姬塬油田提高机采井系统效率技术研究与推广

马骁骅 ，苟利鹏 ，陈小兵

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.中国石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西西安 710200）

通过提高抽油机井的系统效率来降低能耗、提高经济效益，是近年油田开发领域重点研究的课题之一。目前机采系统效率总体水平仍然较低，究其原因，除缺少高效的技术装备，抽油机井生产系统的设计水平及油井管理水平有待提高是重要的影响因素。针对长庆油田姬塬油田所辖油田的特点，开展提高机采系统效率的技术研究，采用系统效率分析方法，形成了一套适合其生产特点的系统效率计算分析方法，建立提高抽油机井系统效率的可行措施。

1 机采井系统效率技术研究

积极开展机采效率三项研究，深入开展机采井系统效率测试，应用仿真技术优化设计，达到降低机采系统能耗，提高举升效率，确保机采系统高效安全运行，提高开发效益。

1.1 确定合理测试方法

姬塬长2、长4+5、长8油藏大部分呈“低产、低压、低渗”的典型三低特点，部分油井为间歇出液，不同测试时间段，系统效率结果相差较大。通过对抽油机井系统效率、动液面的连续测试，分析不同油井的出液规律，评价瞬时效率对平均系统效率的影响，确定出合理测试时间及计算方法。

通过机采参数测试可以看出：低产油井存在间歇出油现象，同一口井机采参数动态变化有相对固定的周期性和规律性（见表1）。

η泵>30%：连续测试时间内电机输入功率与光杆功率比较平稳，油井连续出液。

15%<η泵<30%：连续测试时间内电机输入功率与光杆功率出现波动变化，油井间歇出液。

η泵<15%：泵效过低，油井间歇出液周期较长，在相对较短的测试时间内，油井出液比较稳定，造成测试结果波动不明显。

表1 油井出油规律综合分析

为保证测试数据的准确性和可靠性，能够真实反映油井抽汲系统效率及能耗状况，测试时确保电参数、示功图、油套压、动液面同步测试。

低泵效油井因间歇出液，在不同时间测量差异较大，因此对低泵效油井，通过连续测试，找出其出液规律，确定测试次数与测试波动规律，计算系统效率的算术平均值，得到较为准确的系统效率值。

1.2 合理的测试方法

（1）泵效≥30%的油井，连续测试3个冲程数据，求取系统效率平均值。

（2）泵效在30%～15%的油井，需延长测试时间，每10分钟测取一组数据，求取系统效率平均值。

（3）泵效≤15%的油井，连续测试3个冲程数据，求取系统效率平均值。

1.3 仿真技术研究

由于姬塬油田主要开采三叠系长2、长4+5、长6、长8等低渗透油藏，其中低产、低效井所占比例较大；且部分油井存在间隙出油，高能耗、低效率等特点。应用优化软件理论仿真、现场试验及测试资料，开展产液量、油井工作参数、抽油机平衡度、电机装机功率等敏感参数对系统效率的影响因素分析，找出影响系统效率的主要因素，提出有针对性的措施，从而提高系统效率[1]。

以产量、效率、节能三者的协调统一为目标进行参数优化设计。利用敏感性分析结果，计算各种参数对系统效率敏感性程度，根据敏感性程度的大小对需调整参数进行优化调整，做出仿真优化设计，在进行二次敏感性分析，最后得出优化设计结果。

1.3.1 参数优化仿真 工况校核：其目的一是通过诊断模块对井下泵工况进行定量分析，二是通过对输入功率分析计算和光杆功率计算，可以得出目前抽油机井的分系统效率状况。

参数敏感性分析:是对影响抽油机井系统效率的可变参数、不可变参数和管理参数进行影响程度的定量化计算和排序，从而确定主要影响参数，为优化设计提供依据。

1.3.2 能耗最低优化仿真 （1）各种管径、泵径、泵挂冲程、冲次一一组合，每一种组合对应着一种机采系统效率，即对应着一种能量消耗和一种管、杆、泵的投入与年度损耗；（2）根据输入功率计算公式分别计算出每一种机采参数组合所对应的输入功率；（3）以能耗最低者为所选择的机采参数（管径、管长、杆柱钢级、泵径、泵挂深度、杆柱组合、冲程、冲次）。

1.4 开展系统效率影响因素分析

影响机采井系统效率因素很多，按照抽油设备、油井工作制度、油井生产动态和设备管理将影响抽油机井敏感性参数可以分为油井可控参数、油井不可控参数和设备与管理参数3个方面共17个因素，其中油井可控参数8个，油井不可控参数5个，设备与管理参数4个[2]。

表2 抽油机井敏感参数

1.4.1 产液量与系统效率的关系 动液面稳定时，产液量越高，有效功率就越高，系统效率也就越高。从图1看出：在泵深基本不变的情况下，系统效率随着油井产液量的增加而上升，油井产液量的增加与系统效率正比增加，液量小于10 m3/d的油井，在保持其它参数不变的情况下，增加液量，系统效率增加的幅度较大（大于3.5），当产液量逐步增大而大于10 m3/d以上时，随着产液量增加，系统效率随液量依然呈上升趋势，但方液系统效率增加的幅度将趋缓。

