间抽井柱塞运动速度优化模型研究

刘洪斌 孙浩宾 罗伟

摘要：针对我国低产油井普遍产量低、泵效低，油井抽油生产时泵充不满的问题，开采现场常采用间抽的方式以提高泵效;然而当前间抽制度的研究普遍以冲次和间抽周期为优化变量，很少有将间抽周期、冲次和柱塞运动速度三者相结合的研究。以提高泵效为生产要求，提出了间抽井柱塞运动速度优化模型，模型根据抽油机井的开采利润和最大系统效率确定合理动液面区间，用傅里叶级数构造柱塞运动速度函数，利用遗传退火算法优化傅里叶系数及频率来达到改变冲次和柱塞速度的目的。研究及试验结果表明，在此方案下，低产油井的工作时间缩短，泵效增幅明显，油井综合效益显著提高。研究结论可为低产油井的柔性控制策略提供较好的工程参考。

关键词：低产低效井；间抽生产；沉没度；泵效；优化设计

In China， lowyield wells are commonly characterized by low production and low pump efficiency， pumping is insufficient during well production， and intermittent pumping is often adopted to improve the pump efficiency.However， the current research on the intermittent pumping system generally takes the strokes and intermittent pumping cycle as the optimization variables， and there are few reports on the combination of intermittent pumping cycle， strokes and plunger motion velocity.In order to improve the pump efficiency， an optimization model of plunger motion velocity in intermittent pumping wells was built， which determined the reasonable producing fluid level interval based on the exploitation profit and the maximum system efficiency of the pumping well， used the Fourier series to construct the function of plunger motion velocity， and used the genetic annealing algorithm to optimize the Fourier coefficient and frequency， so as to achieve the objective of changing the strokes and plunger motion velocity.The study and test results show that under this scheme， the working time of lowyield wells is shortened， the pump efficiency is significantly increased， and the overall benefits are remarkably improved.The conclusions provide a good engineering reference for the flexible control strategy of lowyield wells.

lowyield and lowefficiency well；intermittent pumping；submergence depth；pump efficiency；optimization design

0 引 言

在油田的生產周期内，油井的供液能力在开采初期和后期有明显差距。从经济角度考虑，油田在开采初期设定的抽油泵排出量都是按照最大产油量设计的，这就使得油井在生产开采后期时，采出量大于地层的供液能力，导致抽油泵的充满度很低，采油效率低下，持续开采可能导致即使采出了油，但依然出现亏损的现象［1］。对此，开采现场常采用间抽的方式，在开井一段时间后，停机等待动液面恢复。

保证油井工作在合理动液面范围内，是实现油井节能高效生产的重要手段［2］。目前国内外众多学者对间抽井的间抽制度以及间抽周期内基于泵效的冲次调节做了细致的研究［3-7］，但以间抽井合理动液面为基础，通过优化柱塞运动速度来提升间抽周期内的泵效的文献却并不多见。

笔者综合考虑采油成本和系统效率，从确定合理动液面区间入手，结合井底流体物性和抽油泵结构参数，以泵充满度为主要优化目标，以间抽周期、冲次、柱塞运动速度为优化设计变量，建立了间抽井柱塞运动速度优化模型。

1 合理动液面区间的确定

有杆抽油系统动液面深度是指有杆抽油系统中井口到油管和套管形成的环空内液面的深度，它是供排关系协调的表征［8-9］。当动液面深度小于合理动液面区间最小值时，油井的供液能力较强［10］，此时选择合适的抽油泵柱塞运动速度开采具有一定的经济效应，且经过一段时间的开采后，动液面深度将到达合理动液面区间；当动液面深度处于合理动液面区间时，选择合适的抽油泵柱塞运动速度开采将取得最大经济效应；当动液面深度大于合理动液面区间最大值时，此时油井开采不能产生经济效应，需令油井进入停抽阶段，等待动液面恢复。因此根据不同的动液面深度选择不同的抽汲参数能够使得油井处在良好的供排状态和较高泵效的状态［11-14］。

1.1 油井流入动态曲线

IPR曲线（Inflow Performance Relationgship Curve）是预测油井的产能的方法之一，它反映了油层向井的供给能力，即产能［15］。因此，IPR曲线是制定油井合理工作制度的基础，也是分析油井动态的依据。

2 抽油泵柱塞运动速度优化模型

2.1 遗传退火算法

本文抽油泵柱塞运动速度优化模型存在多个变量参数和约束条件，且各约束条件之间关联程度高。故将遗传退火算法与柱塞运动速度函数相结合，以决策变量的编码作为运算对象，以对约束条件的适应度作为搜索目标，直接利用目标函数值或个体适应度值便可以将搜索范围集中到适应度较高部分的搜索空间中，从而提高搜索效率。使用遗传退火算法计算柱塞运动速度模型的流程框图如图1所示。

