超長(zhǎng)沖程新型節(jié)能舉升采油技術(shù)優(yōu)勢(shì)探討

王秀斌（大慶油田有限責(zé)任公司頭臺(tái)油田開(kāi)發(fā)公司）

大慶外圍油田屬于低產(chǎn)油田，隨著開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，低產(chǎn)井比例逐年增加，平均單井日產(chǎn)液量?jī)H3 t。舉升方式以抽油機(jī)為主，系統(tǒng)效率低、偏磨嚴(yán)重問(wèn)題突出，新型塔架式抽油機(jī)雖可實(shí)現(xiàn)沖程最大7 m、沖速最低0.4 min-1的超長(zhǎng)沖程低沖速方式生產(chǎn)，但與常規(guī)抽油機(jī)對(duì)比，塔架式抽油機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，推廣空間受限，因此近幾年在頭臺(tái)油田試驗(yàn)了超長(zhǎng)沖程新型節(jié)能舉升采油技術(shù)[1]。

1 工藝技術(shù)

1.1 超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)

地面設(shè)備主要由電動(dòng)機(jī)、滾筒、控制柜、斜拉桿、滑輪、井架等組成（圖1）。電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速箱帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)柔性抽油桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)按設(shè)定好的生產(chǎn)制度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。

通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，不斷完善改進(jìn)，傳動(dòng)系統(tǒng)已使用變速箱齒輪傳動(dòng)，輸出扭矩變大，運(yùn)行更加穩(wěn)定；制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用電動(dòng)機(jī)電磁制動(dòng)與滾筒機(jī)械鎖止相結(jié)合的方式，制動(dòng)距離短、穩(wěn)定，不受停電影響；控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)柔性控制，生產(chǎn)參數(shù)、工作制度可智能設(shè)定，超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)換向時(shí)沖擊載荷小、運(yùn)行平穩(wěn)，應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)井已平穩(wěn)運(yùn)行2.5年。

1.2 超長(zhǎng)沖程抽油泵

超長(zhǎng)沖程抽油泵結(jié)構(gòu)如圖2所示，其采用5級(jí)泵筒連接，全長(zhǎng)50 m，為保證整體同軸度，多級(jí)泵筒通過(guò)細(xì)螺紋平扣連接，設(shè)計(jì)限位鎖緊實(shí)現(xiàn)端面密封；為提高泵筒硬度及耐磨性能，泵筒內(nèi)壁鍍鉻處理，絲扣部位采用液體共滲處理；為提高泵筒防垢、密封效果，泵筒底部采用雙套固定閥，降低了固定閥漏失量。通過(guò)以上改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)沖程抽油泵同軸度小于0.03 mm，密封等級(jí)1級(jí)，柱塞長(zhǎng)1.2 m，井下運(yùn)行穩(wěn)定性與普通抽油泵相近。

1.3 柔性抽油桿

超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)沖程運(yùn)行主要是因?yàn)榈孛嫒嵝猿橛蜅U在滾筒內(nèi)盤繞與井下超長(zhǎng)沖程抽油泵配套舉升[2]。經(jīng)過(guò)逐步優(yōu)化改進(jìn)，柔性抽油桿采用直徑16 mm鋼絲繩，外部編織鋼絲網(wǎng)，涂覆高分子材料，以提高耐磨、抗腐蝕性能，利于井口密封。鋼絲繩接頭采用壓接方式，置于密封腔內(nèi)與抽油桿連接。

1.4 抽油桿柱配比優(yōu)化

從降低運(yùn)行載荷、提高系統(tǒng)效率方面考慮，使用線密度小的鋼絲繩比普通抽油桿更有優(yōu)勢(shì)，但是在抽油機(jī)下沖程時(shí)抽油桿受上浮力、反向摩擦力和液體黏滯阻力的作用，為保證抽油泵正常工作普通抽油桿長(zhǎng)度不能過(guò)短，因此通過(guò)理論計(jì)算確定超長(zhǎng)沖程井合理?xiàng)U柱配比經(jīng)驗(yàn)公式[3-5]。

抽油桿上浮力、鋼絲繩上浮力、抽油桿自身重力分別為

圖1 超長(zhǎng)沖程采油技術(shù)地面部分

圖2 超長(zhǎng)沖程抽油泵結(jié)構(gòu)

式中：F浮桿——抽油桿上浮力，N；

F繩浮——鋼絲繩上浮力，N；

d——抽油桿直徑，mm；

d1——鋼絲繩直徑，mm；

h——抽油桿長(zhǎng)度，m；

H——抽油泵下泵深度，m；

G桿——抽油桿自身重力，N；

ρ——井筒內(nèi)液體密度，kg/m3；

ρ桿——抽油桿密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2。

忽略抽油桿法向摩擦力和液體黏滯阻力為

將式（1）、（2）、（3）代入式（4），求得超長(zhǎng)沖程采油井合理抽油桿柱配比經(jīng)驗(yàn)公式為

其中式（5）適用于泵深小于2000 m，日產(chǎn)液量小于10 t的非稠油采油井。設(shè)定下泵深度為1000 m，鋼絲繩直徑為28 mm，井筒內(nèi)液體密度為1000kg/m3，抽油桿直徑為22mm，密度為7800kg/m3，將設(shè)定數(shù)值帶入式（5），求得h為192.4 m。

若考慮抽油桿法向摩擦力和液體黏滯阻力等，為保證抽油泵正常工作還要把抽油桿長(zhǎng)度乘以安全系數(shù)；直線度好、下沖程速度慢、液體黏度低的采油井可以取較小的安全系數(shù)，反之要取較大的安全系數(shù)；建議安全系數(shù)的取值范圍為1.5～2，則22 mm抽油桿長(zhǎng)度為289～385 m[6]。