1.4.2 油井工作参数对系统效率的影响 根据抽油机井系统力学分析，冲次、冲程越大，抽油杆在运动中的摩擦耗功越大导致其载荷、摩擦也越大，从而抽油机做功以及输入功率提高；大泵径会导致杆柱承受的载荷增加，从而导致电机的输入功率增加。降低冲程后，抽油杆与液体间的粘滞摩擦做功减小，同时降低冲次可使电机负荷变化周期延长，循环次数减少，有利于系统效率提高[3]。

（1）通过实施优化，复测井系统效率明显提高；由于本厂所测油井主要为三叠系油藏的油井，60.0%的

油井日产液量在3.0～7.0 m3，通过优化调整，3.5次/分钟～5.0次/分钟冲次段复测井方液耗电量都比普测井降低，节能效果明显。

（2）在供液能力相对较好的区块及油井，抽油机井冲次由5次/分钟调大到7次/分钟以上，泵效和系统效率都将一定幅度增加且方液耗电量也下降明显。

现场实施及效果：从现场地73-511井调试冲程看出，该井日产液2.85 m3/d，含水5.0%，动液面1 592 m，泵深1 800 m，冲次为5次/分，泵径为32 mm。在不影响产量的前提下，将该井冲次由5次/分下调到3.5次/分，系统效率可提高7.3%，日节电量6.3 kW·h，单井年累计节电达1 300 kW·h。

1.4.3 泵径与系统效率的关系 在供液能力允许的前提下，使用大泵径，可以在较低的抽汲速度下得到所要求的产液量，井下功率将会增加；但增大泵径同时也增加了油井载荷。在运行参数配置合理的情况下，选用大泵径一般泵效较高，系统效率也相应较高[4]（见表3）。

表3 按不同泵径普测井与复测井运行参数统计表

1.4.4 功率因数影响 （见表4，表5）

表4 普测井按电机功率因数不同统计情况表

表5 复测井按电机功率因数不同统计情况表

从表看出，随着功率因数升高，地面效率有一定提高。功率因素较大（>0.4）的井，地面效率较高，电机运行效率高，且能耗比低功率因数的井要小。所以采取性能优良的电机或其它方法改善功率因数，对抽油机节能有一定的效果。

1.4.5 功率因数影响抽油机平衡度对系统效率影响抽油机的平衡度会直接影响电动机的输出特性，无论是欠平衡还是过平衡，都会增加系统的输入功率，造成系统效率降低。理论研究表明：电流平衡度为80%～110%时电动机功率最低（见图3）。调整抽油机的平衡度在合适的范围里，可以改善电动机的输出特性，降低电动机的输入功率，从而提高系统效率[5]。

结论及取得的认识：（1）地面效率和系统效率同步变化。（2）功率平衡指数位于0.8～1.25区间时系统效率最高，小于0.8次之，大于1.25区间时最低。

1.4.6 各种影响因素之间关系 通过对抽油机井运行敏感参数状况分析、统计计算，得出各运行参数与系统效率的相关系数（影响程度大小）分别为：冲程0.193，冲次 0.286，日产液 0.789，泵深-0.353，动液面-0.306，泵效0.835，输入功率-0.018，功率平衡指数-0.245，功率因数0.208。

进行参数影响程度的定量化计算和排序，确定影响姬塬油田系统效率的主要因素依次为：产液量、生产时间、冲次、平衡度、冲程。

2 机采井系统效率技术推广及效果

2.1 现场开展系统效率测试

2010年以优化调整油井前后测试、新投产建井测试为主，共完成系统效率测试1600口，优化调整1 593井次。

从对比数据可以看出，优化调整井产量平稳，调整前平均日产液4.6 m3，调整后4.5 m3，油井平均系统效率由19.6%提高到23.1%，提高3.5%，平均单井日节电 8.54 kW·h。

通过机采井系统效率优化实施，基本系统实现了机采井的“两升一降一延长”，两升即系统效率和抽油泵效稳步提升，一降即机采井能耗明显降低，油井检泵周期延长了25 d（见表6）。

表6 部分区块优化前后系统效率对比表

对调整后1 593口油井进行复测对比，平均系统效率上升了3.9%，单井日耗电由85.22 kW·h下降到77.76 kW·h，平均单井日节电8.54 kW·h，节电率11.33%（见表 7）。

2.2 现场技术对策推广及效果分析

2.2.1 以软件优化为依据，结合供液能力，合理匹配抽油参数 以软件优化为依据，结合地层本身的供液能力，合理匹配抽油参数提高抽油泵充满程度，今年示范区实施参数优化调整831口，调整参数后，泵效由26.5%上升至29.3%，平均系统效率由19.26%提高到21.34%，从测试看单井日节电6.67 kW·h，年累计节电可达202.3×104kW·h，且油井产液量保持平稳（见表8）。

