三元复合驱有杆泵举升参数优化研究

周万富



三元复合驱有杆泵举升参数优化研究

周万富

（大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163002）

三元复合驱技术可以改善高含水油田的驱替效果，提高油层的采出程度。在三元复合驱的不同驱替阶段，采出液流变性能不同，会影响有杆泵的泵效。基于改进的有杆泵系统效率计算模型，通过迭代算法优化了不同驱替阶段的下泵深度、冲程、冲次和泵径，研究了扶正器个数、冲程、冲次和驱替阶段对系统效率的影响规律。计算结果表明，冲程、冲次对系统效率影响较大，系统效率随冲程和冲次的增加先增加后平缓，主段塞驱替阶段的系统效率最低。扶正器会降低系统效率但是不明显。

三元复合驱；有杆泵；系统效率；举升参数

三元复合驱技术可以提高地层驱油效率和波及系数，缓解地层非均质性对驱替效果的影响，对提高油田中后期采收率，维持油田产量有重要作用[1⁃2]。三元复合驱采出液黏度较大，在生产过程中会加剧抽油杆偏磨[3⁃4]，因此需要在抽油杆上加装扶正器，而扶正器在上下冲程中会增加抽油杆与油管和液柱的摩擦力，从而对抽油机悬点产生附加载荷，影响抽油机的系统效率[5⁃6]。三元复合驱在大庆油田应用时分为前置聚合物驱替、主段塞驱替、副段塞驱替和后续聚合物驱替阶段，每段的驱替液成分不同，流变性也不同，在井筒中的采出液也会体现不同的流变性，影响采出液在井筒中的流动，由于油田越来越注重精细化管理，因此需要针对不同的驱替阶段优化举升参数，提高系统效率。当油井稳定生产时，地层流入井筒的流量和有杆泵的实际流量平衡，不同的井底流压和产量对应有杆泵不同的举升参数。本文基于有杆泵系统效率计算模型，通过迭代算法优化了不同驱替阶段的下泵深度、冲程、冲次和泵径，研究了扶正器个数、冲程、冲次和驱替阶段对系统效率的影响规律，对现场进行合理生产具有参考意义。

1 泵效计算模型

泵效计算模型采用常规计算模型，考虑泵内气体、流体体积变化、泵内漏失和冲程损失对泵效的影响。

三元复合驱油井采出液在井筒中流动时表现为油气水三相的乳状液，乳状液的密度为：

式中，p为生产气油比，m3/m3；s为溶解气油比，m3/m3；sc为标准状态下压力，Pa；sc为标准状态下温度，取293 K；p为泵入口的流动温度，K；p为泵入口的压力，Pa；w为含水率，%。

三元复合驱采出液为黏弹性流体，采出液通过阀孔时的压降不仅有黏性压降，还存在弹性压降，产生的总压力降∆in为[9]：

式中，∆in为保证泵充满程度的沉没压力，Pa。流体流过泵吸入阀时，泵内气体的压力为：

i=s-∆in(3)

式中，s为沉没压力，Pa，通过沉没度计算。

泵内气体、流体体积变化、泵内漏失和冲程损失对泵效的影响采用常规计算公式[10]。

泵效计算公式为：

2 系统效率计算模型

通常泵效最高时，系统效率不一定最高，系统效率最高可以最大程度的发挥抽油系统的效率，降低成本。系统效率计算模型为[11]:

有效扬程计算公式为：

式中，液为油井动液面深度，m；油为油井井口油压，MPa；套为油井井口套压，MPa。

电入与抽油机的载荷有关。电机实际输入的最大功率为：

式中，电入为电机实际输入的最大功率，kW；max为曲柄轴最大扭矩，N·m；p为冲次，min-1；传为传动效率，取0.9；电为电机效率，取0.9。

曲柄轴处的最大扭矩max为：

式中，为光杆冲程，m；max为悬点最大载荷，N；min为悬点最小载荷，N。

文中忽略振动、井口回压产生的悬点载荷，只存在一种直径的抽油杆，此时，悬点最大和最小载荷可表示为：

在三元复合驱采出井中，为了防止抽油杆偏磨，需要加装扶正器，因此在考虑摩擦载荷时需要考虑扶正器与油管和采出液的摩擦力。在本文中认为扶正器在抽油杆上均匀分布。

式中，cl为扶正器与液柱之间的摩擦力。扶正器与液柱之间会产生摩擦，主要发生在下冲程，其摩擦力的方向向上，当存在扶正器的时候，由于扶正器过流断面小，流体流过扶正器时会产生额外压降∆h，则扶正器对与液柱之间的摩擦力为

