抽油機(jī)井沉沒度優(yōu)化分析與治理

熊雪（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

在油田生產(chǎn)管理和方案優(yōu)化中，油井沉沒壓力及其所對應(yīng)的沉沒度是機(jī)采系統(tǒng)性能評價(jià)的重要指標(biāo)。有桿泵系統(tǒng)在抽汲油氣水混合流體時(shí)，需要保持一定的沉沒度。油井的沉沒度過低，抽油泵處于供液不足狀態(tài)，供排不合理，而且容易發(fā)生液擊現(xiàn)象，降低地面設(shè)備使用壽命。如果沉沒度過高，一些薄差油層出液受到抑制，增大層間矛盾，降低油井產(chǎn)量，最終影響系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

沉沒度影響因素包括油藏物性參數(shù)、流體性質(zhì)、地層污染程度、泵深、抽油機(jī)抽汲參數(shù)以及生產(chǎn)工作制度等等，需要綜合考慮和優(yōu)化。針對抽油機(jī)井不合理沉沒度優(yōu)化方法和治理措施開展了綜合分析和評價(jià)，給出了合理的使用范圍和建議。

1 油井沉沒度優(yōu)化方法

1.1 井底流壓最優(yōu)

井底流壓與沉沒度存在以下對應(yīng)關(guān)系：

式中：Pwf為井底流動(dòng)壓力，MPa；Pc為套壓，MPa；ρg為氣體密度，kg/m3；Hf為動(dòng)液面深度，m；ρo為氣體密度，kg/m3；ρm為油氣水三相混合密度，kg/m3；Hpump為下泵深度，m；Hr為油層平均中部深度，m；g為重力加速度，m/s2。

根據(jù)井筒內(nèi)油氣兩相流的滲流規(guī)律來看，滿足Vogel方程[1]。

根據(jù)Vogel 方程繪制油井產(chǎn)量與井底流壓關(guān)系曲線，如圖1所示。隨著沉沒度的降低，井底流壓隨之降低，油井產(chǎn)量不斷增大。當(dāng)沉沒度降到一定程度時(shí)，井底流壓等于飽和壓力，原油產(chǎn)量達(dá)到最大值。沉沒度繼續(xù)降低，井底流壓低于飽和壓力，油井產(chǎn)量反而降低。即這一流壓值對應(yīng)的沉沒度即為最佳沉沒度。王俊魁等[1-2]綜合考慮了地層壓力、飽和壓力和原油物性參數(shù)及含水率等因素，給出了油氣水三相存在時(shí)的井筒滲流規(guī)律，從而確定了油井產(chǎn)量最佳時(shí)對應(yīng)的合理沉沒度。

圖1 油井產(chǎn)量與井底流壓的關(guān)系曲線

以合理流壓為目標(biāo)的沉沒度優(yōu)化方案，最終目標(biāo)函數(shù)是實(shí)現(xiàn)理論產(chǎn)量最大化，并未考慮系統(tǒng)能耗、泵效和增加投資等其他因素，適用于油藏定性分析，為規(guī)劃方案編制提供參考。

1.2 泵效最優(yōu)

沉沒度表示動(dòng)液面距泵吸入口的距離，可以反映出泵吸入口壓力大小。沉沒度對泵效有正面和負(fù)面的影響，一方面，隨著沉沒度的增加，泵吸入口壓力增大，氣體影響減小，增加泵效；另一方面，沉沒度增大，流壓增大，抑制地層出液，反而降低泵效。總的來說，對于氣體影響較小的情況，適當(dāng)提高沉沒度，是有利于提高泵效的。

長慶油田楊曉輝等[3-4]人考慮了不同含水級別情況下泵效隨沉沒度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)泵效隨著沉沒度的增加而增加，當(dāng)沉沒度增至某值時(shí)，泵效曲線不再上升，油井最佳沉沒度為250～300 m；相同沉沒度情況下，泵效隨著含水率的增加而增加。

