煤層氣用小型超低沖次抽油機(jī)的研制及應(yīng)用

劉鐵夫，郭云龍，徐 征

（1.中油集團(tuán)渤海石油裝備有限公司采油裝備制造分公司河北華油一機(jī)抽油機(jī)有限公司，河北滄州 062658；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠華油一機(jī)（河北）鉆井裝備有限公司，河北滄州 062658）

0 引言

與天然氣、石油等資源相比，煤層氣的開(kāi)采有著獨(dú)特特點(diǎn)：①埋藏煤層氣的地層深度較淺，壓力和溫度不高，煤巖普遍缺乏良好的吸附性能以及產(chǎn)水量；②產(chǎn)出的煤層水中含有部分煤粉或壓裂砂等固體顆粒；③針對(duì)供采關(guān)系來(lái)說(shuō)，在煤層氣田中通過(guò)連續(xù)對(duì)動(dòng)液面的穩(wěn)定下降，能夠代替常規(guī)方式，維持供采平衡；④針對(duì)運(yùn)行控制，通過(guò)對(duì)沉沒(méi)度和排量的減少，長(zhǎng)期穩(wěn)定地對(duì)其進(jìn)行持續(xù)控制。

隨著油田開(kāi)發(fā)的逐步深入，我國(guó)大多數(shù)油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)的中后期，加之我國(guó)加大了對(duì)低壓、低滲、低豐度油田及煤層氣等的開(kāi)發(fā)力度。尤其是煤層氣的開(kāi)采，井供液不足、單井產(chǎn)量低已經(jīng)成為當(dāng)代油田開(kāi)采的新常態(tài)。目前，各大油田的開(kāi)發(fā)開(kāi)采工藝已經(jīng)從開(kāi)發(fā)初期的高沖次調(diào)整為現(xiàn)在的低沖次乃至超低沖次，目的是減小空抽等對(duì)抽油桿、抽油泵及套管的磨損，提高泵效，延長(zhǎng)檢泵周期。根據(jù)結(jié)果得知：在特定范圍內(nèi)對(duì)沖次的降低，基本能夠保持產(chǎn)量不下降，同時(shí)能夠提升泵的效率和檢查周期，大幅減少日耗電量，進(jìn)而提升抽油機(jī)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

合理優(yōu)化參數(shù)、降低抽油機(jī)沖次的方法已經(jīng)得到各大油田的認(rèn)可。尤其是低成本開(kāi)發(fā)的大前提下，設(shè)計(jì)適合非常規(guī)天然氣井工況的抽油機(jī)，避免“大馬拉小車”。

1 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)例

如果其他參數(shù)不變，針對(duì)工作狀態(tài)下的抽油機(jī)井，通過(guò)調(diào)整沖次，以及監(jiān)測(cè)地面示功圖、產(chǎn)液量及動(dòng)液面在各油井變化情況，能夠得知沖次頻率，能夠從整體上極大影響抽油機(jī)系統(tǒng)的效率。因此，以下分析研究了原測(cè)試儀表系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。1998 年11月5 日，衛(wèi)2-5 馬寨油田井的測(cè)試數(shù)據(jù)：如果將原本6.3 次/min的沖次下降到4.05 次/min，油井原生產(chǎn)量保持不變，然而卻降低了最大荷載，上升了最小荷載，交變應(yīng)力和輸入功率分別減小了9.99 kN 和27 kW。同一時(shí)期測(cè)試了衛(wèi)2-61、95-42 和11-33井，得到了相似結(jié)果。發(fā)現(xiàn)文15-78 井泵沒(méi)有充滿，因此，將原本5 次/min 的沖次下降到4 次/min，產(chǎn)液量沒(méi)有出現(xiàn)變化，充滿泵時(shí)系數(shù)得到了提升，輸入功率下降5 kW，抽油機(jī)平衡度上升0.1，基本能夠協(xié)調(diào)生產(chǎn)。測(cè)試各口井系統(tǒng)后能夠得知，應(yīng)當(dāng)存在一個(gè)恰當(dāng)?shù)臎_次，不僅能夠使抽油機(jī)井達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)液量，還能夠使系統(tǒng)保持一定的效率。特別是針對(duì)液量、泵效率較低的油井，合理調(diào)低沖次、提升系統(tǒng)效率，以及降低開(kāi)采成本是較為可行的。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

2.1 江蘇油田

江蘇油田通過(guò)降低沖次的重要思路，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化參數(shù)，以及提升體系效率等。2002 年，中原油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)了5 個(gè)采油廠的33 口井。根據(jù)效果統(tǒng)計(jì)得知：系統(tǒng)平均效率從原來(lái)的25.36%提高到了41.64%，提高了16.28%；輸入功率由11.47 kW 下降到8.58 kW；31 口井每年節(jié)電量達(dá)到82.4×104kW·h，節(jié)電率25%；沖次由原來(lái)5.22 次/min 的平均值減少為3.73 次/min；產(chǎn)液量從20.1 t/d 上升到23.3 t/d；泵的效率提升6.98%。分析33口井后得知：其中泵徑增大的井有21 口，占63.6%；泵的深度沒(méi)有改變或加大了。

