機采系統(tǒng)節(jié)能潛力研究與應用

孫守淵　陳勇　徐秀治　李鑫（.玉門油田分公司鉆采工程研究院；.玉門油田分公司規(guī)劃計劃處；.玉門油田分公司青西油田作業(yè)區(qū)）

機采系統(tǒng)節(jié)能潛力研究與應用

孫守淵1陳勇2徐秀治3李鑫3
（1.玉門油田分公司鉆采工程研究院；2.玉門油田分公司規(guī)劃計劃處；3.玉門油田分公司青西油田作業(yè)區(qū)）

摘要：目前，通用的系統(tǒng)效率不能完全判別油田機采系統(tǒng)節(jié)能潛力和反映油井的管理水平。筆者提出重新劃分抽油機井系統(tǒng)輸入功率的構成，以及各部分功率的具體計算方法和影響因素，研究開發(fā)出系統(tǒng)效率實現(xiàn)率理論基礎，以滿足不同管理層對抽油機井系統(tǒng)效率管理的需求，為油氣田企業(yè)挖掘抽油機井系統(tǒng)節(jié)能潛力、節(jié)約電能和降低開采成本開辟了新的途徑。

關鍵詞：抽油機；系統(tǒng)效率；實現(xiàn)率

1　概述

玉門油田油井多為低滲透的低能、低產(chǎn)井，所以主要開采手段是采用機械采油設備進行地面抽汲的方式。而在玉門油田的采油設備中，游梁式抽油機應用最為普遍，數(shù)量也最多。且近年來隨著對石油的連續(xù)開采，部分油井已進入開采的后期，油層出現(xiàn)明顯的供液能力不足，使得抽油機正常工作時多是以輕載運行。油泵在充滿度較低時，抽油機的電動機處于輕載運行，抽油機工作效率不高，造成大量電能浪費。

目前，玉門油田共有低能、低產(chǎn)井1000多口，平均系統(tǒng)效率不足12%，年耗電約4.4×107kWh，占油田總耗電量的1/3。大量的抽油設備長期運行在低效率區(qū)，造成能源浪費，給油田帶來了一定的經(jīng)濟損失。因此，我們要尋求、研究和推廣機采系統(tǒng)節(jié)能潛力評價[1-2]。

2　理論依據(jù)

研究機采系統(tǒng)評價指標，創(chuàng)立系統(tǒng)效率實現(xiàn)率計算理論，建立基于系統(tǒng)效率實現(xiàn)率的系統(tǒng)效率評價理論，制定評價指標，應用系統(tǒng)效率實現(xiàn)率指標的節(jié)能潛力與耗能評價，挖掘抽油機井系統(tǒng)節(jié)能潛力，降低開采成本。

2.1抽油機井能耗

在現(xiàn)有技術條件的情況下，不更換抽油機，以保持產(chǎn)量基本不變，以抽油機能耗最低為準則，計算得出理論最低能耗與現(xiàn)階段能耗水平的比較，得出油井能耗水平，判別抽油機井的節(jié)能潛力。

對抽油機井系統(tǒng)開展能量分析，輸入功率劃分為地面損失功率、滑動損失功率、黏滯損失功率、溶解氣膨脹功率、抽油機井系統(tǒng)有效功率5部分。

2.1.1地面損失功率

深井泵生產(chǎn)過程中，地面抽油機和電動機所損耗的功率稱作地面損失功率，包括電動機空載功率、地上傳輸損失功率和井下傳輸損失功率。地面損失功率影響因素包括電動機空載功率、井下負荷、抽油桿運行速度、傳輸功率傳導系數(shù)、光桿功率傳導系數(shù)。

式中：N地——地面損失功率，kW；

No——電動機空載功率，kW；

Nd——地面?zhèn)鬏敁p失功率，kW；

Nj——井下傳輸損失功率，kW；

Fu——光桿上沖程平均載荷，kN；

Fd——光桿下沖程平均載荷，kN；

ns——光桿實測平均沖速，min-1；

sl——沖程，m；

k1——傳輸功率傳導系數(shù)；

k2——光桿功率傳導系數(shù)。

2.1.2黏滯損失功率

深井泵生產(chǎn)過程中，被舉升的液體因與油管、抽油桿發(fā)生摩擦而損耗的功率稱作黏滯損失功率。黏滯損失功率的影響因素為桿速、管徑、桿徑、泵掛、原油黏度。

