SAGD有杆泵举升系统参数优化设计

摘要：在举升系统设计原则下，结合A油田B井区实际生产状况，建立了SAGD有杆泵举升系统优化设计的流程，选取了举升系统优化的目标函数，确立了约束条件以及目标函数的求解方法。优化设计了一口稠油SAGD井的举升系统，按照系统效率最高的目标函数，确定了该油井的最优组合方案。

关键词：SAGD;有杆泵;举升系统

引言

有杆泵能在井筒流体温度变化很大的范围内正常工作，举升能力可调范围较大，机械性能可靠，免修期长，易于维修，举升成本较其他类型抽油方式低，不论深井、浅井、直井、定向井都适宜，因此有杆泵举升方法是目前应用最广泛的注蒸汽热采井举升工艺。同时，对SAGD有杆泵举升系统进行设计研究，必须要有设计基础数据，这些数据主要来源于SAGD工艺的操作参数、现场的生产要求和设备的工作参数。

1 举升系统设计原则

在SAGD有杆泵的举升设计时，必须满足在如下原则[1]下进行：

（1 ）结合生产需要，选取适合的抽吸参数，以便满足所需产量;

（2 ）结合排量与泵深选择抽油设备，使得系统具有较高的效率;

（3 ）采用满足强度要求、适合的杆柱组合，确保抽油杆工作安全。

总之，系统参数的优选就是在设计原则下，根据现场生产情况选取合理的泵径、冲程、冲次以及抽油机、抽油泵、抽油杆的最佳组合方案。

2 举升系统抽汲参数优选

2.1 系统优化目标函数

经研究表明，若有杆泵抽油系统效率高[2]，那么油井的排量系数、产能也比较高，同时设备的利用率也高，经济效益就高，故系统效率被用来衡量抽油机井综合性的技术经济指标。在进行SAGD的抽汲参数优选时，以系统效率为目标函数，杆柱组合与举升抽吸参数为设计变量，则有：

而

则有：

其中：

式中：——系统效率;

——有功功率，kw;

——泵效;

——泵的理论排量，m3/d;

——泵径，m;

——冲次，min-1;

——地面油气比，m3/m3;

——冲程，m;

——泵吸入口压力，MPa;

——动液面高度，m;

计算式可知，举升系统效率的影响参数比较多，在对SAGD举升系统的进行参数优化时，得考虑下面的约束条件：

（1）油井的配产条件

确保油井的实际产液量与配产相近，取，即

（2）抽油机的负荷条件

确保抽油机能够正常工作，必须满足：

悬点最大载荷不能超过最大许用载荷;

最大扭矩不能超过最大允许扭矩;有

（3）抽油杆柱的强度条件

采用修正Goodman图来对抽油杆进行强度校核，有

2.2 模型优选与求解

将约束条件结合到目标函数中，则得到的优化设计数学模型为：

此模型为离散型变量的非线性有约束的优化问题，考虑到SAGD的抽汲参数系列能够选取的数量有限，故可选用枚举法来进行求解：

a、进行初步的优选，排除其中不合理的方案;

b、计算初选的方案，优选出满足最大扭矩、最大悬点载荷、抽油机功率的最佳抽汲参数。

3 SAGD举升系统设计实例

根据A油田提供的某SAGD稠油井的油藏基础数据[3]，如表1所示，按照SAGD有杆泵举升系统的设计原则和设计步骤，结合油田SAGD现场的经验方法，设计该井的SAGD有杆泵举升系统及其举升参数。

稠油SAGD水平井的单井最高产液量预计为400t /d左右，泵效按照50%计算，泵的理论排量应达到800 t /d。根据长冲程、大泵径、低冲次的原则，应选择冲程8m、冲次3～5min-1、泵径为120～146 mm的生产参数。在稠油SAGD水平井举升系统中，由于液柱的重量是抽油杆重量的2倍以上，因此选用单级杆。根据初选的抽汲参数，进一步优选设计，设计计算结果如表2所示。

根据优化设计结果数据表以及抽油机的承载特性，泵径为127mm和泵径为120mm的参数组合最优的选择型号为A油田的具有8m冲程的CCJ14-8-48-HF型塔架式抽油机。按照系统优化目标函数，输出系统效率最高的结果，同时综合考虑各组的安全系数、耗电功率、应力范围比值以及实用性和扩展性，该油井最优的抽汲参数为冲次为5 min-1，冲程为8m，泵径127mm，抽油杆直径为25mm，钢级为H级，单级杆柱，抽油机为塔架式抽油机CCJ14-8-48-HF，配备电机功率为55～75kW。同时抽油机配备变频装置，实现无级调速，以满足油井不同生产时期的液量变化要求。

4 认识与结论

按照系统效率最高的目标函数，确定了A油田SAGD油井最优的抽汲参数为冲次为5 min-1，冲程为8 m，泵径127 mm，抽油机为塔架式抽油机CCJ14-8-48-HF，配备电机功率为55～75 kW，抽油杆直径为29 mm，钢级为H级，单级杆柱。

参考文献：

[1] 朱婵;新疆油田蒸汽辅助重力泄油开采稠油研究[D].长江大学;2012年.

[2] 张浩.稠油水平井/蒸汽辅助重力泄油有杆泵举升系统优化[D].中国石油大学 2010.

[3] 刘勇.蒸汽辅助重力泄油技术提高超稠油采收率研究[D].大庆石油学院，2008.

作者简介：

杨行军（1982-），男，2006年毕业于长江大学勘查技术与工程專业，学士学位，工程师，长期从事勘探开发地质研究工作