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      抽油機井能耗分區(qū)控制圖的研制與應(yīng)用

      2021-01-23 02:06:38丁健王懷遠易正昌徐赫徐天竺大慶油田有限責任公司第四采油廠
      石油石化節(jié)能 2021年1期
      關(guān)鍵詞:抽油機停機油井

      丁健 王懷遠 易正昌 徐赫 徐天竺(大慶油田有限責任公司第四采油廠)

      隨著杏北油田的持續(xù)開發(fā),地層供液能力逐漸變差,油井產(chǎn)液量不斷下降,機采井舉升能耗高、系統(tǒng)效率低等問題愈發(fā)凸顯,嚴重制約了油田的高效開發(fā)。機采系統(tǒng)能耗約占油田總能耗的35%[1],是油田能耗的重要組成部分,而抽油機井占機采井總數(shù)的84%左右,其能耗水平直接決定機采系統(tǒng)能耗高低[2],因此開展低效高耗抽油機井治理工作十分重要。但以往的節(jié)能管理工作不能直觀地體現(xiàn)抽油機井整體的節(jié)能潛力分布,對于單井舉升單耗達到多少才算有節(jié)能潛力也無明確界限,僅憑個人經(jīng)驗篩選確定節(jié)能挖潛目標,降低了抽油機井節(jié)能管理工作的效率,影響了節(jié)能降耗治理措施的效果。針對上述問題,開展了抽油機井能耗分區(qū)控制圖的研究工作,完善相關(guān)配套技術(shù),對今后低系統(tǒng)效率井的治理工作具有重要意義。

      1 能耗分區(qū)控制圖的研制

      1.1 抽油機井泵效仿真模型

      抽油機井泵效的一般表達式為:

      式中:α為泵效;ηS為柱塞有效沖程系數(shù);ηF為泵充滿系數(shù);ηL為漏失系數(shù);ηV為混合液的體積系數(shù)。

      假設(shè)天然氣的膨脹和壓縮按多變過程或等溫過程進行,不考慮天然氣溶解和析出的影響,并且泵的排出壓力和沉沒壓力保持不變,則式(1)中的柱塞有效沖程系數(shù)、泵充滿系數(shù)、漏失系數(shù)和混合液體積系數(shù)可分別按下式(2)計算[3-5]:

      式中:Spump為抽油泵柱塞的行程長度,m;S為懸點沖程,m;R為泵吸入口氣液比,L/m3;K 為余隙系數(shù);ps為泵的沉沒壓力,Pa;pd為泵的排出壓力,Pa;n為氣體多變過程指數(shù);nW為含水率,%;Bops為泵吸入口條件下原油的體積系數(shù);Bwps為泵吸入口條件下水的體積系數(shù);Ap為柱塞橫截面積,m2;ΔQ為柱塞與泵筒間隙的漏失量,m3。

      1.2 電動機輸入功率仿真模型

      基于抽油機曲柄軸凈扭矩通用計算模型,考慮皮帶和減速箱的傳動效率,則電動機瞬時輸出功率和平均輸出功率可按式(3)計算:

      式中:PMO為電動機瞬時輸出功率,kW;為電動機平均輸出功率,kW;MN為曲柄軸凈扭矩,N·m;ω為曲柄軸角速度,rad/s;ηMB為皮帶與減速箱的傳動效率;k2為系數(shù),當MN>0 時,k2=-1、當MN≤0時,k2=1;T 為懸點運動周期,s。

      考慮電動機的效率受負載率的影響,電動機瞬時輸入功率和平均輸入功率可按式(4)計算:

      式中:PMI為電動機瞬時輸入功率,kW;為電動機平均輸入功率,kW;β 為電動機瞬時功率利用率(β=PMO/PN);PN為電動機額定功率,kW;P0為電動機空耗功率,kW;ηN為電動機額定效率。

      1.3 抽油機井系統(tǒng)效率仿真模型

      抽油機井有效功率與電動機輸入功率之比即為抽油機井系統(tǒng)效率:

      式中:η為抽油機井系統(tǒng)效率;Pe為抽油機井有效功率,kW。

      抽油機井有效功率按石油行業(yè)標準推薦的計算公式計算[6-7]:

      式中:Q為油井日產(chǎn)液量,m3/d;H 為有效揚程,m;ρm為油井混合液密度,t/m3;g 為重力加速度,9.8 m/s2。

      式(6)中的有效揚程和混合液密度計算公式見式(7):

      式中:Hd為油井動液面深度,m;po為油井井口油壓,MPa;pc為油井井口套壓,MPa;nW為含水率,%;ρw為水的密度,t/ m3;ρo為原油的密度,t/m3。

      式(6)中油井產(chǎn)液量計算公式如下:

