低滲透油田抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

1、1問(wèn)題的提出大慶西部外圍低滲透油田具有“三低”特點(diǎn),油層埋藏深,按照常規(guī)方法選配抽油設(shè)備,造成載荷利用率低,系統(tǒng)效率低,電機(jī)功率利用率低,嚴(yán)重制約油田開發(fā)效益。分析原因主要有兩方面:一是外圍低滲透油田產(chǎn)液規(guī)律發(fā)生變化,油井產(chǎn)液量低,并且隨開發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng),產(chǎn)液量一般不增加或下降;二是抽油機(jī)和拖動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生了變化,目前應(yīng)用的節(jié)能抽油機(jī),其運(yùn)行特性和游梁抽油機(jī)有所不同,其峰值扭矩降低,如雙驢頭、下偏杠鈴抽油機(jī)等;拖動(dòng)裝置克服啟動(dòng)扭矩的性能提高了,如高滑差、高啟動(dòng)扭矩、永磁、雙功率電機(jī)等。為此,必須對(duì)低滲透油田抽油機(jī)選型技術(shù)進(jìn)行深入的研究,以滿足油田經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)的需要。2抽油機(jī)選型技術(shù)研究2.1

2、低滲透油田抽油機(jī)井產(chǎn)液、載荷變化趨勢(shì)研究2.1.1通過(guò)相滲透率曲線分析預(yù)測(cè)已投產(chǎn)低滲透油田產(chǎn)液變化規(guī)律油井的產(chǎn)液量是采液指數(shù)與生產(chǎn)壓差的乘積。由于低滲透油田投產(chǎn)后地層壓力下降很快,恢復(fù)起來(lái)十分困難,地層壓力保持水平不高,一般只有地層原始?jí)毫Φ?0%左右。因此,低滲透油田產(chǎn)液量變化主要受采液指數(shù)影響,通過(guò)采液指數(shù)變化規(guī)律的分析即可得出產(chǎn)液量變化規(guī)律,并且,當(dāng)采液指數(shù)最大值時(shí),產(chǎn)液量相應(yīng)取得極大值。無(wú)因次采液指數(shù)為某一含水下的采液指數(shù)與含水為零時(shí)的采液指數(shù)(即采油指數(shù)之比,是評(píng)價(jià)不同含水條件下油井采液能力的指標(biāo)。它只與儲(chǔ)層類型和油藏流體性質(zhì)有關(guān),不同儲(chǔ)層無(wú)因次采液指數(shù)隨含水的變化規(guī)律不同。無(wú)因次采

3、液指數(shù)隨含水的變化可由相滲透率曲線計(jì)算求得。產(chǎn)量計(jì)算公式為:油井產(chǎn)油量公式為:Q o =2k ro kh(p h -p w o lnr hr w(1油井產(chǎn)水量公式為:Q w =2k rw kh(p h -p w w lnr hr w(2含水率與相對(duì)滲透率的關(guān)系為:f w =11+k ro wk rw o(3無(wú)因次采液指數(shù)為:J D L =k ro +k rw ow(4由式(3和式(4可以繪制出無(wú)因次采液指數(shù)隨含水的變化曲線(見圖1。根據(jù)上述方法對(duì)已投產(chǎn)的龍虎泡等油田進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析(見圖2。低滲透油田抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用尹喜永,姜鳳軍,高連長(zhǎng),于守影,王欣欣(大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠,

4、黑龍江大慶163853摘要大慶西部外圍低滲透油田具有“三低”特點(diǎn),油層埋藏深,按照常規(guī)方法選配抽油設(shè)備,造成載荷利用率低,系統(tǒng)效率低,電機(jī)功率利用率低,嚴(yán)重制約油田開發(fā)效益。針對(duì)低滲透油田抽油機(jī)配置偏大,系統(tǒng)效率低、能耗高的問(wèn)題,通過(guò)理論研究和統(tǒng)計(jì)分析的方法研究產(chǎn)液指數(shù)的變化規(guī)律,進(jìn)而得出抽油機(jī)載荷的變化規(guī)律,調(diào)整低滲透油田抽油機(jī)選型技術(shù)界限;結(jié)合節(jié)能設(shè)備特性進(jìn)一步完善功率等計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用519口抽油機(jī)井,取得了較好效果,平均單井日節(jié)電60kW h ,單井系統(tǒng)效率提高了2.4個(gè)百分點(diǎn),年節(jié)電552×104kWh 。關(guān)鍵詞低滲透油田抽油機(jī)選型技術(shù)作者簡(jiǎn)介:尹喜永