劉漢成[5]在認(rèn)定地層供液能力與生產(chǎn)能力相匹配前提下，從沖程損失、充滿系數(shù)與沉沒度的關(guān)系入手，推導(dǎo)出了泵效與沉沒度的計(jì)算表達(dá)式，對機(jī)采系統(tǒng)的沉沒度給出了最優(yōu)選擇。

國外油田以泵效和產(chǎn)量最大化為機(jī)采井的優(yōu)化目標(biāo)， 美國lufkin 公司針對低產(chǎn)井開發(fā)了“Pump-off Control Technology”，主要是通過抽油機(jī)井下功圖分析處理，自動(dòng)監(jiān)測抽油泵充滿度，通過泵效最優(yōu)化來控制沉沒度，可有效提高設(shè)備使用壽命和油井運(yùn)行效率[6-8]。

以泵效為目標(biāo)的沉沒度優(yōu)化方案，綜合考慮了抽汲參數(shù)、氣影響、沉沒壓力等因素，對于低沉沒度油井治理具有很好的借鑒意義，便于開展以動(dòng)液面和合理沉沒度為目標(biāo)的自動(dòng)變速優(yōu)化運(yùn)行，智能化程度較高[9-10]。

1.3 系統(tǒng)效率最優(yōu)

有桿泵抽油機(jī)系統(tǒng)效率等于舉升井液過程中消耗的有效功率與系統(tǒng)輸入功率的比值。

式中：ηs為有桿泵系統(tǒng)效率，%；Pw為舉升井液過程中消耗的有效功率，kW；Pin為系統(tǒng)輸入功率，kW；Q為油井產(chǎn)液量，m3/d；ρ為油井產(chǎn)出液密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2；Hpump為下泵深度，m；Hls為沉沒度，m；Po為油壓，MPa；Pc為套壓，MPa。

有桿泵系統(tǒng)效率取決于損失功率與輸入功率之比，即損失功率越大，系統(tǒng)效率越低，反之系統(tǒng)效率越高。損失功率由電動(dòng)機(jī)、皮帶、減速箱、換向機(jī)構(gòu)、盤根盒、抽油泵和管柱八個(gè)部分損失組成[11]。有桿泵抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)混合離散變量最優(yōu)化問題，變量有沉沒度、泵徑、沖程、沖速等，其中沉沒度(泵深)為連續(xù)變量，泵徑、沖程、沖速為離散變量。建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

林日億等[12]發(fā)現(xiàn)隨著沉沒度增加，抽油機(jī)泵效和系統(tǒng)效率先增大后減小，但是，泵效和系統(tǒng)效率對應(yīng)的沉沒度是不同的，這表明最高的泵效不是最經(jīng)濟(jì)有效的采油參數(shù)，為了降本增效，需要犧牲個(gè)別設(shè)備環(huán)節(jié)效率來達(dá)到整體效率最優(yōu)。王喜梅等[13]以系統(tǒng)效率最高為優(yōu)化目標(biāo)，給出了含水率低于40%、含水率40%～70%、含水率高于70%三個(gè)級別下最佳沉沒度的計(jì)算方法。

在滿足生產(chǎn)工藝和設(shè)備的條件下，機(jī)采井系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)沉沒度是提高機(jī)采系統(tǒng)效率行之有效的方法。

1.4 經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)

在油井生產(chǎn)過程中，氣體存在對泵效影響很大，為減少氣影響，需要增加沉沒度。有效手段之一是增加泵掛深度。一方面增達(dá)泵深，可以減少自由氣的影響，提高產(chǎn)量。另一方面增加下泵深度還消耗了多余的抽油桿和油管，提高了抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷和電動(dòng)機(jī)的容量，還增加了抽油桿的斷脫事故和井下維修成本，因此，需要綜合考慮投入產(chǎn)出來確定最佳沉沒度。

