抽油机不停机间歇采油技术研究与应用

2017-12-06巩宏亮戚兴常瑞清王洋富源侯宇李金源刘成林陈云龙

石油石化节能 2017年10期

关键词：杆柱低能耗低产

巩宏亮戚兴常瑞清王洋富源侯宇李金源刘成林陈云龙

（1.大庆油田采油工程研究院；2.哈尔滨索菲电气技术有限公司）

抽油机不停机间歇采油技术研究与应用

巩宏亮1戚兴1常瑞清1王洋1富源1侯宇1李金源2刘成林2陈云龙2

（1.大庆油田采油工程研究院；2.哈尔滨索菲电气技术有限公司）

常规间歇采油存在工人劳动强度高、管理难度大、工作制度难以执行到位等问题。为此，提出了抽油机不停机间歇采油技术，采用长周期集中式间歇采油转变成多次短周期分散式间歇采油的策略，开展连续整周运行与低能耗摆动运行相结合的方式，将常规间抽停机运行改为曲柄低能耗小角度摆动运行；以井下柱塞保持不动为前提，杆柱最大弹性变形为基础，设计出曲柄最大摆动范围，确保地面设备不停机安全摆动，井下泵停抽的不停机短周期间抽工艺。现场应用表明，与常规间抽相比，系统效率提高4.4个百分点，百米吨液单耗降低28.7%，日节电22.14 kWh，对低产井高效开发具有重要意义。

抽油机；不停机间歇采油；间抽制度；曲柄摇摆

引言

随着大庆油田开发进入中后期，普遍存在间歇出油、严重供液不足的低效井现象，所谓的低效井具有低产液、低泵效、低流压的井。这部分井通常采用连续运行生产方式，这些低产井在相当长的一段时间处于无效空抽运行状态，从而造成抽油机系统效率低、能耗大、设备磨损严重等问题[1]。据统计，大庆外围油田抽油机井已经超过2.1万口，占全油田机采总井数的31.8%，日产液5 t以下的低产井已超过1.8万口，这些低产井的产液量仅占全油田总量5.6%，耗电量则高达23.7%，吨液单耗是老区的5.2倍，平均系统效率仅为13.2%。其中，即使采用最小参数运行仍然不能实现供排平衡，平均系统效率不足10%。

为保证低效井有足够的供液能力，通常采用间歇采油技术[2-6]。间歇采油技术的应用极大提高低效井的系统效率，并在节能降耗方面效果显著[7-9]。为了方便管理，实际生产过程中，采用间歇采油技术的大多数井都有统一固定的间抽制度，抽8 h停16 h间歇制度在油田占间抽井总数的95%[10]；然而一般停机8 h以上，油井动液面波动幅度大，不能保证合理流压条件下生产，影响产量。间歇采油技术还存在增加工人劳动强度、无法精确控制间抽时间、管理难度大、工作制度难以执行到位等问题[11-13]；此外，井位偏远且交通不便、阴雨和风雪恶劣天气、冬季停机容易冻井口等问题的出现都无法实施间歇采油制度。为此，2013年提出抽油机不停机间歇采油技术思路，并开展可行性研究；2014年定型技术方案，开展控制理论及控制方法的设计，形成曲柄摆动定位技术；2015年开展低能耗、无冲击驱动技术研究，研制不停机间抽装置，并进行2口井先导试验，验证了技术可行性和节能效果。2016年，优化驱动方法，完善控制装置，进一步增强装置的适应性和可靠性，并开展10口井扩大试验；从而确定了抽油机不停机间歇采油技术，确保地面设备不停机安全摆动运行，井下抽油泵间歇采油，实现油井供排协调，达到高效举升的目的。

1 抽油机不停机间歇采油技术

不停机间歇采油技术是指曲柄以连续整周运行与低能耗摆动运行组合方式工作，将长周期的集中式间歇采油转变成多次短周期分散式间歇采油，将常规间抽停机运行改为曲柄低能耗小角度摆动运行，井下泵停抽的不停机短周期间抽工艺。

