（石油与天然气工程专业论文）靖安油田提高抽油机井系统效率技术研究与应用.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 靖安油田提高抽油机井系统效率技术研究与应用 石油与天然气工程 王宝明( 签名) 陈军斌( 签名) 田启武( 签名) 摘要 在中国陆上石油开采工程中，有杆泵采油是最主要的开采方式，抽油机是原油生产 的主要设备，抽油机用电在油田总用电中占有很大的比例，约占油田总用电的3 0 ，是 油田开发中可变成本的主要因素之一，有杆泵采油是一个复杂的配套系统，既包括抽油 机、电机、抽油杆、抽油泵等“硬件 设备，又包括抽汲参数、平衡度、泵挂深度等“软 件 参数，只有将系统的硬件条件与软件优化结合起来，才能获得较高的系统效率。但 在实际生产过程中，由于受地层因素、设备条件、管理水平等各种因素的限制，抽油机 系统效率都普遍偏低，全国平均抽油系统效率仅为2 3 ，采油三厂靖安油田系统效率平 均为2 0 6 ，远低于全国平均水平，抽油机井效率低，必将造成电力严重浪费。 本文探讨了影响抽油系统效率的主要因素，结合现场实际生产情况，有针对性的提 出了具体的治理方法，通过采取措施增产、抽汲参数优化、动态调整抽油机平衡、推广 抽油机无功补偿等技术措施，措施井系统效率平均提高3 1 4 ，平均单井节电率1 4 5 ， 达到了油田增产降耗、延长系统使用寿命、降低操作成本的目的，具有很好的推广价值。 关键词：有杆泵采油抽油机系统效率 论文类型：应用基础 英文摘要 s u b j e c t：t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fi m p r o v i n gr o dp u m p e dw e l ls y s t e m e f f i c i e n c yt e c h n i q u ei nj i n g a no i l f i e l d s p e c i a l i t y ： o i la n d g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g n a m e ：w a n gb a o m i n g ( s i g n a t u 他) 山么习区垒盥句 l n s t r u c t o r ：c h e nj u n b i n ( s i g n a t u r e ) c - e j i 丛丛 t i a nq i w u ( s i g n a t u r e )啊卵瘦；t 渺 a b s i ra i ：r s u c k e rr o dp u m po i lr e c o v e r yi st h em a i np r o d u c i n gm e t h o di nt h ec o u r s eo fc h i n e s e o n s h o r eo i le x p l o r a t i o n , w e up u m p i n gu n i ti st h em a j o re q u i p m e n ti nc r u d eo i lp r o d u c t i o n , t h e p u m p i n gu n i tp o w e r i sa b o u t3 0 o ft h et o t me l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o ni nt h eo i lf i e l d s i ti so n e o ft h em a i nf a c t o r so ft h ev a r i a b l ec o s ti no i lf i e l dd e v e l o p m e n t , r o dp u m pp r o d u c t i o ni sa c o m p l e xm a t c h i n gs y s t e m , t h i ss y s t e mc o n s i s t so fh a r d w a r ee q u i p m e n ts u c ha sw e l lp u m p i n g u n i t ，e l e c t r i cm o t o r ，p u m p i n gr o d ，s u c k e rr o dp u m pa n ds o f t w a r ep a r a m e t e r ss u c ha s s w a b b i n gp a r a m e t e r s 、d e g r e eo f b a l a n c e 、p u m ps e t t i n gd e p t h 。