基于油藏条件的机采系统合理能耗测算方法

肖 武，张海燕

（中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营257015）

作为我国国民经济重要支撑的石油企业是一个能量密集的高耗能企业。机采系统作为油田生产的重点系统，其能耗也是油田企业最主要的能耗，对该系统进行能耗重点监测和管理具有重要意义。随着油田开发逐步进入特高含水阶段，开发难度不断增加，耗能设备应用规模不断加大，机采系统耗电量逐年增加，其能耗在油田生产成本中所占的比重越来越大[1-2]。随着生产技术水平的日益提高和发展，石油企业亟需借助现代化手段加强和优化企业能源管理，提高企业的经济效益。目前，许多国际石油公司正推广应用能耗优化管控系统，有效提高了能源利用效率和能源管理水平。为了加强机采系统能耗的优化管控，实现节能降耗，需要对机采系统的合理能耗进行分析测算。目前常用的方法是根据油田或采油厂吨液能耗和液量规模进行测算，或者逐井进行测试。前一种方法所需参数少、操作简单，但是该方法不能对机采系统有用功进行测算，且精确度较低；后一种方法计算有用功并测算能耗，不仅参数获取困难，而且工作量庞大。因此，本文提出了基于油藏条件的简便有效、精度较高的有用功计算及合理系统效率测算方法，在此基础上明确油藏条件对机采系统能耗的影响以及不同油藏条件下所需的合理能耗水平，满足机采系统能耗指标分配或管理考核评比的各种需求。

1 油田机采系统能耗现状

不同类型油藏由于地质条件、油藏特征和开发生产制度等不同，能耗水平和系统效率也不尽相同。对某油田6 500余口机采井的系统效率进行分析可知（表1），目前机采井平均系统效率29.2%。其中，整装油藏机采系统能耗水平相对较高，平均系统效率34.6%，断块油藏机采系统能耗水平中等，平均系统效率29.4%，低渗透油藏机采系统能耗水平相对较低，平均系统效率25.1%。

表1 某油田不同类型油藏机采井系统效率分布

2 基于油藏条件的机采系统合理能耗计算模型

首先，将某种油藏类型的机采系统参数通过统计分析建立1口标准油井，如平均油藏压力、平均油藏深度、平均油藏渗透率、平均油层厚度、平均含水、平均产液量、平均原油黏度、平均油气水密度、平均生产气油比等。其次，利用抽油机井单井优化设计方法进行不同机杆泵组合及工作制度下（下泵深度、抽油机、抽油泵、抽油杆组合、冲程、冲次）的举升设计，得到不同方案下该标准油井的有用功和系统效率。最后，选取不同液量水平下所对应的系统效率最高作为基准（从油藏角度出发认为在该液量水平下油井处于最优生产状态，这也是油田生产管理追求的目标），以此结果进行该类油藏能耗评价与管理。

2.1 标准油井流入动态计算模型

基于某一类油藏参数的统计结果，假设标准油井位于油藏中心，其采液指数可以采用式（1）进行计算：

式中：I为采液指数，是一个反映油层性质、厚度、流体参数、完井条件及泄油面积等与产量之间的关系的综合指标，m3/（d·MPa）；

k为油层有效渗透率，μm2；

h为油层有效厚度，m；

μ为地层流体的黏度，mPa·s；

B为地层流体体积系数，无因次；

re为油井供油边缘半径，m；

rW为井眼半径，m；

s为表皮系数，无因次。

根据某类油藏参数统计结果求出该标准油井的采液指数后，利用Petrobras方法计算该井的流入动态。

2.2 井筒举升设计模型

1）井筒多相流计算模型

井筒多相流理论是贯穿石油生产全过程的基本理论，也是抽油井生产系统设计中涉及的主要理论之一。抽油机井下泵深度的确定、液柱载荷的计算等均是以井筒多相流理论为基础。本文采用适用于直井和水平井的Beggs-Brill模型计算井筒压力分布，采用Ramey模型计算井筒温度分布。

2）抽油杆柱力学计算模型和校核方法

抽油杆柱力学模型是用来对抽油杆柱在抽油过程中受力状况进行分析计算的方法。在抽油过程中，抽油杆承受到交变载荷的作用，要使得抽油杆柱能够安全有效的工作，其受力状况分析至关重要，它也是抽油机井工况分析和生产参数优化设计的重要内容。抽油杆柱工作过程中承受交变载荷作用，上冲程时出现最大载荷，下冲程时出现最小载荷。

式中：Fmax为抽油杆柱上冲程所受的最大载荷，N；

Fmin为抽油杆柱下冲程所受的最小载荷，N；

Fr为抽油杆柱在空气中的重力，N；

Fl为作用在柱塞上的液柱载荷，N；

Fv为流体通过凡尔孔的阻力，N；

Fri为抽油杆柱惯性载荷；N；

Fli为液柱惯性载荷；N；

Fp为泵筒与柱塞的摩擦载荷，N；

Frl为抽油杆与液体之间的摩擦载荷，N；

Ftl为油管与液体之间的摩擦载荷，N；

Frxj为第j级抽油杆下端面处所受的流体上托力，N；

m为抽油杆级数。

目前，现场多采用美国石油学会推荐的方法进行抽油杆强度校核和杆柱设计。要保证抽油杆柱不发生疲劳破坏，抽油杆的最大应力不应超过许用最大应力。抽油杆的许用应力不仅与杆的材料及抽汲流体的腐蚀性有关，而且与所受的最小应力有关。所以，在抽油杆柱设计及应力分析中常采用应力范围比，即：