式中：Nr——黏滯損失功率，kW；

μi——平均液體黏度，MPa·s；

li——油管長度，m；

m——油管直徑與抽油桿直徑之比。

2.1.3滑動損失功率

因井斜造成的抽油桿與油管之間發(fā)生的摩擦以及泵柱塞與泵筒間發(fā)生的摩擦而損失的功率稱作滑動損失功率?；瑒訐p失功率的影響因素包括桿速、單位長度桿重、井斜軌跡水平投影長度、桿與管的摩擦系數(shù)。

式中：Nk——滑動損失功率，kW；

fk——桿與管的摩擦系數(shù)；

q桿——單位長度桿柱重量，kg；

l水平——抽油桿在斜井段的水平投影長度，m。

2.1.4膨脹功率

原油在舉升過程中，溶解氣因所受壓力的降低而不斷從原油中析出，從液態(tài)轉化為氣態(tài)。一方面導致物質本身的能量降低，即內能降低；另一方面，這部分能量轉化成體積膨脹能而作用于舉升系統(tǒng)。這一功率稱作溶解氣膨脹功率。膨脹功率的影響因素為日產(chǎn)液量、飽和壓力、井口壓力、沉沒壓力、溶解系數(shù)。

式中：N膨——溶解氣膨脹功率，kW；

P沉——沉沒壓力，MPa；

Pb——飽和壓力，MPa；

P

井口——井口壓力，MPa；

Q——油井產(chǎn)液量，m3/d；

α——溶解系數(shù)。

當P沉≥Pb且P井口≥Pb時，N膨= 0

當P井口＜P沉＜Pb時

2.1.5有效功率

在一定揚程下，將一定排量的井下液體提升到地面所需要的功率稱為有效功率。有效功率影響因素為日產(chǎn)液量、液體密度、有效揚程。

式中：N2——抽油機井系統(tǒng)有效功率，kW；

H——有效揚程，m；

ρ——液體密度，kg/m3；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

2.2抽油機參數(shù)

1）最佳輸入功率。抽油機井的輸入功率理論計算為地面損失功率、黏滯損失功率、滑動損失功率、有效功率之和再減去溶解氣膨脹功率。

在保持抽油機不變的情況下以測試所得產(chǎn)液量、含水率、動液面、油套壓，將管徑、桿柱鋼級、泵徑與泵掛（對應科學的桿柱組合）、沖程、沖速進行各種組合，每1種組合對應著1種機采系統(tǒng)效率，即對應著1種能量消耗。根據(jù)輸入功率計算公式分別計算出每1種機采參數(shù)組合所對應的輸入功率。以輸入功率最低者對應的功率為抽油機井最佳輸入功率Nbest；但根據(jù)玉門油田抽油機井實際情況，在現(xiàn)有技術條件下，保持抽油機不變，以產(chǎn)量為目標、以能耗最低為準則，優(yōu)化最佳輸入功率計算理論。滑動損失功率只有在斜井存在，膨脹功率影響微乎其微，以目前抽油機井下參數(shù)組合對應的輸入功率為抽油機井最佳輸入功率。故最佳輸入功率理論計算變?yōu)殡妱訖C空載損失功率、地面?zhèn)鬏敁p失功率、井下傳輸損失功率、黏滯損失功率、有效功率之和。計算方法為

式中：Nbest——最佳輸入功率，kW。

2）最佳系統(tǒng)效率為抽油機井系統(tǒng)的有效功率與最佳輸入功率的比值，以百分數(shù)表示。

式中：ηbest——抽油機井最佳系統(tǒng)效率，%。

3）系統(tǒng)效率實現(xiàn)率為抽油機井目前系統(tǒng)效率與最佳系統(tǒng)效率（或最佳輸入功率與目前輸入功率）的比值，以百分數(shù)表示[3-7]。