o n l yt h es y s t e m sh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo p t i m i z a t i o nc o m b i n e d ，s ow e w o u l do b t a i nah i g h e rs y s t e me f f i c i e n c y , b u ti na c t u a l p r o d u c t i o np r o c e s s ，d u et of o r m a t i o nf a c t o r , e q u i p m e n tc o n d i t i o n s ，m a n a g e m e n tl e v e la n d o t h e rc o n s t r a i n t s ，w e l lp u m p i n gu n i ts y s t e me f f i c i e n c ya r eg e n e r a l l yl o w ，ma v e r a g ew e l l p u m p i n gu n i te f f i c i e n c yi so n l y2 3 i no u rc o u n t r y , 1 1 1 ea v e r a g ep u m p i n gs y s t e me f f i c i e n c yo f j i n g a no i l f i e l do fp l a n tn o 3c h a n g q i n go i l - f i e l db r a n c hi so n l y2 0 6 ，i ti sf a rb e l o wt h e n a t i o n a la v e r a g e ，1 1 他e f f i c i e n c yo fp u m p i n gw e l l si sl o ww h i c hw i l li n e v i t a b l yl e a dt oa s e r i o u sw f l k s t eo fe l e c t r i c i t y w ed i s c u s st h em a i nf a c t o r sw h i c hi m p a c tt h ep u m p i n gs y s t e me f f i c i e n c yi nt h i sp a p e r ， a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lp r o d u c t i o no ft h es i t e ，w ep r o p o s et h ep e r t i n e n tm e t h o do fg o v e r n a n c e ， b yt a k i n gs t e p st oi n c r e a s ep r o d u c t i o n 、s w a b b i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n 、d y n a m i c a l l y a d j u s t i n gt h eb a l a n c eo fp u m p i n gu n i t 、p r o m o t i o no fp u m p i n gt e c h n o l o g i e ss u c h 私r e a c t i v i n g p o w e rc o m p e n s a t i o nm e a s u r e sa n ds oo n ，t h ea v e r a g ew e l lp u m p i n gu n i te f f i c i e n c yi si n c r e a s e d 3 1 4 ，n 坞a v e r a g es i n g l e w e l le n e r g y - s a v i n gr a t ei s1 4 5 ，a c h i e v e dt h ep u r p o s eo f e n e r g y s a v i n g 、e x t e n d i n gt h es y s t e ml i f e t i m ea n dr e d u c i n gt h eo p e r a t i n gc o s t s ，i ti sg o o di nu s e 。 