5、,高級(jí)工程師,1990年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院開發(fā)系采油工程專業(yè),主要從事采油工程工作。E-mail:yinxiyong節(jié)能政策與技術(shù)106第12卷第3期2007年6月中外能源SINO-GLOBAL ENERGY圖1無(wú)因次采液指數(shù)隨含水的變化曲線采 液指數(shù) ;采油指數(shù)無(wú)因次采液(油指數(shù)無(wú)因次采液(油指數(shù)1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.0000.000 0.2000.4000.600 0.8001.000含水(a龍虎泡油田無(wú)因次采液(油指數(shù)與含水關(guān)系曲線無(wú)因次采液(油指數(shù)無(wú)因次采液(油指數(shù)(c龍南油田無(wú)因次采液(油指數(shù)與含水關(guān)系曲線0.0000.2000.4000.6

6、000.8001.000含水(b新站油田無(wú)因次采液(油指數(shù)與含水關(guān)系曲線1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.0000.0000.2000.4000.6000.8001.000含水1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.0000.0000.2000.4000.6000.8001.000含水(d新肇油田無(wú)因次采液(油指數(shù)與含水關(guān)系曲線1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.000圖2含水飽和度和油水相滲透率關(guān)系曲線油相相對(duì)滲透率;水相相對(duì)滲透率107第 3期尹喜永等.低滲透油田抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用油相相對(duì)滲透率油相相對(duì)

7、滲透率油相相對(duì)滲透率水相相對(duì)滲透率1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水飽和度,%(a龍虎泡油田相滲透率曲線1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10油相相對(duì)滲透率(b新站油田相滲透率曲線1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水飽和度,%1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10水相相對(duì)滲透率(c龍南油田相滲透率曲線1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水飽和度,%1.00.90.80.70.60.50.

8、40.30.20.10水相相對(duì)滲透率水相相對(duì)滲透率(d新肇油田相滲透率曲線1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水飽和度,%1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10從圖2可以看出,隨著含水飽和度的增大,油相滲透率下降很快,水相滲透率上升很慢,并且油水兩相流動(dòng)范圍很窄,殘余油下的水相滲透率很小。從圖1可以看出,含水100%時(shí),采液指數(shù)也小于無(wú)水期采液指數(shù)。初步分析1,主要影響因素有:油水黏度、潤(rùn)濕性、黏土礦物的水敏和鹽敏等,低滲透油層一般地下原油黏度比較低,油水黏度比小,巖石表面潤(rùn)濕性一般偏親水,束縛水飽和度較高;孔喉細(xì)小,

9、容易被礦物微粒堵塞等。2.1.2并不是生產(chǎn)壓差越大,產(chǎn)量越高從低滲透油井IPR曲線及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況看,流壓低于某個(gè)值(最小流壓后,產(chǎn)量隨生產(chǎn)壓差增大而下降。說(shuō)明不能用加深泵掛和放大生產(chǎn)壓差的方式來(lái)提高產(chǎn)量。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有3個(gè)因素2:一是當(dāng)井底流壓降到一定程度后,在近井地帶的油層中形成氣化液體滲流,使油相滲透率大幅下降。二是當(dāng)井底流壓降低后,儲(chǔ)層巖石發(fā)生彈性或塑性變形,使儲(chǔ)層滲透率下降。三是當(dāng)井底流壓降低后,溶解氣的稀釋效應(yīng)降低,原油黏度增加。2.1.3統(tǒng)計(jì)分析已投產(chǎn)低滲透油田產(chǎn)液及抽油機(jī)載荷變化規(guī)律對(duì)新肇油田20002005年抽油機(jī)井實(shí)際載荷、產(chǎn)液、含水變化情況進(jìn)行了調(diào)查分析。結(jié)果表明:平