      式中:D為泵徑,m;S為懸點沖程,m;n為沖速,min-1;α為泵效。

      1.4 能耗分區(qū)控制圖的繪制

      基于研究的目的,優(yōu)選流壓和系統(tǒng)效率分別作為能耗分區(qū)控制圖的橫縱坐標。影響抽油機井系統(tǒng)效率的因素主要包括:抽油機、電動機等設(shè)備類型;油井產(chǎn)能、含水率等油藏參數(shù);沖程、沖速、泵徑等抽汲參數(shù);皮帶松緊、減速箱潤滑以及平衡度等管理參數(shù)。假設(shè)油田的設(shè)備參數(shù)、油藏參數(shù)和管理參數(shù)一定時,系統(tǒng)效率主要取決于抽汲參數(shù)的完善程度。通過優(yōu)化抽汲參數(shù)確定各個流壓值下的系統(tǒng)效率極值,進而繪制出系統(tǒng)效率最高值和最低值與流壓的關(guān)系曲線,即能耗分區(qū)控制圖最高系統(tǒng)效率邊界曲線和最低系統(tǒng)效率邊界曲線。將最高系統(tǒng)效率邊界曲線與最低系統(tǒng)效率邊界曲線所包圍的區(qū)域劃分成高效區(qū)、合理區(qū)、低效區(qū)和待落實區(qū)四個不同的區(qū)域,即可得到抽油機井能耗分區(qū)控制圖模板,如圖1所示。

      2 配套節(jié)能降耗技術(shù)

      圖1 抽油機井能耗分區(qū)控制模板

      2.1 立體優(yōu)化技術(shù)

      抽油機井是一個由許多單元組成的系統(tǒng),可將其分為地面和井下兩個部分。地面部分主要由拖動裝置、皮帶輪、減速箱和四連桿機構(gòu)等組成,井下部分由盤根盒、抽油桿、抽油泵、油管等組成。每一個單元都有其運行效率,抽油機井系統(tǒng)的總效率等于各單元效率的乘積。根據(jù)抽油機井有效功率、光桿功率及測試得到的電網(wǎng)向抽油機系統(tǒng)的輸入功率,即可分析出油井能耗在地面和地下的分布情況,研究結(jié)果表明地面能耗約占總能耗的30%~40%,地下能耗約占總能耗的60%~70%。為此,利用作業(yè)時機應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計軟件對具有優(yōu)化潛力的井實施立體優(yōu)化,充分挖掘抽油機井地下節(jié)能降耗潛力。

      2.2 不停機間抽技術(shù)

      針對杏北油田低產(chǎn)低效井多、舉升能耗高的問題,推廣應(yīng)用不停機間抽技術(shù)。不停機間歇采油技術(shù)是指曲柄以連續(xù)整周運行與低能耗擺動運行組合的方式工作,將長周期的集中式間歇采油轉(zhuǎn)變成多次短周期分散式間歇采油,將常規(guī)間抽停機運行改為曲柄低能耗小角度擺動運行,實現(xiàn)井下泵停抽、地面設(shè)備不停機的間抽工藝[8]。整周運行時采用工頻驅(qū)動,擺動運行時采用變頻驅(qū)動。整周運行與擺動運行之間的切換是在抽油機負載最低點附近處,利用曲柄勢能和動能的轉(zhuǎn)換,以柔性加載斷續(xù)供電的方式實現(xiàn)。不停機間抽控制裝置主要由電參監(jiān)測傳感器、電動機轉(zhuǎn)速傳感器、曲柄位置傳感器、智能控制器以及驅(qū)動器組成[9],不停機間抽裝置安裝位置見圖2。

      圖2 不停機間抽裝置安裝位置

      2.3 能耗監(jiān)測技術(shù)

      從整體上看,機采系統(tǒng)耗電采用電量匹分方式,即在總消耗電量中扣除注入系統(tǒng)和集輸系統(tǒng)等耗電后,歸為機采系統(tǒng)耗電,無法消除其它隱含耗電量。從單井上看,根據(jù)系統(tǒng)效率測試的消耗功率,代表單井全年能耗水平,因每年測一次且測試時間隨機,無法掌握單井全年真實耗電。為此通過技術(shù)攻關(guān)和統(tǒng)一管理,應(yīng)用電量計量裝置[10],并對新投產(chǎn)能和采購的電控箱配備電量計量功能,逐步實現(xiàn)單井能耗的準確計量。

      3 應(yīng)用效果

      利用能耗分區(qū)控制圖對抽油機井的能耗水平進行綜合評價,確定低效區(qū)、待落實區(qū)為重點治理對象;重點治理對象確定后,利用節(jié)點分析控制圖分析原因,依據(jù)治理對策表制定具體節(jié)能優(yōu)化措施,同時配套立體優(yōu)化、不停機間抽、能耗監(jiān)測等技術(shù),實現(xiàn)低效井的有效治理。截至2020 年底,累計完成低系統(tǒng)效率井治理2 653 井次,措施后測試2 341 井次,平均系統(tǒng)效率由13.52% 上升到17.19%,上升3.67個百分點,低效區(qū)、待落實區(qū)分別下降20.60%、1.83%;合理區(qū)、高效區(qū)分別提高20.74%、1.68%,預(yù)計年節(jié)電176.25×104kWh,創(chuàng)造經(jīng)濟效益112.27 萬元,取得了良好的應(yīng)用效果,低系統(tǒng)效率井措施前后對比見表1。

      表1 低系統(tǒng)效率井措施前后對比

      4 結(jié)論

      1)基于抽油機井動態(tài)參數(shù)仿真模型,優(yōu)選評價指標,通過優(yōu)化抽汲參數(shù)確定能耗分區(qū)控制圖分界曲線,研究節(jié)能潛力區(qū)域劃分方式,建立了抽油機井能耗分區(qū)控制圖。

      2)抽油機井能耗分區(qū)控制圖直觀給出了抽油機井整體能耗水平,明確了抽油機井節(jié)能降耗重點治理對象,提升了抽油機井節(jié)能管理水平。

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