張彥廷等[14]以系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)函數(shù)探討了沉沒度的優(yōu)化方案，研究認(rèn)為，以系統(tǒng)效率為目標(biāo)函數(shù)確定泵的合理下泵深度（或沉沒度），有利于節(jié)約電能，雖然整套抽油設(shè)備系統(tǒng)效率最高，其經(jīng)濟(jì)效益卻并沒有達(dá)到最高值。以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)函數(shù)確定的沉沒度和合理的下泵深度，可較明顯地提高經(jīng)濟(jì)效益。韓文瓊[15]綜合考慮了優(yōu)化泵掛后節(jié)省產(chǎn)液單耗、節(jié)約桿管材料等因素，實(shí)現(xiàn)以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的沉沒度優(yōu)化。

以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)開展沉沒度優(yōu)化，評價(jià)方法考慮因素和評價(jià)過程十分繁瑣復(fù)雜，不適合于現(xiàn)場單井實(shí)際操作。

2 抽油機(jī)井沉沒度治理措施

2.1 抽油機(jī)參數(shù)調(diào)整

2.1.1 抽汲參數(shù)調(diào)整

抽油機(jī)參數(shù)調(diào)整主要通過沖程、沖速、泵徑三方面開展。常規(guī)游梁式抽油機(jī)沖程調(diào)節(jié)需要人工調(diào)整曲柄銷位置，以CYJY-10-37HB型抽油機(jī)為例，沖程范圍為3 m、2.5 m、2 m，調(diào)整范圍較窄。泵徑調(diào)整，在檢泵作業(yè)過程中，根據(jù)油井出液能力和沉沒度大小，實(shí)施換大泵徑或者換小泵徑調(diào)整方案。傳統(tǒng)的沖速調(diào)節(jié)方式是更換皮帶輪，但操作復(fù)雜，工作量大，而且沖速范圍有限。近年來，抽油機(jī)變頻裝置得到廣泛應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)沖速無級變速，同時(shí)配套動(dòng)液面和示功圖等監(jiān)測手段，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速運(yùn)行，可靠性和智能化程度高。

理論分析和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明，“長沖程、大泵徑、低沖速”能夠有效改善懸點(diǎn)最大載荷和交變載荷，提高油井泵效和系統(tǒng)效率[16-17]。因此，在油井參數(shù)調(diào)整過程中，建議選取較大沖程、較大泵徑，盡量調(diào)整沖速來進(jìn)行沉沒度優(yōu)化。

2.1.2 工作制度調(diào)整

對于低產(chǎn)機(jī)采井，地層供液能力不足，常規(guī)抽油機(jī)抽汲參數(shù)偏大，經(jīng)常發(fā)生沉沒度過低和抽油泵供液不足情況，造成泵效和系統(tǒng)效率低、地面設(shè)備沖擊大和機(jī)采能耗高等問題。因此，間歇采油的工作制度被廣泛采用，例如停機(jī)16 h，運(yùn)行8 h。雖然這種大間隔間歇采油的方式能夠一定程度緩解沉沒度過低和供液不足情況，但人為執(zhí)行困難，動(dòng)液面波動(dòng)過大，影響產(chǎn)量。近年來，大慶油田先后開展了“小間隔”智能間抽技術(shù)的研究[18-19]，現(xiàn)場取得了較好的效果，為抽油機(jī)動(dòng)液面優(yōu)化調(diào)整提供了新思路。

2.2 油藏改造措施

油藏改造措施包括補(bǔ)孔、壓裂、堵水等。其中，補(bǔ)孔目的是為了完善注采關(guān)系，提高薄差層的動(dòng)用程度，提高油井油壓和動(dòng)液面水平。堵水治理對象是高含水層，可減緩平面及層間矛盾，降低流壓和沉沒度，改善低含水層出液，實(shí)現(xiàn)油井降水提油的目的。當(dāng)?shù)貙幽承游挥捎跐B透率低或油層堵塞導(dǎo)致不出油，而該層又有較可觀的采油效果時(shí)，可考慮對油井進(jìn)行壓裂。油井壓裂后，可明顯提高供液能力，在提升產(chǎn)量的同時(shí)，也可使沉沒度升高。