k e y w o r d s ：s u c k e r - r o do i lr e c o v e r y ，w e l lp u m p i n gu n i t ，s y s t e me f f i c i e n c y t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：j 雌 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，e p , 研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：啡 日期： 导师签名：日期： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章前言 第一章前言 1 1 研究目的及意义 有杆抽油的系统效率是衡量有杆抽油系统性能的综合性指标，有杆抽油系统效率的 高低基本上反映了有杆抽油技术的总体水平，在各种各样的人工举升采油方法中，有杆抽 油作为世界石油工业传统的采油方式之一，是应用最早也最为广泛的一种人工举升采油 法，迄今为止在采油工程人工举升方式中一直占主导地位，在我国石油开采中发挥着举 足轻重的作用。据统计，在我国的采油工程中，机械采油井数已占生产井数的9 0 以上， 其中有杆泵抽油井又占机械采油井的9 0 以上，抽油机能耗是石油开发中可变成本的主 要因素之一。目前，长庆采油三厂管辖的陕西、宁夏、内蒙三省区的1 3 个主力油田2 5 个生产区块和部分探区，共开油井2 9 5 7 口，其中抽油机井2 9 5 5 口，螺杆泵采油井2 口， 占总井数的9 9 9 。抽油机井的能耗直接影响到原油的开采成本。 为了提高抽油机井的系统效率，全国各油田采用了各种方法和节能技术，包括使用 节能抽油机、玻璃钢抽油杆、高效稀土电机、高转差电机、电容无功补偿、电机星角转 换、变频器调速、电磁调速电机、上下冲程变速控制、油井清蜡降粘、抽油机平衡调整 分析、抽油机减载技术、防气工艺技术以及抽油机井节点分析优化技术等，提高机采井 系统效率技术的应用，已成为油田增产降耗、延长系统使用寿命、降低操作成本的一项 重要措施，以抽油机井系统效率作为目标管理抽油机对实现抽油机精细化管理具有非常 重要的意义。有杆泵采油是一个复杂的配套系统，既包括抽油机、抽油杆、抽油泵等“硬 件 设备，又包括抽汲参数、泵挂深度等“软件”参数，只有将系统的硬件条件与软件 优化结合起来，才能获得较高的系统效率。但在实际生产过程中，由于受地层因素、设 备条件、管理水平等的限制，长庆采油三厂靖安油田抽油机井系统效率平均只有2 0 左 右，比行业平均指标低5 左右，属于较低水平。因此，结合油田实际，通过对系统效率 的测试，分析影响抽油机井系统效率的主要因素，从而提出提高系统效率的技术对策以 指导油田生产。 1 2 国内外现状及发展趋势 抽油机采油是我国油田生产的主要手段，抽油机井约占机械采油井的9 0 以上。能 耗占油田总能耗的三分之一，抽油机井系统效率是衡量机械采油系统性能的综合性指标， 也是衡量一个油田管理水平高低的重要指标，目前抽油机采油过程中存在的主要问题是 系统效率低，近几年的抽油机井统计结果表明，中石油抽油机井的平均系统效率在2 3 左右，个别油田甚至低到只有1 7 ，抽油机井系统效率低已经影响到石油行业的整体 开发效益，而美国加利福尼亚油田机采井系统效率平均为2 9 4 ，目前我国有杆抽油系 统效率基本上是美国上个世纪八十年代的水平。国外最近研究结果表明，有杆抽油系统 效率已高于潜油电泵井的系统效率，游梁式抽油机有杆抽油系统效率可超过4 0 ，长冲 程节能抽油机有杆抽油系统效率可超过5 0 。显然，我国目前有杆抽油系统效率和国外 西安石油大学硕士学位论文 先进水平相比还有一定差距，尚具有很大的节能潜力，因此继续研究有杆抽油系统，提 高有杆抽油技术的总体水平必将产生巨大的经济效益 近几十年来，有杆抽油设备与技术都取得了长足的发展与进步。主要体现在以下几 个方面： 一是在抽油机方面，除了常规型游梁式抽油机、前置型游梁式抽油机和气平衡游梁 式抽油机以外，又出现了异相型游梁式抽油机，已经形成了2 型 2 0 型抽油机系列，这 种游梁式抽油机综合了常规型与前置型游梁式抽油机的优点，既保留了常规型游梁式抽 油机结构简单，工作可靠、制造容易等特点，又具有类似前置型抽油机那样的减速器扭 矩变化较均匀，峰值扭矩较低、所需电动机的功率较小等优点。为了取得更好的平衡效 果以迸一步减少能耗，在游梁式抽油机的平衡方式上又出现了“随动平衡”这一新的平 衡方式。它可以随着抽油机悬点载荷的变化，自动调整游梁平衡重的位置。同时超高转 差率电动机在游梁式抽油机上逐步得到应用。它利用电动机转速的变化，通过旋转零部 件惯性的动能均衡作用，使减速器和电动机的扭矩变化更为均匀，峰值扭矩明显降低。 二是在抽油泵方面，深井泵泵径已形成2 8 l o o m m 系列，特种泵已初步配套，其中最 显著的技术进步是整筒式抽油泵取代衬套式抽油泵，整筒抽油泵显著提高了泵的容积效 率( 比衬套式抽油泵约提高2 0 ) ，延长了柱塞泵筒的使用寿命，并可节约4 0 左右的优 质钢材。