10、均日產(chǎn)液由4.2t/d下降到2.6t/d,含水由12.5%上升到44.7%,平均最大載荷由42.5kN下降到31.0kN,新肇油田裝機(jī)額定載荷80kN,實(shí)際載荷利用率由53.1%下降到38.8%。2.1.4從龍虎泡油田提液穩(wěn)產(chǎn)試驗(yàn)分析低滲透油田提液的可行性19982001年在龍虎泡油田進(jìn)行提液穩(wěn)產(chǎn)試驗(yàn),平均單井日產(chǎn)液由9.7t/d增加到11.9t/d,日產(chǎn)油由3.6t/d下降到2.9t/d,綜合含水由62.9%上升到75.6%。雖然產(chǎn)液量有一定提高,但靠提液穩(wěn)產(chǎn)是不可行的。以上研究結(jié)果表明,對(duì)于低滲透油田:一是開發(fā)過(guò)程中,產(chǎn)液量不增加或增加幅度較小;二是通過(guò)提液或放大生產(chǎn)壓差來(lái)提高產(chǎn)量的可行性

11、較小;三是抽油機(jī)井初期負(fù)載是最大負(fù)載。2.2初期載荷、扭矩利用率研究按API標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)為3.3,軸件安全系數(shù)為5.0,以便滿足抽油機(jī)在特殊情況下(活塞卡、軸力與力偶等影響也不致發(fā)生事故。因此,根據(jù)選擇游梁式抽油機(jī)的原則,同時(shí)考慮到抽油機(jī)長(zhǎng)期可靠工作,低滲透油田抽油機(jī)初期最大載荷利用率95%,扭矩利用率90%。2.3裝機(jī)載荷、扭矩、電機(jī)功率確定方法研究2.3.1載荷計(jì)算抽油機(jī)在正常工作時(shí),懸點(diǎn)所承受的載荷根據(jù)其性質(zhì)可分為靜載荷、動(dòng)載荷以及其他載荷。靜載荷通常是指抽油桿柱和液柱所受的重力以及液柱對(duì)抽油桿柱的浮力所產(chǎn)生的懸點(diǎn)載荷;動(dòng)載荷是指由于抽油桿柱運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)、慣性以及摩擦所產(chǎn)生的懸

12、點(diǎn)載荷;其他載荷主要有沉沒壓力以及井口回壓在懸點(diǎn)上形成的載荷。沉沒壓力的影響只發(fā)生在上沖程,它將減小懸點(diǎn)載荷4。液流在地面管線中的流動(dòng)阻力所造成的井口回壓,將對(duì)懸點(diǎn)產(chǎn)生附加載荷,其性質(zhì)與油管內(nèi)液體的作用載荷相同,即上沖程中增加懸點(diǎn)載荷,下沖程中減小懸點(diǎn)載荷。因二者可以部分抵消,一般計(jì)算中常可忽略。因此,懸點(diǎn)最大載荷是由抽油桿載荷、液柱載荷、振動(dòng)載荷和慣性載荷組成。W m ax=Wr+Wl+Ef raS2sinr+L a!"(5 2.3.2扭矩計(jì)算為了使懸點(diǎn)以一定的載荷和一定的抽汲方式(沖程、沖次工作,減速器曲柄軸就需要給出一定的扭矩,因此,減速器曲柄軸額定扭矩是游梁式抽油機(jī)的基本參數(shù)

13、之一。理論分析和實(shí)際使用表明:減速器曲柄軸凈扭矩大小和懸點(diǎn)載荷,各桿件幾何尺寸及抽油機(jī)的平衡程度有密切的關(guān)系。在抽油機(jī)使用說(shuō)明書中,有一張光桿位置因數(shù)(PR和扭矩因數(shù)(TF表,可以利用扭矩因數(shù)去求取懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和加速度,進(jìn)而求得載荷和扭矩。扭矩因數(shù)TF=ACR sinsin=v懸點(diǎn)速度=TF懸點(diǎn)加速度a=dvdt=d(TFdt=d(TFd=2d(TFd曲柄旋轉(zhuǎn)角速度=n30剛要上行時(shí)彈性變形中的靜載荷W1=SW1PR+Wr2007年第12卷108中外能源SINO-GLOBAL ENERGY表1古1區(qū)塊系統(tǒng)效率測(cè)試情況表電機(jī)型號(hào)測(cè)試井?dāng)?shù)日產(chǎn)液/(t d -1動(dòng)液面/m消耗功率/(kWh -1裝機(jī)