1.1 曲柄摆动运行方案设计

通过运动学及系统载荷计算分析，研究光杆小幅运行井下负载变化规律及杆柱形变，以杆柱最大弹性变形为基础，计算出曲柄最大摆动范围。根据不同曲柄位置，充分考虑平衡扭矩分布，设计悬点最佳光杆运行距离（曲柄摆角）和摆动速度，形成无冲击低能耗摆动运行方案。

1）抽油杆最大静载变形确定[14]：

式中：λ——抽油杆变形量，m；λr——抽油杆柱静变形量，m；λt——油管柱静变形量，m；E——抽油杆、油管钢材弹性模量，2.12×108kN/m2；Ar——抽油杆柱截面积，m2；At——油管柱截面积，m2；L——抽油杆柱长度，m；W′f——在柱塞上产生的液柱载荷，N。

2）曲柄最大摆动角度范围确定。曲柄最大摆动角度范围是在井下柱塞保持不动前提下，以杆柱最大弹性变形为基础，确保摆动时杆柱运动控制在弹性变形范围内。通过计算抽油机驴头在悬点处的最大位移值，从而确定出曲柄最大摆动角度范围。图1为常规游梁式抽油机简图。计算曲柄转角θ的公式如下：

图1 常规游梁式抽油机简图

式中：θ——曲柄摆动转角，rad；θ1——下死点与平衡点间曲柄转角，rad；θ2——上下死点时曲柄间转角，rad；φ——曲柄在平衡点时角度的余角，rad；+号用于顺时针旋转；-号用于逆时针旋转。

1.2 不停机间歇采油控制装置

不停机间歇采油控制装置主要由电参监测单元、电动机转速传感器、曲柄位置传感器、智能控制器和驱动器组成。

电动机传感器、曲柄传感器和电参监测单元将电动机转速、曲柄位置和电参数传给智能控制器，智能控制器控制整周运行与摆动运行，智能控制器下达指令；驱动器根据设定的时间对电动机柔性启动进行连续整周运行，在摆动运行时按照控制指令进行驱动速度实时调整。

整周运行与摆动运行之间的切换是依靠抽油机在负载最低点附近处利用曲柄势能与动能的转换，以柔性加载断续供电的方式，顺势而为地实现曲柄低能耗摆动，保证驱动速度的同时控制最大驱动功率，实现功率平稳运行。

电动机转速传感器安装在电动机尾轴上，能够同步实时监测电动机速度，实现电动机转速的高精度监测。曲柄位置传感器安装在对应光杆下死点的曲柄位置处，检测每个冲程内的下死点对应曲柄位置。电参监测单元、智能控制器和驱动器安装在智能控制柜内。

1.3 工作制度确定

不停机间歇采油工作制度的确定主要依据IRP生产曲线，以油井产能最大为目标，确定其合理的产量，通过产量确定井底动液面深度；根据合理动液面波动幅度，确定最佳的连续抽汲时间和摆动时间；通过持续观察动液面变化，最终确定最优的不停机间歇采油工作制度。具体流程见图2。

图2 抽油机不停机间歇采油工作制度流程

不停机间歇采油的工作制度是将长周期集中式间歇采油转变成多次短周期分散式间歇采油，将每个间抽周段内的动液面波动幅度控制在一定范围内，避免了因停机时间过长导致动液面波动幅度过大对产能造成影响。由于单井地质情况和供液能力的存在差异，不停机间歇采油能够个性化制定单井工作制度，实现油井供排协调，达到高效举升的目的。

2 现场应用

表1 不停机间歇采油与连续采油对比

表2 不停机间抽与常规间抽对比

为了检验抽油机不停机间歇采油技术实际应用情况，现场开展了10口井的试验与评价。表1和表2分别为不停机间歇采油与连续采油和常规间抽对比。

由表1和表2可知，应用抽油机不停机间歇采油技术后，在保持动液面合理稳定的前提下，相比连续运行的井，日节电52.8 kWh，系统效率提高7.8个百分点，百米吨液单耗降低49.4%。相比常规间抽井，日节电22.14 kWh，系统效率提高4.4个百分点，百米吨液单耗降低28.7%。现场应用表明，不停机间歇采油大幅提高了抽油机系统效率，节能效果显著。