2.2 勝利油田河口采油廠

某廠在河口采用的大北低滲抽油機(jī)，在油田中的平均泵深、平均單井日產(chǎn)液以及綜合含水量分別為1800～1900 m、10.7 t、54.4%。通過(guò)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)沖次的減少。針對(duì)有潛力的抽油井，首先需要根據(jù)相關(guān)方案對(duì)不動(dòng)管柱進(jìn)行施工，等到需要對(duì)油井進(jìn)行作業(yè)時(shí)，再根據(jù)相關(guān)方案對(duì)動(dòng)管柱進(jìn)行施工。截至2003 年5 月，共對(duì)270 口井進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)152 口井進(jìn)行了施工。通過(guò)對(duì)30 口井的對(duì)比，得到以下數(shù)據(jù)：總共對(duì)15 口井進(jìn)行了動(dòng)管柱施工。其中，泵徑加大、不變以及減小的井?dāng)?shù)量分別為7 口、7 口、1 口；通過(guò)對(duì)所有沖次的調(diào)小，平均減小量、平均增加的產(chǎn)液量、系統(tǒng)平均提升效率以及提高幅度分別為2.47 次/min、1.5 t/d、11.44%、5.1%～19.81%。對(duì)15 口井進(jìn)行了不動(dòng)管柱施工，平均沖次值從4.74 次/min 下調(diào)到2.21 次/min；產(chǎn)液量基本不變，平均增加0.03 t/d；系統(tǒng)效率由平均17.8%上升到23.98%，提高幅度3.30%～8.93%。有著可觀經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于沖次的具體調(diào)節(jié)值，需要從供排協(xié)調(diào)、產(chǎn)液量以及生產(chǎn)壓差等方面，對(duì)油井進(jìn)行綜合的計(jì)算才能夠確定。采油廠通過(guò)應(yīng)用“臨界沖次點(diǎn)技術(shù)”，能夠合理確定沖次目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電速度的降低，就需要對(duì)舊機(jī)電進(jìn)行改造，或是增加減速器，這一方法具有借鑒意義。2003 年9—10 月，中原油田四廠通過(guò)應(yīng)用該技術(shù)，試驗(yàn)了幾口產(chǎn)液量在5 t/d 以下并且供液長(zhǎng)時(shí)間不足的油井。

2.3 勝利油田臨盤采油廠

某廠將減速器應(yīng)用到抽油機(jī)后，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)。根據(jù)效果得知，其在耗電量、啟動(dòng)以及運(yùn)行平穩(wěn)性方面具有一定優(yōu)勢(shì)。截至2002 年11 月，將其應(yīng)用在320 口油井，每口井達(dá)到了10%～70%的有功節(jié)電率。以下為實(shí)施前后13 口井的對(duì)比數(shù)據(jù)：沖次平均下降2.3 次/min；平均產(chǎn)液量下降0.15 t/d，泵效由平均17.98%提高到36.46%；平均日耗電降低35.4%，單井日平均節(jié)電72.4 kW·h。該技術(shù)節(jié)能效果顯著，對(duì)成本的要求不高，維護(hù)保養(yǎng)較為簡(jiǎn)便，并且沖次在降低后，機(jī)械故障率減少，管桿壽命延長(zhǎng)，油井在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)免修，節(jié)約了成本。

3 沖次調(diào)小的意義及策略

3.1 意義

近年，抽油機(jī)井工作條件發(fā)生變化：開(kāi)發(fā)目標(biāo)由原來(lái)的中高滲透油藏轉(zhuǎn)變?yōu)榱说蜐B透油藏。低滲透油藏生產(chǎn)壓差較大，大部分抽油機(jī)井在流壓比飽和壓力更低的井底工作；低滲油層的啟動(dòng)對(duì)生產(chǎn)壓差有著較大要求，然而進(jìn)一步提升生產(chǎn)壓差會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量的增加逐漸變小。并且由于井底流壓的不斷減小，井底周邊的地層滲透率會(huì)降低，還有可能降低產(chǎn)量。進(jìn)而逐漸加大泵掛深度。2002 年，中原油田抽油井的泵掛平均深度達(dá)到了1271.5 m，泵效為46.37%。中原油田的平均泵深為664.2 m，。過(guò)大的泵掛深度使得抽油系統(tǒng)工作條件惡化，抽油桿極易由于下部彎曲導(dǎo)致桿出現(xiàn)磨損。中原油田已經(jīng)對(duì)40%左右的定向斜井、側(cè)井進(jìn)行了鉆井，在江蘇油田中達(dá)到了70%～80%。會(huì)加大抽油桿、油管以及套管之間的磨損概率，必定會(huì)加大偏磨程度。因此需要使用更多的長(zhǎng)沖程抽油機(jī)。根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果得知，在沖次相同情況下，4.8 m 沖程與3 m 沖程相比，行程的瞬時(shí)速度在上下部的最大增加值為37%～38%，會(huì)導(dǎo)致管、桿出現(xiàn)更加嚴(yán)重的磨損。此外，分析壽命頻次得知，假設(shè)抽油桿有著“107 次”的壽命，也就是19/n 年。調(diào)小沖刺后，也會(huì)降低頻次，同時(shí)也會(huì)減小其交變應(yīng)力，能夠給具有更小沖刺率的抽油桿帶來(lái)更大的壽命延長(zhǎng)率?？茖W(xué)合理地調(diào)小沖次后，抽油機(jī)能夠獲得更好的抽油能力，改善系統(tǒng)的受力狀況，使油井具備更高的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 實(shí)施方法