σmax-σmin为许用应力范围，MPa；

σall-σmin为抽油杆的应力范围，MPa。

3）泵效计算模型

泵效是油井实际产量与理论排量的比值。

式中：η为实际泵效，%；

Q为实际产量，t/d；

Ql为理论产量，t/d；

ρO为油的密度，kg/m3；

ρW为水的密度，kg/m3；

fW为含水率，%。

4）地面工况指标计算模型

水力功率是指在一定时间内将一定量的液体提升一定距离所需要的功率，它是实际做功的有效功率。水力功率（有用功）计算公式：

式中：HPH为机采系统水力功率（有效功率），kW；

Q为日产液量，m3/d；

H为有效扬程（有效举升高度），m；

ρ为油井混合液密度，kg/m3；

g为重力加速度，m/s。

光杆功率就是通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率。光杆功率计算公式：

式中：HPPR为光杆功率，kW；

Fmax为抽油机悬点最大载荷，N；

Fmin为抽油机悬点最小载荷，N；

s为冲次，次/分钟；

N为冲程，m。

井下举升效率计算公式：

式中：ηd为井下效率，%。

根据董世民等的研究结果，引入名义功率利用率：

式中：β为名义功率利用率，%；

Pmotor为电机额定功率，kW。

地面效率与名义功率利用率之间的关系为：

式中：ηS为地面效率，%。

则抽油机井系统效率为：

式中：η为抽油机井系统效率，%。

利用上述数学模型，通过对不同参数组合方案进行模拟，计算出所对应的地面工况指标，以此为基础来决策某一液量水平下的合理能耗。

3 机采系统合理系统效率计算

3.1 影响机采系统效率的油藏参数分析

针对某一类型油藏，收集整理表征该类油藏特点的储层物性、流体物性、地层能量、开发阶段等指标参数（如含油面积、断层密度、油藏埋深、渗透率、有效厚度、地层压力、原油黏度、含水率、采出程度等）以及生产参数，建立标准油井模型并利用抽油机井优化设计软件进行模拟计算，得到不同下泵深度、冲程、冲次、泵径以及杆柱组合情况下的举升方案设计结果。采用灰色关联相关性分析方法，对不同组合下的举升方案进行能耗关联性分析，从众多油藏特征参数中筛选出影响机采系统效率的主控因素。结果表明，影响机采系统能耗的油藏主控因素从高到低分别为地层系数（渗透率乘以有效厚度）、黏度、含水率和油藏埋深、地层压力（图1）。

3.2 基于油藏条件的机采系统效率计算

在已知测算对象主控因素实际参数取值的情况下，测算不同液量水平条件下采用不同杆泵组合及工作制度所对应的机采系统效率。如某油田断块油藏，已知其渗透率为2 000×10-3μm2，有效厚度为25 m，地层原油黏度为25 mPa·s，含水率为93%，油藏埋深为2 200 m。计算得到不同液量水平、不同杆柱组合和工作制度下的机采系统效率（图2）。从图2看出，相同产液量水平下，由于杆柱组合和工作制度的不同，其系统效率呈现出较大差异。

3.3 基于油藏条件的合理机采系统效率确定

根据图2的计算结果，从能耗管控角度出发，可以认为某一产液量水平下的最高系统效率是此类油藏在该产液量水平下应该达到的最优能耗指标。以此为依据，确定出各个液量水平对应的最高系统效率作为能耗管控的指标。根据上述得到的不同液量水平、不同杆泵组合下机采系统效率，确定出不同液量水平下的最高机采系统效率（图3）。

考虑井斜、偏磨、井口盘根松紧、皮带松紧、抽油机平衡度、井口回压等因素影响[3-8]，同时结合某油田抽油机井能耗现场测试结果，引入修正系数0.88。将上述不同产液量水平下的最高系统效率乘以修正系数得到不同液量水平下合理系统效率（图4）。利用该系统效率图可以方便快捷地进行不同类型油藏条件下能耗水平的评价和合理能耗的分配。

4 结论

从油藏条件出发，利用灰色关联分析方法确定出影响机采系统能耗的油藏主控因素分别为地层系数、黏度、含水率和油藏埋深、地层压力。在此基础上，针对不同油藏类型，建立以标准油井为基础的有用功和系统效率计算模型，形成一种不同产液量下合理机采系统效率的测算方法，为油田机采系统能耗管控提供了一种新的手段。本文建立的基于油藏条件的机采系统合理能耗测算方法，较好的将油田开发生产实践与能耗优化管控结合起来，既能够客观反映与油藏开发特征相匹配的合理能耗水平，又极大地简化了工作程序，提高了工作效率，为矿场能耗运行管理提供了有利支撑。