低渗透油田抽油机井系统效率及评价指标

韩二涛，黄 伟，甘庆明，吕亿明，王 百

（长庆油田分公司油气工艺研究院；低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018） ①

低渗透油田抽油机井系统效率及评价指标

韩二涛，黄 伟，甘庆明，吕亿明，王 百

（长庆油田分公司油气工艺研究院；低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018） ①

对比分析不同时期系统效率指标，发现仅以绝对系统效率值作为考核指标，由于没有同一比较基准，不能准确反映机采系统投入与产出的关系。通过理论分析、实测计算表明，低渗透油田抽油机井系统效率存在最大值。采用系统效率实现率指标，能够在同一基准上评价1口井、1个区块或1个油田的系统效率管理工作，并能量化抽油机井系统效率的提升潜力，完善机采系统节能降耗考核指标。

低渗透油田；抽油机井；系统效率；最大值

抽油机有杆泵采油系统具有结构简单、装置耐用、可靠性强、技术成熟的优点，全世界约有80%、我国约有92%的油井均采用这种方式生产［1］。长庆油田目前有油井约3万口，全部采用机械采油方式。据2009年长庆油田生产用电统计，原油生产（采油、注水、集输）用电总量占油田总用电量的78%，抽油机井系统效率较低导致能耗费用在采油成本中占有较大比例。如果全国各油田能将抽油机井系统效率提高10%，则年节电近12亿kW·h［2］，这不仅可以降低油田的开发成本，而且还可以缓解当前全国电力紧张局面。

1 问题的提出

近年来，提高抽油机井系统效率已成为各油田节能降耗、降低生产成本、提高经济效益的一个重要工作。长庆油田每年均建立节能示范区，以促进全油田的系统效率提高、降低能耗。为了更好地促进系统效率的提升，有些油田把系统效率作为考核指标进行管理。但是，根据对大庆油田抽油机井系统效率指标的统计，大庆油田1986年抽油机井平均系统效率为18%［3］，1988年为22.1%［4］，1989年为26%，1996年为32.7%，2001年为17.6%［5］，2003年为20.3%［6］。由此可以看出，若仅以系统效率值作为考核指标，从系统效率值上不能反映所做工作的效果。虽然每年各油田投入了大量的人力、物力，经过了种种努力进行系统效率优化，但从每年的系统效率值上看这些努力和投入好象是白白浪费了。由此表明，仅用系统效率值来评判1口井、或1个区块、或1个油田的系统效率管理工作，由于判断的基准不一致，导致统计的系统效率值不能充分说明问题，也不能体现1个区块、或1个油田的管理水平；并且也不能明确选取井类，采取有针对性的、提高系统效率的措施，以取得较好的效果。

2 系统效率评价指标的选取

2.1 系统效率定义

目前，对于抽油机井系统效率的定义多采用抽油机在提液过程中其有效功与系统输入能量的比值［7］，即抽油机工作时将液体举升到地面耗能与电动机耗能的比值，即

ePin为电动机输入功率，kW；△P为抽油机井无效功率，kW；Q为抽油机井产液量，m3／d；H为泵举升液体的有效扬程，m，，Hd为油井动液面高度，m；po、pt为分别为油井井口油压、套压，MPa；ρ为液体的密度，103kg／m3。

由系统效率定义可知，在完成一定的生产目标的前提下，提高系统效率就是要减小系统无效做功、降低系统输入功率或者提高系统的有效功率。对于某一口抽油机井，由于摩擦的存在，在机械机构中必然存在能量损失，因此系统输入功率不可能无限制地降低，因而系统效率也不可能无限制地提高，其必然有一个最大值ηmax。同时，对于一定的地层条件，根据油井流入与流出动态研究，产量与举升高度之间存在一定的关系，因此油井的产量不可能无限制地提高，必然存在一个产量与举升高度的最佳组合。当产量、有效举升高度及液体的密度一定时，该井的有用功则是确定的，故系统效率同样也不可能无限制地提高，其必然有一个最大值ηmax。

另外，一些学者也分析或推导了系统效率存在最大值。窦宏恩［5］认为抽油机井系统效率理论最大值为38.4%。张志远［8］等人认为在设备良好运转状态下，抽油机井系统效率理论最大值为41%～49%。汪平［9］、史晓贞［10］等考虑抽油井生产环境和井下工具、地面设备的使用时间，认为在管理措施全部到位的情况下，胡庆油田系统效率的最大值为35.9%。董世民［11］等人认为抽油机井系统效率最大值受油藏特性、原油特性、设备特性影响，与油井最大产量关系密切，现场测试出的50%以上的系统效率是可信的。

2.2 系统效率评价指标

由前述分析可知，系统效率最大值是存在的。则可以通过把抽油机井当前系统效率值与其最大值进行对比，形成一个统一的基准，纵向对比一个油田的系统效率，或者横向对比多个油田的系统效率，就能进行有效的分析，得到一致的结论，从而真实地反映不同油井的能耗状况和管理水平。

