽油机井系统低能耗合理运行，井口回压应控制在0.8 MPa以下。通过理论和现场试验研究确定了有杆泵井井口回压的合理界限，为今后在地面工程的建设和改造中能够与抽油机井管理相协调提供了科学依据，具有很好的社会效益和经济效益。

抽油机井；井口回压；产液量；能耗；数值模型；合理界限

随着老油田新增产能和已建系统调整改造地面工程中采取了简化、优化采出液集输与处理工艺新措施，如环状流程、单管集油流程以及缩小管径、延长集油半径等，虽然能有效地降低工程投资和操作成本，但也造成机采井地面回压升高，对抽油机系统产生一定的影响，增加抽油机井耗能、作业维护费用、井筒清防蜡管理费用，也使抽油机井的管理增加了难度。为配合地面工艺新措施，研究地面建设投入成本的减少与机采管理能耗和管理费用的增加的合理回压界限，进行科学合理的经济评价，为今后在地面工程的建设和改造中能够与抽油机井管理相协调，使机采系统低能耗合理运行提供可靠依据。

通过回压上升对抽油机井产液量和能耗的影响规律，以及对抽油机系统机、杆、管、泵及管理方面的影响，从对产液量、能耗及杆管寿命等要素出发，运用多种理论来阐明回压对生产成本的影响，并结合地面改造成本，评定出井口回压的合理范围[1]。

1 井口回压对抽油机系统影响规律的研究

1.1杆管形变对产液量的影响

抽油杆、管在外力的作用下会发生弹性变形。根据虎克定律，当应力不超过比例极限时，杆件伸长与拉力和长度成正比，与横截面面积成反比。

上冲程时，井口回压增量通过井筒液柱传递到活塞上，此时抽油杆受力伸长，油管处于自然状态。下冲程时，井口回压增量通过井筒液柱传递到固定阀上，此时油管受力伸长，抽油杆处于自然状态。

由于井口回压增加的影响，使泵活塞的移动距离缩短，而抽油泵每个周期的产液量降低，使得油井的产液量下降[2]。

1.2井口回压对抽油泵漏失量的影响

由达西公式推导出压力变化与漏失液体流速的关系，即

式中：hf为沿程水头损失，m；λ为沿程阻力系数，无因次；ι/d为几何因子，无因次；υ为漏失液体流速，m/s；g为重力加速度，9.8 m/s2。

随着活塞上下压差的增加，将导致漏失液体流速的提高，则每冲速井口回压增加引起的漏失量的增量为

式中：QL为漏矢量的增量，m3；ΔV为流速的增量，m/s；T为循环周期，d；K为漏失系数，无因次。

1.3井口回压对能耗的影响

在上、下冲程中杆管应力变化可根据下式确定：

式中：Δσ为杆管在井口回压变化下应力变化值，kN；ΔP为井口回压变化值，MPa；f为杆管截面积，mm2。

所以，上冲程时，井口回压增量通过井筒液柱传递到活塞上，此时抽油杆应力增大，油管不受井口回压的影响；下冲程时，井口回压增量通过井筒液柱传递到固定阀上，此时油管应力增大，抽油杆不受回压影响，抽油机的悬点载荷不变。

由于悬点载荷是连续变化的，为了定量分析井口回压增量对抽油机的悬点载荷的影响，对抽油系统建立了数值模拟模型，模拟抽油机在一个工作循环过程中，井口回压增加和能耗的变化关系。通过计算得知，随着回压的增加，能耗也随之增加。

1.4井口回压对管杆使用寿命的影响

抽油杆顶端最大、最小循环应力计算。

式中：Wmax为最大循环载荷，kN；Wf为液柱质量，kg；Lj为各级抽油杆长度，m；Wj为每米抽油杆重度，kN/m3；α=sn2/1790(s为冲速，min-1；n为冲程，m）。

式中：Wmin为最小循环载荷，kN；ρf为井液重度，kN/m3；Aj为各级抽油杆截面积，mm2。

井口回压增加会使抽油杆最大循环载荷增加，进而使应力增加，使抽油杆寿命降低。上冲程时，井口回压增量通过井筒液柱传递到活塞上，此时抽油杆应力增大，油管不受井口回压的影响[3]。

鉴于抽油杆寿命的计算既有数值计算过程又有图解过程，较为复杂，不利于实现计算程序化；因此，针对现有条件的抽油系统参数对抽油杆寿命进行了计算，并以正常井口回压下的抽油杆寿命作为基准，对不同井口回压下的抽油杆寿命求得比值，作为抽油杆寿命系数，并绘制了表格，以确定不同井口回压对抽油杆寿命的影响（表1）。

表1 井口回压增量对抽油杆寿命的影响

下冲程时，井口回压增量通过井筒液柱传递到固定阀上，此时油管应力增大，抽油杆不受回压影响。同理，井口回压增加也会使油管最大循环载荷增加，降低油管寿命（表2）。

表2 井口回压增量对油管寿命的影响

2 井口回压范围评定

井口回压的增加，必然对产液量、能耗及杆管寿命产生影响，增加生产成本。因此，必须结合地面设备改造所节省的成本，评定出井口回压的合理范围，来确定合理的回压界限。

2.1因产液量降低而损失的效益

式中：FQ为产液量降低而损失的效益，元；VC为降低的产量，m3/d；η为井液中原油含量，%；TY为每吨原油价格，元；n为抽油机冲速，min-1;N为投入有效期，a。

2.2因井口回压增加所增加的能耗成本

式中：FH为井口回压增加所增加的能耗成本，元；ΔW为系统能耗变化量，kWh；N为投入有效期，a；TD为每度电价格，元。

2.3因杆管使用寿命降低增加的成本

式中：FS为杆管使用寿命降低增加的成本，元；L为泵挂深度，m；T1为抽油杆单价，元/m；δ1为抽油杆寿命系数，无因次；T2为油管单价，元/m；δ2为油管寿命系数，无因次。

2.4地面设备改造所节省的成本

以集油管线泡沫黄夹克管为例，规格为φ60 mm×4 mm的价格为101元/m，规格为φ48 mm× 3.5 mm的价格为82元/m。对于井距为355 m的油井，该单井提高回压后管线建设投资可降低6745元。

当集油管线规格为φ60 mm×4 mm时，计算得到井口回压为0.41 MPa；当集油管线规格为φ48 mm×3.5 mm时，计算得到井口回压为0.56 MPa。计算参数如下：产液量为78 t/d；含水率为91%；井口出油温度为36.7℃；水力粗糙度采用0.15 mm；管道终点压力为0.33 MPa。

2.5井口回压界限值的确定

在一定的年限内，井口回压增加所造成的效益损失必须小于地面设备改造所节省的成本。例如，以2年为投入有效期，当该井井口回压增为0.93MPa时，因产液量降低而减少的效益约为2740元；因井口回压增加所产生的功耗成本约为2950元；因杆管使用寿命降低产生的成本约为960元。因此，当井口回压增为0.93 MPa时，产液量降低、能耗增加及杆管寿命降低所产生的效益损失约等于地面设备改造所节省的成本，所以井口回压不应高于0.93 MPa。

对现场试验数据进行了分析，分别计算了投入有效期为2、4、6、8、10年的井口回压，并与现场试验数据进行了对比，得到不同投入有效期内的井口回压界限，如表3所示。