3 系统效率影响因素

通过建立的系统效率计算模型，对扶正器个数、冲程、冲次和不同驱替阶段对系统效率的影响规律进行了分析。

图1为扶正器个数、冲程、冲次、驱替阶段对系统效率的影响。由图1可知，扶正器数量越多，系统效率越低。冲程和冲次对系统效率影响较大，系统效率随冲程和冲次的增大而增大，当冲程大于5 m，冲次大于6 次/min后，系统效率增加平缓。当举升参数相同时，主段塞驱替阶段系统效率最低，是因为主段塞驱替阶段采出液黏度最高，对泵效影响最大。主段塞对提高驱替效果有重要作用，因此需要通过优化举升参数来提高主段塞的系统效率。

4 不同驱替阶段举升参数确定

由于三元复合驱采出液黏度较大，导致井筒内工况比较复杂，下泵深度过低导致油井产量低，过高导致抽油杆弯曲偏磨严重，因此需要确定合理的下泵深度，对改善油井工作状态，提高油井产能和系统效率有重要的作用。下泵深度确定的关键是沉没度，沉没度的大小会影响泵效，从而影响产量和井底流压，而井底流压影响动液面的高度，从而影响沉没度和泵效。因此，确定合理的下泵深度需要通过迭代过程求解，得到下泵深度后，需要计算当前举升参数下的系统效率，通过对比不同举升参数下的系统效率，来确定最优的冲程和冲次。举升参数优化的思路如图2所示。

针对大庆某采油厂的数据，对合理下泵深度进行了优化设计。最大下泵深度950 m。沉没度过大时，会造成产量过高，井底流压过低，动液面距井口深度太大，导致下泵深度超过造斜点；沉没度过小时，会造成产量过低，井底流压过高，动液面到达井口。沉没度的取值范围必须保证：

(17)

表1　不同驱替阶段采出液性质变化

表2　不同驱替阶段下泵深度和举升参数优化结果

5 结论

（1）三元复合驱采出液具有黏弹效应，在泵吸入口会产生较大压降，影响泵充满程度，从而降低泵效。

（2）存在扶正器时，扶正器在上下冲程中会与油管和采出液产生摩擦，影响悬点载荷，导致系统效率降低。

（3）扶正器数量越大，系统效率越低。冲程和冲次对系统效率影响较大，系统效率随冲程和冲次的增大而增大，当冲程大于5 m，冲次大于6次/min后，系统效率增加平缓。相同举升参数时，主段塞驱阶段系统效率最低。

（4）通过迭代算法，优化得到了两种泵径下不同驱替阶段的合理冲程、冲次、下泵深度，提高了不同驱替阶段尤其是主段塞的系统效率，进一步增加了主段塞驱替阶段的效益。

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（编辑 王戬丽）

Optimization of Lifting Parameters of Sucker Rod Pump in Alkali⁃Surfactant⁃Polymer Flooding Stages

Zhou Wanfu

（）

Alkali⁃Surfactant⁃Polymer (ASP) flooding can improve the flooding efficiency for oilfields which are in high water⁃cut period. In different ASP flooding stages, the rheological property of production fluid changes, which could affect the pump efficiency. Based on the improved sucker rod pumping system efficiency model, the pump depth, stroke length, stroke speed and pump diameter have been optimized through iterative algorithm. The effect of centralizer numbers, stroke length, stroke speed and flooding stages on sucker rod pumping system efficiency has been studied. The results indicate that the influence of stroke length and stroke speed is significant. The sucker rod pumping system efficiency first increased obviously and then trends to be gentle with the stroke length and speed increasing. The pumping system efficiency in main slug of ASP flooding is lowest. The centralizers can decrease the sucker rod pumping system efficiency slightly.

ASP flooding； Sucker rod pump； Pumping system efficiency； Lifting parameters

TE327

A

10.3969/j.issn.1006⁃396X.2018.06.005

2018⁃03⁃23

2018⁃04⁃25

国家科技重大专项（2016ZX05054）。

周万富（1963⁃），男，博士，教授级高工，从事油田化学方向的研究；E⁃mail：zhouwf@petrochina.com.cn。

1006396X（ 2018）06002805

http://journal.lnpu.edu.cn