2.2 优化模型建立

2.2.1 柱塞运动速度曲线构造

结合工程实际，柱塞运动速度曲线应为具有周期性的光滑曲线，且曲线应有多变的形式以应对不同的现场情况。

本文以傅里叶级数构造抽油泵柱塞运动速度曲线，将抽油泵柱塞运动速度方程按傅里叶级数的形式展开：

2.2.2 优化目标

油井井下效率与泵效息息相关，而抽油泵的充满程度则是影响泵效的主要因素。图2为有杆泵抽汲过程。由图2可知，井底流体物性、抽油泵结构和抽油泵柱塞的运动直接影响抽油泵的充满程度。本文基于已知的泵体结构参数和井底流体物性，以提高泵充满程度的角度出发，寻找使得泵效最大时的柱塞运动速度v（t），即寻找使得井下效率最大时的柱塞运动速度。

3 优化实例

3.1 现场应用

将间抽井柱塞运动速度优化模型应用于江苏油田陈3-116井，该井的基本参数如表1所示。

通过1.4节公式计算陈3-116井动液面高阈值边界为1 368 m，动液面低阈值边界为1 127 m，即合理动液面区间为1 127～1 368 m。将合理动液面区间带入式（8）、式（9）计算可得：经优化后陈3-116井开井时间为6.2 h，关井时间为12.1 h。图3为陈3-116井1个间抽周期内动液面随时间的变化。图3中红色虚线左边表示开井区间，右边表示关井区间。

利用遗传退火算法求解间抽周期内开井期间的最优柱塞运动速度，计算结果如表2所示。

从表2中的优化结果w=0.23可知，冲次由原本的3.8 min-1降至2.2 min-1，优化后1个完整冲次的周期为27.27 s。

将相同冲程、冲次下开采现场柱塞常规运动速度与本文得到的柔性运动速度相对比，2种速度下柱塞运动速度曲线和位移曲线如图4所示。

由图4可知，本文得到的柱塞柔性运动速度与开采现场柱塞的常规运动速度相比较，柱塞运动在上、下冲程具有明显不对称性，其中上冲程用时tu=12.9 s，下冲程用时td=14.3 s。

优化后，陈3-116井由原本的常开变为间开，开井期间每个柱塞运动周期内的上、下冲程时间也由原本的上、下冲程时间一致变为“上快下慢”。新旧制度关键参数的对比结果如表3所示。

3.2 室内试验研究

柱塞运动规律试验台架系统如图5所示。该装置由3部分组成：变速驱动系统、支架系统和泵体系统。

柱塞运动规律试验台架能够实现油井倾角的模拟和抽油系统的变速驱动模拟。

从主控电脑端导入由2种柱塞运动速度推得的电机转速曲线，并通过变频控制箱控制电机转速。试验介质为清水且供液充足，忽略供液不足、抽油杆形变和气体影响后，泵漏失成为影响2种柱塞运动速度下泵效的主要因素。

以冲次n=2.2 min-1为例，使用称重测量仪测量11个冲次内的抽油泵泵送液体的总质量，试验结果如表4所示。

由试验结果可知，本文得到的柱塞运动速度优化模型相较于常规的柱塞速度，抽油泵漏失情况有所改善，减少量为38.24 mL/min，单个冲次内抽油泵排量提升1.15%。这与文献［18］的研究结果相符合，从侧面验证了本文柱塞運动速度优化模型的可行性。

4 结 论

（1）本文以提高低产油井的泵效为生产要求，提出了间抽井柱塞运动速度优化模型，该模型根据抽油机井的开采利润和最大系统效率确定合理的开采动液面区间，并根据合理动液面区间确定油井开井和关井。

（2）遗传退火算法能够高效、准确地得到间抽井柱塞运动速度优化模型的傅里叶方程最优解。

（3）间抽井柱塞运动速度优化模型可以精细化确定间抽制度下的合理冲次及单个冲次内柱塞的最优运动速度。

（4）间抽井柱塞运动速度优化模型能够明显缩短低产油井的生产时间，极大提升泵效，降低机械磨损，节约电能和生产成本，实现油井综合效益的提高。

（5）通过江苏油田陈3-116井的应用实例以及自主搭建的柱塞运动规律试验台架，验证了间抽井柱塞速度优化模型的可行性和合理性。该模型对勘探开发一体化进程中的间歇生产井的工作制度和柱塞运动速度的确定具有一定的指导意义。

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第一刘洪斌，教授，生于1976年，2006年毕业于西南石油大学机械设计及理论专业，获博士学位，现从事钻井液固相控制、钻井废弃物处理与柔性控制采油等研究与教学工作。地址：（610500）四川省成都市。电话：（028）83037206。Email：liuhongbin@swpu.edu.cn。