本文利用系统效率最大值，通过抽油机井目前设备条件下的系统效率与其所能达到的最大系统效率ηmax比值来评价和对比系统效率工作，并把这个比值命名为系统效率实现率R，即

系统效率实现率可以用来评价抽油机井系统效率提升的潜力、节能的幅度，并可体现出各井在系统效率方面所做的工作的大小，系统效率管理水平的高低。

3 系统效率评价指标的计算

3.1 有效功率

长庆油田属“三低”油藏［12］，岩石颗粒细小，储层孔喉细微，物性差，储层微裂缝发育，根据取心井岩芯观察资料，有1／3的井见到天然微裂缝。原始地层压力低，压力系数0.65～0.75，地饱压差2.94～6.38MPa，三叠系渗透率仅0.1～3.0×10－3μm2。

从低渗透油田油井IPR曲线［13－14］（如图1）及生产实践表明：低渗透油藏的渗流特征与中、高渗透油藏的渗流特征显著不同。油田生产实践表明：低渗透油田在井底流压低于饱和压力时，油井产液量并非总是随着生产压差增大而上升，当井底流压降低到某一界限后，再降低井底流压（增大生产压差），其产液量不再继续上升，而是转为下降，说明低渗透油田的油井产量不可能无限增大，存在一个最大的合理产量点Qmax，由抽油机井有效功率计算可以得到一个有效功率极大值Pemax。

图1 低渗透油田油井IPR曲线

3.2 输入功率

郑海金［15－17］等人把抽油机井系统的各种损失功率划分为地面损失功率Pu、黏滞损失功率Pr、滑动损失功率Pk。则抽油机井输入功率为

式中，μi为第i段液体黏度，mPa·s；li为第i段油管长度，m；m为管径杆径比；fk为杆与管的摩擦因数；qr为杆重度，N／m；L井斜的水平轨迹长度，m。

3.3 系统效率最大值

把式（3）代入式（1），则计算抽油机井系统效率公式为

由式（4）可以看出，当油井达到最大产量点时，系统效率与冲程S、冲次n、泵效ηP有关。因此可以进行参数优化，当S×n达到较小值时，泵效处于较高的水平，这时系统效率将达到其最大值ηmax。

3.4 系统效率实现率

通过现场实际测试抽油机井当前系统效率值η，和通过式（4）计算该井的系统效率最大值ηmax，把这2个数据代入式（2）则可以得出该井的系统效率实现率。

4 计算实例

综合以上分析，通过抽油机井流入动态研究分析，确定其合理的最大产量Qmax，根据最大产量Qmax进行参数优化设计。在保持抽油泵有一个较高的泵效前提下，使抽油机井运行在有效功率较高、损失能耗较小的工况下，则可计算出该设备所能提供工作制度下的系统效率最大值，以及该井的系统效率实现率。某油田单井系统效率实现率计算结果如表1。

表1 单井系统效率实现率计算值

续表1

由表1可以看出：该区块3m3／d以下井实现率较低，距其理论系统效率最大值差距最大，则其系统效率提升的潜力较大，可以通过流入动态研究，对其工作参数进行优化，使其达到一个较为合理的状态。通过采取优化调整措施，系统效率均有不同程度的提高，措施调整后实现率较高，进一步进行优化调整提高系统效率的空间在理论上可行，在实际中则由于现场条件所限，已很难进一步提高。

5 结论

1） 抽油机井的系统效率存在理论最大值和实际最大值。

2） 对于长庆油田低渗、低压、低丰度油藏，根据油井流入动态曲线确定最大产量点，通过参数优化，可以使其系统效率接近该井理论所能达到最大值。

3） 系统效率实现率可以反映抽油机井系统效率的管理水平。对于准确评价抽油机井系统效率，发挥系统最大的潜能，为指导提高系统效率工作提供了有效途径。

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System Efficiency and Evaluation Index of Pumping Wells in Low－permeability Oilfield

HAN Er－tao，HUANG Wei，GAN Qing－ming，LV Yi－ming，WANG Bai
（Oil ＆Gas Technology Research Institute；Low－permeability Oil and Gas Exploration and Development of National Engineering Laboratory，Changqing Oilfield Company，Xi’an710018，China）

Through comparative analysis of system efficiency in different periods，the relationship of input and output of pumping well is not accurately reflected by absolute system efficiency in the absence of the same standard of comparison.By means of theoretical analysis，actual measurement and calculation，there is a maximum system efficiency of pumping well in low－permeability oilfield.So achievable ratio of system efficiency is a better contrast basis to evaluate management level of a well，or a block or an oilfield，to quantify enhanced potential of the system efficiency of pumping wells，and perfect assessment index of energy saving and consumption reducing of artificial lifted well system.

low－permeability oilfield；pumping well；system efficiency；maximum evaluation

1001－3482（2012）08－0069－04

TE938.2

B

2012－02－07

韩二涛（1978－），男，河南鄢陵人，工程师，主要从事采油工艺技术研究与推广，E－mail：het1＿cq＠petrochina.com.cn。