桿柱優(yōu)化對提高抽油機井系統(tǒng)效率影響的研究

羅影坤 （大慶油田有限責任公司第九采油廠）

桿柱優(yōu)化對提高抽油機井系統(tǒng)效率影響的研究

羅影坤 （大慶油田有限責任公司第九采油廠）

抽油機井系統(tǒng)效率是反映機采系統(tǒng)高效舉升的綜合指標，在各節(jié)點效率中桿柱對系統(tǒng)效率的影響僅次于抽油泵所產(chǎn)生的影響。通過理論計算與實際測試優(yōu)化桿柱組合和桿柱長度對系統(tǒng)效率的影響，挖潛系統(tǒng)效率提升空間?，F(xiàn)場試驗10井次，系統(tǒng)效率平均提升1.8個百分點。

系統(tǒng)效率；桿柱載荷；桿柱組合；桿柱長度

抽油機井系統(tǒng)效率是反映機采系統(tǒng)高效舉升的綜合指標，可分解為兩個部分，即地面效率和井下效率，具體分為電動機效率、皮帶-減速箱效率和四連桿機構(gòu)效率、盤根盒效率、抽油桿柱效率、抽油泵效率和管柱效率。從理論分析和實測數(shù)據(jù)可以看出，在各節(jié)點效率對系統(tǒng)效率的影響中，抽油桿柱效率對系統(tǒng)效率影響2.4個百分點，僅次于抽油泵效率對系統(tǒng)效率的影響，對于低滲透油田來說，由于產(chǎn)量低，油井投產(chǎn)抽油泵的泵徑已最小，后續(xù)調(diào)整潛力小，所以有必要對提高抽油桿柱效率進行研究[1]。

1 桿柱組合與系統(tǒng)效率關(guān)系敏感性分析

系統(tǒng)效率是由有效功率和輸入功率之比決定的，輸入功率由五部分消耗功率組成：地面損失功率、黏滯損失功率、滑動損失功率、溶解氣膨脹功率、有效功率[2]。當油井產(chǎn)液量、舉升高度保持穩(wěn)定的情況下，有用功率基本不變，系統(tǒng)效率的大小主要取決于其他四部分消耗功率，消耗功率越大，系統(tǒng)效率越低，而前三部分消耗功率均與桿柱有關(guān)。

式中：s——沖程，m；

n——沖速，min-1；

P空載——電動機空載功率，kW；

m——管徑、桿徑比；

F桿——光桿載荷，kN；

Li——第i段油管長度，m；

F液——液柱載荷，kN；

Ui——在Li段油管中液體的平均黏度，mPa·s；

fk——桿與管的摩擦系數(shù)；

q桿——單位長度桿柱重力，kN；

l水平——抽油桿在斜井段水平投影長度，m；

k1、k2——地面損失功率與光桿在上、下沖程中的平均載荷的相關(guān)系數(shù)。

由上述公式可知：桿柱載荷減少，地面損失功率減少；管徑、桿徑比增加，而黏滯損失功率減少；管桿長度減小，黏滯損失功率和滑動損失功率也減少。而實際生產(chǎn)中桿柱載荷由桿柱組合及桿柱長度決定，桿柱長度則由泵深決定。

按照上述理論，同時考慮載荷及彈性形變兩方面影響因素，對兩種提高桿柱效率的措施進行敏感性分析。

1.1桿徑組合對系統(tǒng)效率影響

以X77-24井為例，在參數(shù)、產(chǎn)液量、動液面保持穩(wěn)定，桿柱強度滿足目前下泵深度（表1）的前提下，計算三種不同類型桿柱組合的功率損耗（表2）。

表1 X77-24井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 X77-24井優(yōu)化前后各項功率計算結(jié)果

只考慮載荷變化時，桿柱組合降低一個級別，載荷下降10.8 kN，消耗功率下降0.33 kW，系統(tǒng)效率提高3.4個百分點；降低兩個級別，載荷下降19.2 kN，消耗功率下降0.52 kW，系統(tǒng)效率提高5.8個百分點。

只考慮彈性形變時，桿柱組合降低一個級別，泵效降低2.1個百分點，系統(tǒng)效率降低0.91個百分點；降低兩個級別，泵效、系統(tǒng)效率分別降低5個百分點、2.34個百分點（表3）。

