碳纤维连续抽油杆在不同类型抽油机上的应用

李健 许立红 李磊（大庆油田有限责任公司第四采油厂）

随着地面节能设备应用规模不断扩大，优化钢质杆柱结构难度加大，使节能降耗挖潜空间受限，且在油田经济高效开发以及低油价等背景下，钢质抽油杆的局限性越来越显著：比如自身比重大、难以下得更深；易腐蚀、能耗高等[1]。碳纤维连续抽油杆可明显降低杆柱重量，能够有效解决钢制抽油杆下泵深度受限、磨蚀严重等问题。按照油田开发现状的需求及节能降耗的要求，质量轻、强度高、节能效果好的碳纤维连续抽油杆具有工业化普及推广的价值[2]。为挖掘碳纤维连续抽油杆节能降耗潜力，开展了不同类型抽油机井碳纤维连续抽油杆应用试验，评价了应用效果，为后期技术推广应用提供了技术支撑。

1 不同类型抽油机井杆柱优化设计

1.1 游梁式抽油机标准模拟井评价试验

为确定碳纤维杆与加重杆匹配关系，利用标准模拟井，评价了4种杆柱组合、8种工况条件下混合杆柱的节能效果。标准井10型抽油机，冲程3 m，冲次4次/min，泵深870 m，加重杆采用直径25 mm钢质抽油杆，对比碳纤维连续抽油杆与加重杆4种长度比例的应用前后节能效果，组合系统效率统计见表1。因现场10型抽油机平均动液面在600 m，因此选择动液面600 m对比应用效果，发现碳纤维杆648 m+加重杆222 m时，即加重杆重量占杆柱重量30%，系统效率最高。

表1 组合系统效率统计

1.2 杆柱优化设计系统

开发了《碳纤维连续杆杆柱优化设计及工况诊断系统》软件，包括流入流出与供产协调分析、动态参数仿真、动力性能评价、碳纤维杆柱优化设计、杆柱参数整体优化设计、泵况诊断和参数管理等7个功能模块[3]。

1）建立抽油系统动态仿真模型。结合在用4类抽油机，分别建立了游梁式抽油机、电控换向塔架式抽油机、皮带式长冲程抽油机和超长冲程抽油机的悬点运动规律的仿真模型[4]。基于抽油机杆柱波动方程，建立了混合杆柱力学模型9个、相关方程20个，实现混合杆柱悬点示功图、各级杆顶端示功图和泵示功图的模拟仿真，仿真评价了碳纤维杆抽油系统节能效果[5]。

应用软件系统开展仿真结果与实测结果对比52口井，平均结果对比见表2。悬点最大载荷误差率1.54%，最小载荷误差率5.48%，满足现场要求。

表2 平均结果对比

2）建立杆柱组合与生产参数优化设计方法。以悬点示功图、混合杆柱连接点示功图的仿真为基础，建立了碳纤维混合杆柱与生产参数整体优化设计方法，在抽汲参数与井筒参数一定条件下，综合考虑油井产量、设备承载能力、杆柱强度条件、碳纤维杆柱最小轴向拉力等约束条件，以降低悬点载荷、提高系统效率为目标，优化碳纤维杆和钢杆的规格与配比[6-8]。杆柱优化设计系统可以模拟出多个结果，工程设计人员可根据预期目标选择最优设计方案。经现场试验表明：优化设计诊断系统在现场应用效果良好，且与标准模拟井试验结果符合，可以进行现场应用。

2 现场实践应用

试验井利用杆柱优化设计系统进行杆柱优化设计，按照泵径、冲程和冲次不变的原则，以单井产量不降为目标，选择系统效率最高的杆柱组合，在不同类型抽油机井中进行应用。试验后及时调整油井平衡率，分别测试试验前后数据，对比节能效果。

2.1 游梁式抽油机

游梁式抽油机井现场应用200口井，试验前后平均数据对比见表3。试验后悬点最大载荷下降11.69 kN，有功功率下降1.69 kW，百米吨液耗电下降0.21 kWh/t，系统效率上升8.76个百分点，平均节电率达22.86%。其中第一批20口碳纤维连续抽油杆试验井平均已运行1 009天，最长已运行1 073天，没有发生杆问题检泵，延长了油井检泵周期。

表3 试验前后平均数据对比

此外，通过在游梁式抽油机井中开展碳纤维连续抽油杆试验，得到以下两点认识：

1）可降机型生产。以往因悬点载荷过大，6型游梁式抽油机无法与70 mm泵组合生产。以A井为例，通过试验碳纤维连续抽油杆实现了6型抽油机与70 mm泵组合生产，试验后日产液上升41.5 t，载荷利用率69.0%，A井试验前后对比见表4。经载荷模拟计算，游梁式抽油机井应用碳纤维连续抽油杆可实现降一级机型生产，尤其在产能井中应用经济效益更加明显。

表4 A井试验前后对比

2）机型不变可深抽[9]。B井为6型抽油机，试验前泵深1 150 m，载荷利用率91.6%，试验碳纤维连续抽油杆后，载荷利用率降至68.6%。按照抽油机载荷利用率80.0%，杆柱安全系数大于1.2的标准，计算出了不同机型最大下泵深度，最大下泵深度可达4 400 m，下泵深度推算见表5。

表5 下泵深度推算

2.2 塔架式抽油机

塔架式抽油机井现场应用10口井，试验前后平均数据对比见表6。试验后悬点最大载荷下降15.56 kN，有功功率下降1.67 kW，百米吨液耗电下降0.15 kWh/100 m·t，系统效率上升18.45个百分点，平均节电率达27.58%。

表6 塔架式抽油机井试验前后平均数据对比

2.3 超长冲程抽油机

在产能区块中超长冲程抽油机现场应用30口井，创新设计应用智能柔性控制+电机正反向转动+柔性光杆+碳纤维连续抽油杆+长冲程泵的长冲程举升技术，将长冲程智能抽油机超长举升能力与碳纤维连续抽油杆防磨降载的技术优势结合，实现了降低交变载荷、降低举升能耗、提高泵效的目的。超长冲程抽油机井与相邻区块常规抽油机平均效果对比见表7。该区块投产后平均冲程48.3 m、冲次0.09次/min、动液面460 m、日耗电46.2 kWh。与游梁式抽油机相比，冲程增加11.2倍、冲程损失由16.7%降至1.0%、冲次下降53倍、交变载荷下降32%、日耗电下降69.6 kWh、有功节电率40.1%。

表7 超长冲程抽油机井与相邻区块常规抽油机平均效果对比

3 结论

1）杆柱优化设计系统仿真模拟悬点最大载荷准确性较高，同时杆柱优化设计结果符合现场实际，节能效果好，为后期技术推广应用提供了技术支撑。

2）碳纤维连续抽油杆可以满足不同类型抽油机井进一步挖掘节能降耗潜力的需求。

3）因碳纤维连续抽油杆自身特性影响，柱塞有效冲程有损失[10]。长冲程、低冲次可以减少冲程损失，降低交变载荷，因此几种抽油机中超长冲程抽油机井应用碳纤维连续抽油杆节能效果最好。