河口采油廠通過(guò)研究或引進(jìn)“臨界沖次點(diǎn)技術(shù)”，使抽油機(jī)井獲得了更加合理的沖次；通過(guò)調(diào)試不同頻率的沖次，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖次最佳值的尋找。在現(xiàn)場(chǎng)綜合分析示功圖、動(dòng)液面以及產(chǎn)液量等資料，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定沖次，在實(shí)施過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤調(diào)整。由于大部分抽油機(jī)已經(jīng)具備了與原拖動(dòng)系統(tǒng)配置接近的最小沖次參數(shù)，因此井只有通過(guò)改造后才能夠投入使用。需要采用相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步完善改造12 極、16 極電機(jī)，在抽油機(jī)中對(duì)減速器進(jìn)行引進(jìn)或加工。

調(diào)小沖次會(huì)導(dǎo)致管、桿出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，此外，還需要在出砂生產(chǎn)階段對(duì)生產(chǎn)壓差進(jìn)行控制。通過(guò)調(diào)小沖次對(duì)參數(shù)的優(yōu)化，能夠作為提升其系統(tǒng)效率的一種技術(shù)，可以共同實(shí)施。針對(duì)有系統(tǒng)效率提升潛力的井，需要做好對(duì)不動(dòng)管柱和動(dòng)管柱兩套方案的設(shè)計(jì)。首先，需要根據(jù)相關(guān)方案對(duì)不動(dòng)管柱進(jìn)行施工，等到需要對(duì)泵進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，再根據(jù)相關(guān)方案對(duì)管柱進(jìn)行施工。雖然減速裝置結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，但是具有較高效率。由于增加相關(guān)環(huán)節(jié)，需要根據(jù)松緊度對(duì)皮帶進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，并對(duì)其進(jìn)一步保養(yǎng)維護(hù)。根據(jù)相關(guān)參數(shù)調(diào)小不動(dòng)管柱后，會(huì)導(dǎo)致部分井出現(xiàn)液量稍許下降。沖次調(diào)小后，會(huì)加大泵與泵之間的隙漏，可以通過(guò)增加活塞長(zhǎng)度進(jìn)行彌補(bǔ)，由1.2 m 向1.5 m 或1.8 m 進(jìn)行加長(zhǎng)，采油四廠在這方面已經(jīng)有著成熟經(jīng)驗(yàn)。此外，頻次減少后，也能夠減少柱塞與泵筒之間的磨損。桿泵失效主要是由于油管漏失導(dǎo)致。油管絲長(zhǎng)期工作會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)而導(dǎo)致滲漏。調(diào)小沖次后，能夠延長(zhǎng)漏失油管的失效時(shí)間，使油管具備更長(zhǎng)的使用期限，為油井提供一定免修期。近年，通過(guò)使用皮帶式抽油機(jī)等塔式抽油機(jī)，沖程達(dá)到5.0～7.3 m，該設(shè)備自身具有節(jié)能特征。其懸點(diǎn)不僅能夠在上死點(diǎn)和下死點(diǎn)進(jìn)行換向，并且能夠保持勻速運(yùn)動(dòng)，不需要慣性就能夠通過(guò)大沖程、小沖刺進(jìn)行抽油，因此，可以擴(kuò)大使用面。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

（1）抽油機(jī)在工作狀態(tài)下，系統(tǒng)工況受到的最大影響來(lái)自于沖次，在抽油機(jī)中通過(guò)科學(xué)合理調(diào)小沖次，能夠使泵和相關(guān)系統(tǒng)具備更高效率，節(jié)約電能，減少管、桿、油管、套管之間磨損，使管、桿或油井具備更長(zhǎng)壽命。延長(zhǎng)泵的檢驗(yàn)周期，使油井維護(hù)變得更加簡(jiǎn)便。

（2）通過(guò)減小沖次和增大泵徑，能夠使系統(tǒng)具備更高的效率。因此，需要根據(jù)油藏性質(zhì)、相關(guān)設(shè)備等因素，綜合考慮泵掛深度，并且需要結(jié)合抽油系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)條件，參數(shù)組合的趨向是“沖次最小化、沖程最大化、泵徑較大化、泵深合理化”。