稠油掺稀井系统效率计算方法

任向海，彭振华，张 园，丁 雯，朱莲花

(1.中国石化西北油田分公司 工程技术研究院，乌鲁木齐 830011； 2.中国石化西北油田分公司 勘探开发研究院，乌鲁木齐 830011)

塔河油田位于塔里木盆地北部边缘，是目前国内已经发现的储量规模最大的碳酸盐岩缝洞型油藏，为典型的稠油或超稠油油藏。埋深4 900～6 500 m，原始地层压力45～60 MPa，地层温度120～150 ℃，属于超深、超高温、高压复杂储层油藏[1-2]；同时具有原油黏度高(地面50 ℃为1 500～180×104mPa·s)、原油密度大、胶质、沥青质、无机盐、蜡、过渡金属元素(N、S、P)及镍含量高[3-4]等显著特点。在高温的地层条件下,稠油具有一定的流动性,但通过井筒流向地面的过程中随着井筒温度的降低,使原油黏度急剧增大,因此需要采用掺稀油降黏方式进行生产作业。目前，国内油田主要参考抽油机系统效率计算标准[5-6]，确定生产油井的系统效率。系统效率影响因素包括动液面、泵挂深度、泵间隙、游梁式抽油机的平衡程度、抽油机的传动效率、电机的负荷匹配情况、冲程、冲次等[7-17]。国内外目前还没有建立掺稀生产油井的系统效率计算模型，当利用现有系统效率模型计算掺稀生产油井的系统效率时，只统计了抽油机电机的输入功率，而未考虑掺稀系统的输入功率，总输入功率偏小，故掺稀生产油井的系统效率较实际情况偏大，不能真实反映出机采井的管理水平。通过引入掺稀量和掺入压力2个参数，通过能量守恒原理，把掺稀能量引入总功率，建立新的系统效率模型，保证了掺稀生产油井系统效率计算的准确性，反映其真实的管理水平。

1 掺稀机抽井与常规井的区别

对于部分稠油油藏，需要采用掺稀油降黏方式进行生产作业。工程上采用在常规生产油井的基础上增加地面注入设备，从套管中注入稀油，使其在地层中与稠油混合，形成黏度大幅降低的中质油，利用抽油泵举升到达地面。与常规生产井不同，掺稀井需要地面设备通过油套环空注入稀油，稀油在管脚附近与稠油混合后被举升到地面，2种油井生产流程如图1所示。

图1 常规机抽井和掺稀机抽井生产流程示意

2 掺稀机抽井系统效率计算新方法

2.1 模型建立

抽油机井系统效率是指将液体举升到地面的有效功能量与系统输入能量之比，即抽油机的有效功率与输入功率的比值。掺稀生产油井相对于常规油井，增加了掺稀系统，掺稀油井输入总功率发生了变化，其总功率由抽油机输入功率和掺稀系统功率构成。但掺稀系统的输入功率无法测量，可利用能量守恒原理，将总输入功率分为电机输入功率和掺稀系统输入功率2部分；在掺稀系统功率中引入掺稀生产油井的掺稀量和掺稀压力2个参数，对掺稀系统的输入功率进行量化，得到掺稀系统输入功率的计算方法，最终得到掺稀生产油井的总功率。

2.2 单井系统效率模型

2.2.1 掺稀井总输入功率组成

(1)

机采井的有效功率是指将井内液体举升到地面所需要的功率，掺稀生产机抽井的有效功率P2用式(2)计算。

(2)

式中：P2为有效功率，kW；Q为油井混合产液量，m3/d；H为有效扬程，m；ρ为油井液体密度，t/m3。

2.2.2 有效扬程

油井的有效扬程为抽油机举升过程中的有效高度，其与泵吸入口深度、动液面深度、井口油压、套压及原油密度等参数有关。

(3)

式中：Hd为实测油井动液面深度，m；Hx油井泵吸入口深度，m；p0为井口油压，MPa；pt为井口套压，MPa；ρ0为原油密度，t/m3。

2.2.3 掺稀系统输入功率

通过能量守恒定律可知，掺稀系统所做的功可以转换为掺入流体在压力的推动下对系统做的功，即为单井系统注入的能量，表现为套管掺入压力下每秒流体通过的距离。同时掺稀油井相比常规生产的油井，从动液面到井口的位置上相对增加了掺稀油的势能，总的输入能量由压力能和油套环空的原油势能组成。引入掺稀量和掺稀压力得到掺稀系统的输入功，掺稀生产油井引入2个参数后，掺稀系统输入功率的计算方法如式(4)。

(4)

式中：F为压力，N；L为距离，m；pc为掺稀压力，MPa；Sc为掺入流体通过的截面积，m2；Qc为掺入体积，m3/d。

2.2.4 掺稀单井系统效率

掺稀生产油井的系统效率等于油井的有效功率与油井的总输入功率的比值。

(5)

(6)

式中：η为单井系统效率，%。

2.3 系统平均效率

机械采油井的平均系统效率采用输入功率加权平均法计算。

(7)

式中：ηa为抽油机井的平均系统效率，%；ηi为抽油机井单井系统效率，%；n为抽油机井测试井数。

3 现场应用

塔河油田在2015年的系统效率测试中，按照系统效率常规模型计算，部分掺稀生产机抽井的系统效率超过40%，甚至更高，与实际生产情况不符。部分掺稀生产油井系统效率如表1所示。

以10井为例，产液15 t/d，动液面1 320 m，掺稀43.2 t/d，套压6 MPa，抽油机有功功率6.73 kW，按照常规系统效率模型计算，此井系统效率为79.83%，由“提高有杆抽油系统效率的新理论与新技术”可知，此系统效率与实际情况不符。现利用掺稀井系统效率模型计算，系统效率为34.10 %。表1中可知，利用新模型计算，11口井系统效率均有不同程度的降低。原有计算方法平均系统效率50.5%，新计算方法的计算结果平均38.9%，平均降低11.6%，更符合实际的生产情况，也更为准确地反映掺稀生产井的管理水平。

表1 部分掺稀油井新旧模型计算数据对比

注：*为扣除掺稀量

4 结论

1) 除了常规井系统效率的影响因素外，掺稀井系统效率还受掺稀压力和掺稀量的影响。在常规系统效率模型的基础上，引入掺稀量和掺稀压力，利用能量守恒原理，建立掺稀生产井系统效率的计算方法。新的计算方法考虑的影响参数更加全面合理。

2) 掺稀机抽井的系统效率与掺稀量有关，对于同一口油井，掺稀量越大，掺稀生产井系统效率计算结果与常规系统效率计算结果差别越大，计算值越低。

3) 掺稀机抽井的系统效率与掺稀压力有关，对于同一口油井，掺稀压力越大，掺稀生产井系统效率计算结果与常规系统效率计算结果差别越大，计算结果越低。

4) 通过对比掺稀机抽井新旧系统效率计算结果可知，新的系统效率计算结果更符合实际。