式中：R——系統(tǒng)效率實現(xiàn)率，%；η——系統(tǒng)效率，%；

N1——抽油機井系統(tǒng)輸入功率，kW。

表1　鴨兒峽油田抽油機井優(yōu)化前后對比

表2　老君廟油田抽油機井優(yōu)化前后對比

2.3系統(tǒng)效率實現(xiàn)率評價

抽油機井評價的指標主要是系統(tǒng)效率，其影響因素很多，如地質條件、油層物性、供液能力等。由于這些因素的限制，每口井系統(tǒng)效率極限是由其客觀條件決定的，若其系統(tǒng)效率未達到該井的極限值，則可以通過加強對該井的能耗評價來挖掘其系統(tǒng)效率的潛力，反之若其系統(tǒng)效率已達到該井的極限值，盡管其系統(tǒng)效率很低，但該井已無潛力可挖，其能耗水平已經(jīng)很好了。所以系統(tǒng)效率指標不能反映油井的能耗水平和節(jié)能潛力，而系統(tǒng)效率實現(xiàn)率則能夠反映油井的能耗水平和判別節(jié)能潛力。例如有些井系統(tǒng)效率高達40%，系統(tǒng)效率實現(xiàn)率只有60%，說明該井系統(tǒng)效率還有提升空間；而有些井的系統(tǒng)效率5%，系統(tǒng)效率實現(xiàn)率90%，說明該井系統(tǒng)效率提升空間不大了。并且根據(jù)系統(tǒng)效率實現(xiàn)率的計算找出單井高耗能環(huán)節(jié)，優(yōu)化抽油機井參數(shù)，挖出在每口井的系統(tǒng)效率未達到該井的極限值之前的潛力。另外，各油田或各區(qū)塊系統(tǒng)效率差異較大；橫向與縱向比較可比性不大，而運用系統(tǒng)效率實現(xiàn)率指標可以實現(xiàn)各油田作業(yè)區(qū)、隊（站）、區(qū)塊之間、各油井之間指標管理的橫向與縱向比較。

因此，我們通過研究以產(chǎn)量為目標、以抽油機井能耗最低為準則建立的系統(tǒng)效率實現(xiàn)率計算理論，統(tǒng)計了近幾年油田抽油機井應用系統(tǒng)效率實現(xiàn)率指標評價的結果，結合油田抽油機井管理狀況和節(jié)能潛力要求，提出系統(tǒng)效率實現(xiàn)率大于或等于60%為合格；大于或等于72%為良好；大于或等于80%為優(yōu)秀。

3　現(xiàn)場應用

1）鴨兒峽油田作業(yè)區(qū)。該作業(yè)區(qū)應用抽油機井系統(tǒng)能耗測試與評價體系評價，見表1?？梢钥闯?口井評價優(yōu)化前平均系統(tǒng)效率11.13%，平均系統(tǒng)效率實現(xiàn)率51.34%，說明還有48.66%的節(jié)能潛力。按照評價體系找出抽油機井系統(tǒng)高耗能環(huán)節(jié)，優(yōu)化組合抽油機井參數(shù)實施節(jié)能改造。實施后平均系統(tǒng)效率實現(xiàn)率提高到79.54%，達到了評價指標的良好值，平均系統(tǒng)效率14.01%，提高了2.88%，平均有功節(jié)電率22.54%，綜合節(jié)電率28.52%。

2）老君廟油田作業(yè)區(qū)。該作業(yè)區(qū)應用抽油機井系統(tǒng)能耗測試與評價體系評價，見表2?？梢钥闯?口井評價優(yōu)化前平均系統(tǒng)效率7.84%，平均系統(tǒng)效率實現(xiàn)率41.9%，還有58.1%的節(jié)能潛力。按照評價體系找出抽油機井系統(tǒng)高耗能環(huán)節(jié)，優(yōu)化組合抽油機井參數(shù)實施節(jié)能改造。實施后平均系統(tǒng)效率實現(xiàn)率提高到75.9%，達到了評價指標的良好值，平均系統(tǒng)效率12.56%，提高了4.72%，平均有功節(jié)電率40.89%，綜合節(jié)電率48.55%。

4　結論

1）重新劃分抽油機井系統(tǒng)輸入功率的構成，提出各部分功率的具體計算方法，

找出影響各部分功率的因素，開發(fā)了系統(tǒng)效率實現(xiàn)率理論基礎。

2）系統(tǒng)效率值的高低不能完全反映油井或油田的管理水平，應用系統(tǒng)效率實現(xiàn)率指標可以滿足不同管理層對抽油機井系統(tǒng)效率管理的需求；反映油田系統(tǒng)效率的管理水平；判別抽油機井系統(tǒng)節(jié)能潛力。

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（編輯沙力妮）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.004

第一作者簡介：孫守淵，工程師，2003年畢業(yè)蘭州理工大學，從事節(jié)能監(jiān)測工作，E-mail：ymsunsy@petrochina.com.cn，地址：甘肅省酒泉市新城區(qū)石油基地檔案樓811室，735019。

收稿日期2015-09-11