乾安采油厂机采系统的优化与应用

赵海权 孙伟 于丹丹（吉林油田乾安采油厂）

乾安采油厂是低渗透、低丰度、低产量的“三低”油田，油井产能低，存在油井能耗偏高、系统效率低问题，影响油井低成本开发。如何在保障油井产能的前提下，合理匹配油井参数、降低油井能耗、提高油井系统效率，是油田低成本开发需要解决的问题。通过对各种方法的筛选，乾安采油厂选择了能耗最低机采系统优化设计方法对油井参数进行合理匹配，达到了提高系统效率的目的。

1 技术原理

在抽油机举升过程中，油井所消耗的能量（即电动机输入功率）主要包括用于提升所载液体的有效能量和举升过程中所消耗的地面损失功率、黏滞损失功率、滑动损失功率，以及溶解气膨胀功率，其中溶解气膨胀功率对抽油机举升过程做正功[1-2]，即

在能耗最低机采系统优化设计中推导出了有杆泵抽油系统损失功率的理论计算公式[3]：

式中：

P损——损失功率，kW；

Pd——电动机空载功率，kW；

k1——传输功率传导系数；

k2——光杆功率传导系数；

s——冲程，m；

n——冲速，min-1；

μi——第i段液体黏度，mPa·s；

Li——第i段油管长度，m；

m——管径与杆径比，无因次；

fk——杆与管的摩擦系数；

q杆——杆重度，N/m；

L水平——井斜的水平轨迹长度，m；

g——重力加速度，m/s2。

由式（1）可以看出，损失功率与冲程、冲速、载荷、电动机空载功率、黏度，以及管径与杆径比有关，其中与冲程、冲速关系最为密切。

在能耗最低系统效率优化设计中考虑了油层中深、产液量、含水率、动液面、油层温度、饱和压力、油气比、溶解系数、析蜡温度、原油密度、50℃脱气原油黏度、地层原油黏度、地表恒温温度、井斜参数等14项影响因素，与以往设计只考虑产液量、含水率、动液面、油气比、原油黏度，以及油层中深等6项影响因素相比，优化结果更加合理和切合实际。

2 优化设计过程

为设计录入上述14项已知参数，作为优化的求解条件。

设计步骤如下：

1）选取抽油机机型（若为老井，保持原抽油机机型不变）。

2）设定参数的选择范围，这些参数包括管径、泵径、泵深、杆柱钢级、杆柱组合、冲程，以及冲速等。将管径分别按内径大小依次排序；将杆柱钢级类别分别按强度大小依次排序；将泵径按尺寸大小依次排序；将泵深从动液面开始，按某一步长（如10m）依次加深排序，直到流压等于饱和压力为止（如遇流压低于饱和压力，则泵挂深度直至油层顶部为止）。

3）在抽油机额定载荷、额定扭矩允许的范围内，找出能够抽汲目标产量的所有机采系统，每一个机采系统的主要参数均包括管径、泵径、泵深、杆柱钢级、杆柱组合、冲程，以及冲速。为抽汲同一目标产量，将各种管径、泵径、泵深、杆柱钢级、科学的杆柱组合、冲程，以及能够产生目标产量的相应冲速一一组合，每一种组合对应着一种能耗，即对应着一种系统效率。

4）以输入功率最低者为机采优化参数（管径、管长、杆柱钢级、泵径、泵深、杆柱组合、冲程，以及冲速）。

5）根据确定的冲速和系统输入功率确定抽油机所配的电动机机型。

3 现场应用

3.1 前期应用情况

根据优化过程，对乾北13-7油井进行优化设计（表1～表5）。

表1 乾北13-7油井优化前基础参数

表2 乾北13-7油井优化前生产参数

表3 乾北13-7油井高压物性参数

乾北13-7油井优化前油井杆柱为两级杆柱组合，泵挂1401m，冲速5.03min-1，泵效24.5%，系统效率19.9%。

经过优化设计，选取能耗最低时参数组合，即泵径、冲程不变，泵挂加深到1460m，冲速降低到3min-1。

表4 乾北13-7油井优化后基础参数

表5 乾北13-7油井优化后生产参数

优化前后，乾北13-7井充满变好（图1、图2）。

图1 乾北13-7油井优化前示功图

图2 乾北13-7油井优化后示功图

从优化后实施结果看，乾北13-7油井优化后产量略有上升，油井泵效提高了16.9个百分点，系统效率提高了13.7个百分点，提高幅度达到68.9%，日耗电降低58.6kWh，节电幅度达到46.1%，优化设计实施后提效降耗效果明显。

3.2 推广应用情况

2011年乾安采油厂应用能耗最低机采系统优化设计并实施80口油井（表6），平均单井泵效提高19.2个百分点，平均单井系统效率提高9.5个百分点，系统效率提高了74.8%；平均单井日耗电降低56kWh，节电率33.1%，形成单井年节电能力2.016×104kWh，节约费用1.008万元，单井优化设计费0.6万元，投入产出比1∶1.68，投资回收期0.6年（该节约费用未计算油井维护性作业减少费用，优化井至今未因磨损、杆疲劳断脱发生作业费用）。

表6 2011年机采优化设计实施前后效果对比

4 结论

通过应用能耗最低系统优化设计对“三低”油田油井进行参数设计并现场实施，达到了“三低”油田油井提效降耗的目的。优化设计实施后平均系统效率可提高74.8%，日耗电降低33%，大幅度提高了油井的系统效率，为“三低”油田的提效提供了一种新的方法。

[1]万仁溥,罗英俊.采油技术手册（第四分册）机械采油技术［M］.北京：石油工业出版社,1993：256-296.

[2]有杆泵API标准及其它资料汇编（上册）［C］.华北石油管理局,1985：195-237.

[3]郑海金.一种有杆泵机械采油工艺参数确定方法：中国,ZL99109780.7［P］.2002-05-29.