表3 X77-24井沖程損失對系統(tǒng)效率影響

綜上兩方面因素，桿柱組合降低一個級別，消耗功率減少0.38 kW，系統(tǒng)效率增加2.53個百分點；桿柱組合降低兩個級別，消耗功率減少0.64 kW，系統(tǒng)效率增加3.38個百分點（圖1）。

圖1 桿徑組合對泵效、系統(tǒng)效率影響

由實測結(jié)果可知，桿柱降低一個級別，消耗功率降低0.3 kW，系統(tǒng)效率提高2.3個百分點（表4）。

表4 X77-24井理論計算和實際結(jié)果對比

1.2桿柱長度對系統(tǒng)效率影響

以X102-11井為例，在參數(shù)、產(chǎn)量、動液面（表5）保持穩(wěn)定的前提下，將該井上提泵掛100 m和200 m，計算各項功率損耗（表6）。

表5 X102-11井基礎(chǔ)參數(shù)

表6 X102-11井優(yōu)化前后各項功率計算結(jié)果

只考慮載荷變化時，上提泵掛100 m后，載荷下降3.3 kN，消耗功率降低0.15 kW，系統(tǒng)效率提升1.29個百分點；上提泵掛200 m后，載荷下降6.3 kN，消耗功率降低0.27 kW，系統(tǒng)效率提高2.60個百分點。

只考慮彈性形變時，上提泵掛100 m后，泵效提高0.6個百分點，系統(tǒng)效率提高0.21個百分點；上提泵掛200 m后，泵效提高1.1個百分點，系統(tǒng)效率提高0.41個百分點（表7）。

表7 X102-11井沖程損失對系統(tǒng)效率影響

綜上兩方面因素，上提泵掛100 m后，消耗功率降低0.14 kW，系統(tǒng)效率提升1.65個百分點；上提泵掛200 m后，消耗功率降低0.25 kW，系統(tǒng)效率提高3.12個百分點（圖2）。

圖2 不同泵掛深度消耗功率、系統(tǒng)效率變化

由不同含水級別油井沉沒壓力與泵效關(guān)系可知合理沉沒壓力控制區(qū)間（表8），根據(jù)合理沉沒壓力制定單井具體上提泵掛長度。

表8 不同含水級別油井合理沉沒壓力控制區(qū)間

實測結(jié)果表明，上提泵掛100 m后，消耗功率減少0.2 kW，系統(tǒng)效率提高2.1個百分點（表9）。

表9 X102-11井理論計算和實際結(jié)果對比

2 管桿優(yōu)化實施效果

實施管桿優(yōu)化設(shè)計 10井次，日節(jié)電 12.7 kWh，節(jié)電率9.9%，系統(tǒng)效率提升1.8個百分點。其中，上提泵掛8井次，日節(jié)電9 kWh，節(jié)電率6.6%，系統(tǒng)效率提升2.1個百分點；桿柱降級2井次，日節(jié)電12 kWh，節(jié)電率13.2%，系統(tǒng)效率提升1.0個百分點。

3 結(jié)論

1）桿柱降級和上提泵深可以減少桿柱負荷，降低消耗功率，提高抽油機井系統(tǒng)效率。

2）桿柱降級方面，在滿足目前下泵深度的情況下，使用相對較輕的抽油桿組合。

3）上提泵深方面，對不同含水級別的油井，根據(jù)對應(yīng)的合理沉沒壓力控制區(qū)間制定具體上提泵掛長度。

[1]張志遠，古小紅.提高抽油機井系統(tǒng)效率的方法[J].斷塊油氣田，2000，7（4）:59-61.

[2]鄭海金.抽油機井地面損失功率計算方法的研究與認識[J].石油天然氣學報，2010，32（4）:157-160.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.002

2016-02-23

（編輯 李珊梅）

羅影坤，工程師，2008年畢業(yè)于東北石油大學（石油工程專業(yè)），從事舉升工藝及機械采油技術(shù)研究與管理工作，E-mail：847051203@qq.com，地址：黑龍江省大慶市紅崗區(qū)大慶油田有限責任公司第九采油廠，163853。