超长冲程新型节能举升采油技术优势探讨

2018-05-07王秀斌大庆油田有限责任公司头台油田开发公司

石油石化节能 2018年3期

王秀斌（大庆油田有限责任公司头台油田开发公司）

大庆外围油田属于低产油田，随着开发时间的延长，低产井比例逐年增加，平均单井日产液量仅3 t。举升方式以抽油机为主，系统效率低、偏磨严重问题突出，新型塔架式抽油机虽可实现冲程最大7 m、冲速最低0.4 min-1的超长冲程低冲速方式生产，但与常规抽油机对比，塔架式抽油机传动系统、控制系统稳定性不足，推广空间受限，因此近几年在头台油田试验了超长冲程新型节能举升采油技术[1]。

1 工艺技术

1.1 超长冲程抽油机

地面设备主要由电动机、滚筒、控制柜、斜拉杆、滑轮、井架等组成（图1）。电动机通过减速箱带动滚筒旋转，实现柔性抽油杆往复运动，通过控制系统按设定好的生产制度实现自动运行。

通过进行现场试验，不断完善改进，传动系统已使用变速箱齿轮传动，输出扭矩变大，运行更加稳定；制动系统应用电动机电磁制动与滚筒机械锁止相结合的方式，制动距离短、稳定，不受停电影响；控制系统实现柔性控制，生产参数、工作制度可智能设定，超长冲程抽油机换向时冲击载荷小、运行平稳，应用时间最长井已平稳运行2.5年。

1.2 超长冲程抽油泵

超长冲程抽油泵结构如图2所示，其采用5级泵筒连接，全长50 m，为保证整体同轴度，多级泵筒通过细螺纹平扣连接，设计限位锁紧实现端面密封；为提高泵筒硬度及耐磨性能，泵筒内壁镀铬处理，丝扣部位采用液体共渗处理；为提高泵筒防垢、密封效果，泵筒底部采用双套固定阀，降低了固定阀漏失量。通过以上改进，实现超长冲程抽油泵同轴度小于0.03 mm，密封等级1级，柱塞长1.2 m，井下运行稳定性与普通抽油泵相近。

1.3 柔性抽油杆

超长冲程抽油机可实现超长冲程运行主要是因为地面柔性抽油杆在滚筒内盘绕与井下超长冲程抽油泵配套举升[2]。经过逐步优化改进，柔性抽油杆采用直径16 mm钢丝绳，外部编织钢丝网，涂覆高分子材料，以提高耐磨、抗腐蚀性能，利于井口密封。钢丝绳接头采用压接方式，置于密封腔内与抽油杆连接。

1.4 抽油杆柱配比优化

从降低运行载荷、提高系统效率方面考虑，使用线密度小的钢丝绳比普通抽油杆更有优势，但是在抽油机下冲程时抽油杆受上浮力、反向摩擦力和液体黏滞阻力的作用，为保证抽油泵正常工作普通抽油杆长度不能过短，因此通过理论计算确定超长冲程井合理杆柱配比经验公式[3-5]。

抽油杆上浮力、钢丝绳上浮力、抽油杆自身重力分别为

图1 超长冲程采油技术地面部分

图2 超长冲程抽油泵结构

式中：F浮杆——抽油杆上浮力，N；

F绳浮——钢丝绳上浮力，N；

d——抽油杆直径，mm；

d1——钢丝绳直径，mm；

h——抽油杆长度，m；

H——抽油泵下泵深度，m；

G杆——抽油杆自身重力，N；

ρ——井筒内液体密度，kg/m3；

ρ杆——抽油杆密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

忽略抽油杆法向摩擦力和液体黏滞阻力为

将式（1）、（2）、（3）代入式（4），求得超长冲程采油井合理抽油杆柱配比经验公式为

其中式（5）适用于泵深小于2000 m，日产液量小于10 t的非稠油采油井。设定下泵深度为1000 m，钢丝绳直径为28 mm，井筒内液体密度为1000kg/m3，抽油杆直径为22mm，密度为7800kg/m3，将设定数值带入式（5），求得h为192.4 m。

若考虑抽油杆法向摩擦力和液体黏滞阻力等，为保证抽油泵正常工作还要把抽油杆长度乘以安全系数；直线度好、下冲程速度慢、液体黏度低的采油井可以取较小的安全系数，反之要取较大的安全系数；建议安全系数的取值范围为1.5～2，则22 mm抽油杆长度为289～385 m[6]。

2 节能机理

2.1 研究试验

在超长冲程抽油机标准井上（泵深854 m），测试了动液面分别在252、380、510 m条件下，电流、功率、能耗等电参数，计算超长冲程抽油机泵效、系统效率等数据（表1），并评价了超长冲程抽油机的运行效率及工作性能[7]。

对超长冲程抽油机的工作效率及工作性能的评价可以从以下4个方面分析：

1）泵效。应用超长冲程抽油机后，在动液面252、380、510 m三种条件下，测试产液量及动液面，随着动液面的增加，泵效有所降低，但泵效均大于83%，表明超长冲程抽油泵工作性能较好。

2）系统效率。随着动液面加深，系统效率显著增加。当液面达到510 m时，系统效率达到40%左右，如果进一步加深系统效率能够达到更高水平，表明超长冲程抽油机系统具有较高的效率；且该抽油机虽未配置平衡重，但在下冲程时对电动机做负功可以给电动机发电，产生的电能通过回馈单元并入电网可继续使用，在一定程度上可降低无平衡能耗损失与地面传动能耗损失。

表1 超长冲程抽油机在不同动液面下参数变化情况

3）冲程损失小。当满足1000m泵挂，外径44mm抽油泵，直径19 mm抽油杆，油井沉没度200 m的条件时，抽油杆理论伸长量（即冲程损失）计算公式为

式中：ΔL——抽油杆理论伸长量，m；

L——抽油机冲程，m；

E——弹性模量，MPa。

通过计算，常规抽油机冲程3 m时，冲程损失为0.20 m，冲程损失率为6.7%；超长冲程抽油机冲程50 m时，冲程损失为0.14 m，冲程损失率为0.28%。

4）运行次数减少。超长冲程抽油机可长期匀速、平稳运行，根据采油井供液能力实现自动启停机间歇采油。对于排量5 m3/d的采油井，应用常规抽油机冲速数每天可达5760次，超长冲程抽油机每天仅58次，既能达到高效节能的目的，又使杆管磨损次数大幅降低。

2.2 适应井况分析

超长冲程节能采油技术适合日产液量小于2 t的抽油机井，地层供液严重不足，举升系统能耗高、杆管偏磨严重。这类井应用超长冲程节能举升采油技术，采用外径44 mm泵径，50 m冲程间歇采油，日运行次数不足60次，冲速可降至0.04 min-1，举升系统效率高，能有效缓解杆管偏磨。

超长冲程节能采油技术不适合在结蜡、结垢严重的区块应用。结垢严重井易导致活塞卡死泵筒，作业时钢丝绳不同于抽油杆无法倒扣起出，易将整根钢丝绳报废，作业成本高；结蜡严重井还易导致上冲程时钢丝绳载荷增大，降低钢丝绳使用寿命，下冲程载荷变小，柔性钢丝绳下行易遇阻，影响运行时率。

3 现场应用

自2015年以来，在头台油田现场应用40口超长冲程采油井，其生产参数如表2所示，平均单井日产液量为1.4 t，与改造前抽油机井对比，改造后平均单井冲程提高47 m，冲速降至0.04 min-1，泵效提高18.8个百分点，单井日节电量87.8 kWh，吨液举升耗电量减少71.5 kWh，系统效率提高6.1个百分点。