杆柱优化对提高抽油机井系统效率影响的研究

罗影坤 （大庆油田有限责任公司第九采油厂）

杆柱优化对提高抽油机井系统效率影响的研究

罗影坤 （大庆油田有限责任公司第九采油厂）

抽油机井系统效率是反映机采系统高效举升的综合指标，在各节点效率中杆柱对系统效率的影响仅次于抽油泵所产生的影响。通过理论计算与实际测试优化杆柱组合和杆柱长度对系统效率的影响，挖潜系统效率提升空间。现场试验10井次，系统效率平均提升1.8个百分点。

系统效率；杆柱载荷；杆柱组合；杆柱长度

抽油机井系统效率是反映机采系统高效举升的综合指标，可分解为两个部分，即地面效率和井下效率，具体分为电动机效率、皮带-减速箱效率和四连杆机构效率、盘根盒效率、抽油杆柱效率、抽油泵效率和管柱效率。从理论分析和实测数据可以看出，在各节点效率对系统效率的影响中，抽油杆柱效率对系统效率影响2.4个百分点，仅次于抽油泵效率对系统效率的影响，对于低渗透油田来说，由于产量低，油井投产抽油泵的泵径已最小，后续调整潜力小，所以有必要对提高抽油杆柱效率进行研究[1]。

1 杆柱组合与系统效率关系敏感性分析

系统效率是由有效功率和输入功率之比决定的，输入功率由五部分消耗功率组成：地面损失功率、黏滞损失功率、滑动损失功率、溶解气膨胀功率、有效功率[2]。当油井产液量、举升高度保持稳定的情况下，有用功率基本不变，系统效率的大小主要取决于其他四部分消耗功率，消耗功率越大，系统效率越低，而前三部分消耗功率均与杆柱有关。

式中：s——冲程，m；

n——冲速，min-1；

P空载——电动机空载功率，kW；

m——管径、杆径比；

F杆——光杆载荷，kN；

Li——第i段油管长度，m；

F液——液柱载荷，kN；

Ui——在Li段油管中液体的平均黏度，mPa·s；

fk——杆与管的摩擦系数；

q杆——单位长度杆柱重力，kN；

l水平——抽油杆在斜井段水平投影长度，m；

k1、k2——地面损失功率与光杆在上、下冲程中的平均载荷的相关系数。

由上述公式可知：杆柱载荷减少，地面损失功率减少；管径、杆径比增加，而黏滞损失功率减少；管杆长度减小，黏滞损失功率和滑动损失功率也减少。而实际生产中杆柱载荷由杆柱组合及杆柱长度决定，杆柱长度则由泵深决定。

按照上述理论，同时考虑载荷及弹性形变两方面影响因素，对两种提高杆柱效率的措施进行敏感性分析。

1.1杆径组合对系统效率影响

以X77-24井为例，在参数、产液量、动液面保持稳定，杆柱强度满足目前下泵深度（表1）的前提下，计算三种不同类型杆柱组合的功率损耗（表2）。

表1 X77-24井基础数据

表2 X77-24井优化前后各项功率计算结果

只考虑载荷变化时，杆柱组合降低一个级别，载荷下降10.8 kN，消耗功率下降0.33 kW，系统效率提高3.4个百分点；降低两个级别，载荷下降19.2 kN，消耗功率下降0.52 kW，系统效率提高5.8个百分点。

只考虑弹性形变时，杆柱组合降低一个级别，泵效降低2.1个百分点，系统效率降低0.91个百分点；降低两个级别，泵效、系统效率分别降低5个百分点、2.34个百分点（表3）。

表3 X77-24井冲程损失对系统效率影响

综上两方面因素，杆柱组合降低一个级别，消耗功率减少0.38 kW，系统效率增加2.53个百分点；杆柱组合降低两个级别，消耗功率减少0.64 kW，系统效率增加3.38个百分点（图1）。

图1 杆径组合对泵效、系统效率影响

由实测结果可知，杆柱降低一个级别，消耗功率降低0.3 kW，系统效率提高2.3个百分点（表4）。

表4 X77-24井理论计算和实际结果对比

1.2杆柱长度对系统效率影响

以X102-11井为例，在参数、产量、动液面（表5）保持稳定的前提下，将该井上提泵挂100 m和200 m，计算各项功率损耗（表6）。

表5 X102-11井基础参数

表6 X102-11井优化前后各项功率计算结果

只考虑载荷变化时，上提泵挂100 m后，载荷下降3.3 kN，消耗功率降低0.15 kW，系统效率提升1.29个百分点；上提泵挂200 m后，载荷下降6.3 kN，消耗功率降低0.27 kW，系统效率提高2.60个百分点。

只考虑弹性形变时，上提泵挂100 m后，泵效提高0.6个百分点，系统效率提高0.21个百分点；上提泵挂200 m后，泵效提高1.1个百分点，系统效率提高0.41个百分点（表7）。

表7 X102-11井冲程损失对系统效率影响

综上两方面因素，上提泵挂100 m后，消耗功率降低0.14 kW，系统效率提升1.65个百分点；上提泵挂200 m后，消耗功率降低0.25 kW，系统效率提高3.12个百分点（图2）。

图2 不同泵挂深度消耗功率、系统效率变化

由不同含水级别油井沉没压力与泵效关系可知合理沉没压力控制区间（表8），根据合理沉没压力制定单井具体上提泵挂长度。

表8 不同含水级别油井合理沉没压力控制区间

实测结果表明，上提泵挂100 m后，消耗功率减少0.2 kW，系统效率提高2.1个百分点（表9）。

表9 X102-11井理论计算和实际结果对比

2 管杆优化实施效果

实施管杆优化设计 10井次，日节电 12.7 kWh，节电率9.9%，系统效率提升1.8个百分点。其中，上提泵挂8井次，日节电9 kWh，节电率6.6%，系统效率提升2.1个百分点；杆柱降级2井次，日节电12 kWh，节电率13.2%，系统效率提升1.0个百分点。

3 结论

1）杆柱降级和上提泵深可以减少杆柱负荷，降低消耗功率，提高抽油机井系统效率。

2）杆柱降级方面，在满足目前下泵深度的情况下，使用相对较轻的抽油杆组合。

3）上提泵深方面，对不同含水级别的油井，根据对应的合理沉没压力控制区间制定具体上提泵挂长度。

[1]张志远，古小红.提高抽油机井系统效率的方法[J].断块油气田，2000，7（4）:59-61.

[2]郑海金.抽油机井地面损失功率计算方法的研究与认识[J].石油天然气学报，2010，32（4）:157-160.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.002

2016-02-23

（编辑 李珊梅）

罗影坤，工程师，2008年毕业于东北石油大学（石油工程专业），从事举升工艺及机械采油技术研究与管理工作，E-mail：847051203@qq.com，地址：黑龙江省大庆市红岗区大庆油田有限责任公司第九采油厂，163853。