14、功率/kW 實(shí)際舉升高度/m系統(tǒng)效率,%單位耗電/(kWh(100m t-1YCHD 93.11266.03.117/8.51188.111.52.0TNM 82.71169.82.6418.501152.111.72.3YCD62.71168.63.4513.001185.29.22.9剛要下行時(shí)彈性變形中的靜載荷W 2=SW f (PR-1+(W r +W 1上沖程各點(diǎn)載荷W u =(W r +W 11+a g !"下沖程各點(diǎn)載荷W d=W r1+a g!"曲柄扭矩M n =(W-GTF-M sin(+(6平衡扭矩M=12S W r +12W l!"抽油桿在液

15、體中的載荷W r =(1-0.1271W r =(1-0.1271q r L液柱載荷W l =1gH 0A p沖程損失=r +t =(E r +E t W l L通過(guò)查表即可計(jì)算出不同曲柄轉(zhuǎn)角下的扭矩,通過(guò)繪制扭矩曲線即可求得最大扭矩。2.3.3電機(jī)功率計(jì)算對(duì)于驅(qū)動(dòng)恒定負(fù)載的電動(dòng)機(jī),將裝置的輸出功率除以裝置的傳動(dòng)效率,就是所需的電動(dòng)機(jī)的額定功率。抽油機(jī)的情況則要復(fù)雜的多,其輸出功率(或扭矩是周期性變化的,但電機(jī)的有效功率(輸出功率是作用在光桿上的功率,即通過(guò)光桿來(lái)提升液體和克服井下?lián)p耗所需要的功率。光桿功率P r =(W l +0.015W r +1717SN1000×60平均功率P

16、 m =P rc 額定功率P n =C L F P m2.4節(jié)能抽油機(jī)及電機(jī)組合評(píng)價(jià)2.4.1抽油機(jī)節(jié)能檢測(cè)情況自2002年開始在杏西油田水力模擬試驗(yàn)井對(duì)不同節(jié)能抽油機(jī)、電機(jī)及配電型產(chǎn)品等進(jìn)行了不同組合的檢測(cè),結(jié)果是:抽油機(jī):雙驢頭、下偏杠鈴、摩擦智能抽油機(jī)與同型常規(guī)抽油機(jī)相比,節(jié)電率20%以上。機(jī)電匹配:與偏置抽油機(jī)匹配,雙功率電動(dòng)機(jī)節(jié)電效果較好,平均綜合節(jié)電率為7.8%。其次為高扭矩電動(dòng)機(jī),平均綜合節(jié)電率為3.73%;超高滑差電動(dòng)機(jī),平均綜合節(jié)電率為2.4%。與雙驢頭抽油機(jī)匹配,永磁電動(dòng)機(jī)的節(jié)電效果較好,平均綜合節(jié)電率為8.77%;其次是雙功率電動(dòng)機(jī),平均綜合節(jié)電率為3.23%。與偏輪抽油

17、機(jī)和調(diào)徑變矩抽油機(jī)匹配,永磁電動(dòng)機(jī)有一定的節(jié)電效果,平均綜合節(jié)電率分別為5.86%和6.52%。與擺桿抽油機(jī)匹配,永磁電動(dòng)機(jī)為最好,平均綜合節(jié)電率為13.67%。與下偏杠鈴抽油機(jī)匹配,均沒有節(jié)電效果。2.4.2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用在古1區(qū)塊進(jìn)行了TNM 、YCD 和YCHD 電機(jī)對(duì)比試驗(yàn)(見表1。從百米噸液耗電看,YCHD 雙速電機(jī)最低,YCD 電機(jī)最高,TNM 電機(jī)居中;從系統(tǒng)效率方面看,TNM 電機(jī)最高,YCD 電機(jī)最低,YCHD 雙速電機(jī)與TNM 電機(jī)基本相同。該區(qū)塊使用節(jié)能電機(jī)平均系統(tǒng)效率為10.9%,單井日耗電平均為72.3kWh ,與全廠系統(tǒng)效率8.4%相比,提高2.5%。因此,抽油機(jī)選擇雙驢