2 節(jié)能機(jī)理

2.1 研究試驗(yàn)

在超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)井上（泵深854 m），測(cè)試了動(dòng)液面分別在252、380、510 m條件下，電流、功率、能耗等電參數(shù)，計(jì)算超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)泵效、系統(tǒng)效率等數(shù)據(jù)（表1），并評(píng)價(jià)了超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的運(yùn)行效率及工作性能[7]。

對(duì)超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)的工作效率及工作性能的評(píng)價(jià)可以從以下4個(gè)方面分析：

1）泵效。應(yīng)用超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)后，在動(dòng)液面252、380、510 m三種條件下，測(cè)試產(chǎn)液量及動(dòng)液面，隨著動(dòng)液面的增加，泵效有所降低，但泵效均大于83%，表明超長(zhǎng)沖程抽油泵工作性能較好。

2）系統(tǒng)效率。隨著動(dòng)液面加深，系統(tǒng)效率顯著增加。當(dāng)液面達(dá)到510 m時(shí)，系統(tǒng)效率達(dá)到40%左右，如果進(jìn)一步加深系統(tǒng)效率能夠達(dá)到更高水平，表明超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)系統(tǒng)具有較高的效率；且該抽油機(jī)雖未配置平衡重，但在下沖程時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)做負(fù)功可以給電動(dòng)機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能通過(guò)回饋單元并入電網(wǎng)可繼續(xù)使用，在一定程度上可降低無(wú)平衡能耗損失與地面?zhèn)鲃?dòng)能耗損失。

表1 超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)在不同動(dòng)液面下參數(shù)變化情況

3）沖程損失小。當(dāng)滿足1000m泵掛，外徑44mm抽油泵，直徑19 mm抽油桿，油井沉沒(méi)度200 m的條件時(shí)，抽油桿理論伸長(zhǎng)量（即沖程損失）計(jì)算公式為

式中：ΔL——抽油桿理論伸長(zhǎng)量，m；

L——抽油機(jī)沖程，m；

E——彈性模量，MPa。

通過(guò)計(jì)算，常規(guī)抽油機(jī)沖程3 m時(shí)，沖程損失為0.20 m，沖程損失率為6.7%；超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)沖程50 m時(shí)，沖程損失為0.14 m，沖程損失率為0.28%。

4）運(yùn)行次數(shù)減少。超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)可長(zhǎng)期勻速、平穩(wěn)運(yùn)行，根據(jù)采油井供液能力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停機(jī)間歇采油。對(duì)于排量5 m3/d的采油井，應(yīng)用常規(guī)抽油機(jī)沖速數(shù)每天可達(dá)5760次，超長(zhǎng)沖程抽油機(jī)每天僅58次，既能達(dá)到高效節(jié)能的目的，又使桿管磨損次數(shù)大幅降低。

2.2 適應(yīng)井況分析

超長(zhǎng)沖程節(jié)能采油技術(shù)適合日產(chǎn)液量小于2 t的抽油機(jī)井，地層供液嚴(yán)重不足，舉升系統(tǒng)能耗高、桿管偏磨嚴(yán)重。這類井應(yīng)用超長(zhǎng)沖程節(jié)能舉升采油技術(shù)，采用外徑44 mm泵徑，50 m沖程間歇采油，日運(yùn)行次數(shù)不足60次，沖速可降至0.04 min-1，舉升系統(tǒng)效率高，能有效緩解桿管偏磨。

超長(zhǎng)沖程節(jié)能采油技術(shù)不適合在結(jié)蠟、結(jié)垢嚴(yán)重的區(qū)塊應(yīng)用。結(jié)垢嚴(yán)重井易導(dǎo)致活塞卡死泵筒，作業(yè)時(shí)鋼絲繩不同于抽油桿無(wú)法倒扣起出，易將整根鋼絲繩報(bào)廢，作業(yè)成本高；結(jié)蠟嚴(yán)重井還易導(dǎo)致上沖程時(shí)鋼絲繩載荷增大，降低鋼絲繩使用壽命，下沖程載荷變小，柔性鋼絲繩下行易遇阻，影響運(yùn)行時(shí)率。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

自2015年以來(lái)，在頭臺(tái)油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用40口超長(zhǎng)沖程采油井，其生產(chǎn)參數(shù)如表2所示，平均單井日產(chǎn)液量為1.4 t，與改造前抽油機(jī)井對(duì)比，改造后平均單井沖程提高47 m，沖速降至0.04 min-1，泵效提高18.8個(gè)百分點(diǎn)，單井日節(jié)電量87.8 kWh，噸液舉升耗電量減少71.5 kWh，系統(tǒng)效率提高6.1個(gè)百分點(diǎn)。

表2 超長(zhǎng)沖程采油井改造前后對(duì)比

4 結(jié)論

1）超長(zhǎng)沖程節(jié)能采油技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)沖程特低沖速方式生產(chǎn)，與常規(guī)抽油機(jī)對(duì)比，節(jié)電效果顯著。日運(yùn)行次數(shù)大幅降低、系統(tǒng)效率提升明顯，有效緩解了低產(chǎn)井桿管偏磨嚴(yán)重的問(wèn)題。

2）外圍采油廠產(chǎn)液量2 t以下的采油井共有6790口，該技術(shù)具有較強(qiáng)的適用性，可廣泛用于外圍各采油廠低產(chǎn)低效井，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

3）經(jīng)過(guò)幾年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與技術(shù)改進(jìn)，超長(zhǎng)沖程節(jié)能采油技術(shù)已逐步完善，目前存在的主要問(wèn)題是柔性抽油桿使用壽命短及井口密封性差。建議下步加強(qiáng)柔性抽油桿及盤根盒的技術(shù)改進(jìn)。

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