2.2.2 摸索低产井出油规律，实施低产井间开，提高系统效率 姬塬油田特低渗透特点，决定了大量的低产低效井的存在，这部分井多为间歇性出液，抽油机、电机无功消耗大。通过实施油井间开，缩短开井时间，减少无功作业，大幅度的降低了油井能耗，因此，间开采油是低产低效油井最佳节能方案。

表7 优化调整效果分析

表8 2010年参数优化调整效果对比

对于低泵效油井,开井时间随着抽油泵效的增加而延长，关井时间随着抽油泵效的增加而减少,通过对油井动液面的连续测试，可有效确定油井合理的间开制度（见表9）。

表9 间开井能耗测试情况统计

2010年共实施间开171口井，平均单井日节电20.3 kW·h，累计年节电 126.7×104kW·h。

2.2.3 针对低效运行，安装抽油机无功自动补偿装置无功自动补偿技术，采用先进的模糊控制技术，设定功率因数为目标限量，动态跟踪负载电网无功电能、过压、欠流等物理量作为控制、执行条件，使功率因数提高。

式中：Qr－需要补偿的电容器容量（kVar）；Q－仪器测出的平均无功功率（kVar）；P－仪器测出的平均有功功率（kW）；cos2ΦR－预期补偿后的功率因数。

针对部分电机功率因数偏低、处于低效率运行的状况，通过无功自动补偿，可有效改善电网有功功率的输送能力，减少传输电流和无功功率，避免电机运行在低电压高电流高损耗状态。

无功功率自动补偿装置安装34个井组234口井，34个井组变压器电流合计由2 154.14 A减小到1 291.68 A，平均功率因数由0.35提高到0.82，无功功率下降817.5 kVar，有功功率下降162.3 kW，34个井组日节电达4 095 kW·h，年节电可达149.5×104kW·h（见表10）。

表10 无功补偿应用效果

有功节电率=162.3kW/673.92kW=24%

综合节电率=4 095/17 017.32=24%

2.2.4 试验小泵径杆式泵采油技术 实施背景：结合姬塬油田长8油层埋藏较深（2 600 m），动液面较深（1 826 m），泵挂较深（1 964 m）的特点，开展小泵深抽、减载工艺试验。

结构特点：（1）密封可靠，泵体和油管之间通过机械弹性锁紧装置密封；（2）耐高压（最高30 MPa）、高温（350℃）和强酸、强碱；（3）泵管为加厚镀铬泵管，固定阀罩采用了具有导向筋结构的流线型阀罩，适用于井斜角不大于40°的油井；（4）加装强起强闭装置，有利于防气、防砂。

2010年在原始气油比较高（最高102.2 m3/t）的黄3、黄57等长8油层油井，根据新井油层物性、试油情况，对日产液量小于10.0 m3，试油动液面低于2 200 m的油井，试验φ28 mm斜井防气杆式抽油泵360台，目前平均生产128 d，生产正常（见表11）。

取得的认识：（1）满足供采平衡，泵效提高明显：目前试验井平均流压为7.2 MPa（方案要求最低6.5 MPa），流压保持在合理范围内，平均日产液 2.78 m3，平均泵效44.6%，相对可对比井，平均泵效提高5.4%，平均系统效率提高4.3%；（2）减载效果明显：由于具有柱塞面积小（6.16×10-4m2），单井载荷降低 3.5～4.0 kN。

表11 φ28 mm斜井防气杆式抽油泵使用情况统计表

3 结论

（1）全年完成机采系统效率测试1 600口，优化调整1 593井次，通过优化调整，引进新工艺、新技术，平均机采系统效率提高1.02%，重点区块平均提高3.5%，日节电 13 964.22 kW·h，年节电 509.7×104kW·h，达到了全年节能减排目的。

（2）通过开展低产油井出油规律研究，确定了低产油井系统效率的测试制度及合理的工作制度；应用仿真技术进一步优化油井最低能耗工作参数，为优化调整提供了目标和方向。

（3）机采系统效率敏感参数分析已成熟应用，综合运用参数优化、油井间开、无功补偿等工艺技术可有效提高机采系统效率。

（4）机采系统还应进一步研究油井出液规律，在找出不同泵效、不同产液量出液规律的基础上，对连续测试与正常出液时测试数据进行对比，确定修订系数，制定出更加准确而又便捷的测试与计算方法。

（5）随着油藏开发不断深入，低产低效井不断增多，优化调整工作量加大，工作思路还需进一步调整。

[1]林日亿.有杆抽油系统效率分析及抽汲参数优化设汁[J].油学报，2005，（5）：45-48.

[2]胡博仲.大庆油田机械采油配套技术[M].北京：石油工业出版社，1998.

[3]陈兴元.从合理配置源头提高机采系统效率[J].节能与环保，2005，（3）：39-41.

[4]宋玉波.浅谈提高机械采油系统效率的几种方法[J].石油知识，2010，（3）：18-19.

[5]孙耀国.提高抽油机井系统效率的实践[J].复杂油气藏，2010，（1）：80-83.