2.3 油水井對應(yīng)調(diào)壓

對應(yīng)調(diào)壓技術(shù)就是油井根據(jù)井層含水率情況采取調(diào)整沉沒度，水井根據(jù)注水壓力調(diào)整情況調(diào)整注水方案，達(dá)到提高動(dòng)用厚度，改善層間及平面矛盾，實(shí)現(xiàn)油井優(yōu)化運(yùn)行的目的[20]。對應(yīng)調(diào)壓技術(shù)以井組為基本調(diào)整單元，以井組整體開發(fā)現(xiàn)狀分析為條件，在確定區(qū)塊及單井合理流壓的前提下，對“低含水井”開展調(diào)整泵深、調(diào)參、換泵等手段降低流壓，增大生產(chǎn)壓差，改善低含水薄差油層的動(dòng)用程度；同時(shí)，對“高含水井”開展間抽措施增大流壓，降低生產(chǎn)壓差。通過“提壓”與“降壓”相結(jié)合的手段，最大限度抑制高含水層出液，增強(qiáng)低含水、薄差油層平面及層間動(dòng)用程度，實(shí)現(xiàn)井組整體增油、降水的目的[21]。

該技術(shù)以井組為治理對象，以油水井壓力對應(yīng)調(diào)整作為治理手段，綜合考慮了平面和層間矛盾，提高了薄差層的動(dòng)用程度，改變了以往通過調(diào)整油井抽汲參數(shù)來進(jìn)行沉沒度優(yōu)化的單一手段，具有很好的借鑒作用。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

在某油田某區(qū)塊選取28 口油井，分別開展油井調(diào)參、油井措施和油水井對應(yīng)調(diào)壓三種治理措施的沉沒度優(yōu)化試驗(yàn)。如表1所示，以系統(tǒng)效率作為沉沒度優(yōu)化指標(biāo)，調(diào)參效果最差，系統(tǒng)效率僅提高了0.94%，油井措施效果最佳，提高系統(tǒng)效率4.72%，油水井對應(yīng)調(diào)壓技術(shù)介于兩者之間，提高了2.59%。但是，補(bǔ)孔、壓裂等措施必須滿足一系列苛刻的選井條件，而且措施成本較高，而油水井對應(yīng)調(diào)壓適應(yīng)性較廣，幾乎沒有措施成本，因此，油水井對應(yīng)調(diào)壓技術(shù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，可在現(xiàn)場應(yīng)用推廣。

4 結(jié)論及認(rèn)識

1）通過分析整理，總結(jié)了抽油機(jī)井沉沒度優(yōu)化方法主要有四種：合理流壓、最佳泵效、最佳系統(tǒng)效率和最佳經(jīng)濟(jì)效益。以經(jīng)濟(jì)效益為優(yōu)化目標(biāo)最全面客觀，但考慮因素過于繁瑣，建議采用最佳泵效和最佳系統(tǒng)效率的優(yōu)化方法，易于操作和評價(jià)，可靠性高。

2）在油井不合理沉沒度治理措施中，對應(yīng)調(diào)壓技術(shù)以井組為治理對象，以油水井壓力對應(yīng)調(diào)整作為治理手段，綜合考慮了平面和層間矛盾，是一種油水井綜合治理手段，具有很好的借鑒意義。

表1 沉沒度不同調(diào)整措施應(yīng)用效果

3）對比評價(jià)了調(diào)參、油井措施和油水井對應(yīng)調(diào)壓三種措施的現(xiàn)場應(yīng)用效果，綜合考慮系統(tǒng)效率、投資成本和適應(yīng)性等因素，結(jié)果表明油水井對應(yīng)調(diào)壓技術(shù)在沉沒度優(yōu)化方面適應(yīng)性最強(qiáng)，可應(yīng)用推廣。