18、頭、下偏杠鈴及摩擦換向抽油機(jī),對(duì)于單井產(chǎn)能波動(dòng)較大的井,推薦使用YCHD 一體化拖動(dòng)裝置;對(duì)于產(chǎn)量較高的井,推薦使用TNM 一體化拖動(dòng)裝置。2.5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用519口抽油機(jī)井,取得了較好效果,抽油機(jī)機(jī)型下降一個(gè)級(jí)別,懸點(diǎn)載荷由95kN 下降到73kN ,裝機(jī)功率由20.7kW 下降到15.4kW ,節(jié)省采油工程投資524×104元,平均載荷利用率為66%,扭矩利用率為37.2%,電機(jī)功率利用率23.1%。平均單井日節(jié)電60kWh ,單井系統(tǒng)效率提高了2.4個(gè)百分點(diǎn),年節(jié)電552×104kWh 。3結(jié)論及建議低滲透油田開發(fā)過(guò)程中,產(chǎn)液量不增加或增加幅度較小;通過(guò)提液或

19、放大生產(chǎn)壓差來(lái)提高產(chǎn)量的可行性較小;抽油機(jī)井初期負(fù)載是最大負(fù)載。低滲透油田計(jì)算光桿功率時(shí)摩擦功率不能忽略。109第3期尹喜永等.低滲透油田抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用Study and Application of Energy-Saving Technology for Pumping Unitin Low Permeability OilfieldY in Xiyong ,Jiang Fengjun ,Gao Lianchang ,Y u Shouying ,Wang Xinxin(No.9Oil Production Plant of Daqing Oilfield Company Ltd.

20、,CNPC ,Heilongjiang Daqing 163853AbstractThe low permeability oilfield in peripheral area of Daqing is characterized by three low properties.The oil layer is deep.Selecting oil pumping equipment by routine method can cause a series of problems as low load utilization factor ,system efficiency and mo

21、tor utilization factor ,which restrict oilfield development benefit.Aimed at the problems of big pumping unit allocation ,low system efficiency and high energy consump-tion ,the change law of pumping fluid exponent is studies by theory and analytical method.Then the change law of pumping unit load i

22、s obtained and a technical limitation of pumping unit lectotype in low permeable oilfield is adjusted.The calculation method is improved and the objection of energy saving and consumption reducing combined with the characteristics of energy saving equipment.Through applying in 519rod -pumped wells ,

23、a good effect has been gotten.The electricity is average saved 60kW/h per day.The system efficiency is improved 2.4%per well and the electricity is saved 552×104kW/h per year.Keywordslow permeability oilfield ;pumping unit ;lectotype technology利用抽油機(jī)的位置因數(shù)和扭矩因數(shù),求解懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度,進(jìn)而求得不同曲柄轉(zhuǎn)角下的載荷,繪制出扭矩曲線,可較精確地預(yù)測(cè)減速箱最大扭矩,為優(yōu)選抽油機(jī)提供依據(jù)。抽油機(jī)選擇雙驢頭、下偏杠鈴及摩擦換向抽油機(jī),對(duì)于單井產(chǎn)能波動(dòng)較大的井,推薦使用YCHD 一體化拖動(dòng)裝置;對(duì)于產(chǎn)量較高的井,推薦使用TNM 一體化拖動(dòng)裝置。符號(hào)說(shuō)明:Q o 為油井產(chǎn)油量,m 3/s ;Q w 為油井產(chǎn)水量,m 3/s ;K 為儲(chǔ)層有效滲透率,#m 2;h 為儲(chǔ)層有效厚度,m ;K ro