美国a p i 有关抽油泵的规范中以淘汰了衬套式抽油泵。 为适应多种油井条件的需要，除了标准抽油泵外，出现了许多特殊类型的抽油泵。 例如，用于大排液量的双作用泵和套管泵，适用于高油气比井的防气泵，适用于稠油开 采的流线型泵和液压反馈泵，适用于多砂油井的防砂泵，在定向井中采用的悬挂泵，可 用于深井抽油的过桥泵等。这种特殊类型泵的出现，大大延长了抽油泵的检泵周期，满 足了不同油井的开采需要。 在抽油泵零部件方面，主要是不断提高泵筒一柱塞副的耐久性和阀组件的可靠性。 泵筒采用了多种原材料和热处理工艺，除渗氮外，发展了碳氮共渗、复合涂层以及镀硬 铬等工艺，柱塞除采用镀硬铬工艺外，发展了喷焊镍基合金工艺，正在试验喷涂陶瓷等 工艺。在提高泵筒一柱塞副的耐久性上，注意了泵筒材料与柱塞材料的合理匹配以及泵 筒柱塞副材料与油井条件相匹配。不同含砂量、不同油井介质( 含水、含h 。s 、含c o 。) 应选用不同的泵筒一柱塞副材料。为了提高阀组件的抗腐蚀性，用高碳铬不锈钢和铸钴 等材料替代一般的不锈钢。 三是在抽油杆方面，为适应深井抽油的需要，在原有的c 级、d 级、k 级抽油杆之外， 还研制出了h 级超高强度抽油杆和玻璃钢抽油杆，以及高频表面处理抽油杆、空心抽油 杆、玻璃钢抽油杆、连续抽油杆等，大大降低了抽油机悬点载荷和增加了泵挂深度。 玻璃钢抽油杆的应用是有杆抽油的一个重大技术进步。玻璃钢抽油杆密度小、重量 轻，在同样井深下，可大大降低抽油机悬点负荷与功率消耗；在使用同样抽油机的情况 下，可明显增加下泵深度。玻璃钢抽油杆的弹性模量较钢小，如与钢质抽油杆以适当的 2 第一章前言 比例组合成复合杆柱，可产生超冲程现象，增加油井产液量。此外，玻璃钢抽油杆有较 强的耐腐蚀能力。 为适应高凝油、高含蜡油与稠油开采的需要，出现了空心抽油杆，通过其内孔可向 井内注入热油或热水、稀释剂等液体。 此外，还出现了其他各种新型抽油杆，如铝合金抽油杆、非金属带状连续抽油杆、 椭圆截面连续抽油杆。连续抽油杆没有中间接头，减少了断裂事故，起下作业速度快， 与油管接触面积大，磨损小，特别适合于斜井、定向井、丛式井的采油。 除了抽油杆本身的技术进步以外，其配套器具亦具有相当快的发展。如各种各样的 扶正器，可以降低杆柱与油管间的摩擦损失，提高了效率，延长了使用寿命。防脱器可 以减少脱扣引起的事故。抽油杆震荡器可以降低杆柱截面内的应力，减少抽油杆断裂损 坏事故。抽油杆柱下部配套使用加重杆，可以改善下行程弯曲时杆柱的受力条件。 随着深层油藏的开发，增大泵挂深度、实现深抽是有杆泵采油所必须面对的问题。 但是对于有杆泵采油井的“深抽 ，目前并没有一个确切的定义去定义它，在石油行业也 没有明确的规定，到底什么是深抽，在全国的各类油田上也都有不同的理解。 目前，国外机抽方式中下泵深度最深的是美国，通过采用超高强度组合抽油杆的泵 挂深度已达4 4 2 0 m ：采用玻璃钢钢复合抽油杆柱的最大泵挂深度已达5 1 2 0 m 。国内利用 钢质抽油杆，其泵挂深度已可达3 0 0 0 m 以上。 有杆抽油系统组成不应只是机、泵、杆等设备，还应包括参数设计，如油井的完井 设计、有杆抽油设备、参数选择、设备优选等。目前有杆抽油技术已经形成了一个系统 工程，只有将这两方面结合起来，作为一个整体考虑并按系统效率进行优化，才能实现 抽油机井的精细化管理，使系统达到最优化运行，从而取得最佳经济效益。 随着科技的进展及计算机的普及，国内外对抽油机井抽汲参数的优化设计进行了大 量的探索和研究。大庆石油学院提出的优化模式以大量的现场测试数据为基础，建立抽 油机并排量系数、井下功率损失及地面效率的回归方程；对单井流入动态曲线进行修正； 建立了以系统效率为目标函数的抽油机井参数优化设计模型。大庆油田在对图示法和 a p i 法分析研究的基础上，提出双模双幂法和模糊数学法来优选抽汲参数。华北石油局 则依据a p ir p li l 的思路，结合油田矿场实际，从降低投资和一次性运行费用的基础上 出发，使抽油参数设计建立在长期规划基础上，进行参数优选设计。 目前我国抽油机井系统的设计方法，还存在以下不足：一是单纯强调满足油井配产 要求，却没有考虑整个系统的优化问题，忽略了系统效率这一综合指标；二是往往只选 取泵径、冲程、冲次作为设计变量，对泵挂深度和动液面深度未能综合考虑；三是产能 预测仍然存在较大偏差。 抽油机井采油方式发展时间最长，技术比较成熟，工艺比较配套，但主要问题在于 如何将机杆泵配套装置和抽汲工作参数与地层产能充分协调，以提高其系统效率。据 报导，国外采用技能抽油机后的系统效率一般在3 0 - - 4 7 ，据有关专家估计，我国抽油 3 西安石油大学硕士学位论文 机井的系统效率在1 2 3 0 之间。根据对国内外文献数据的检索和调研，我国部分油田抽 油机井系统效率情况见表1 1 。从表中可以看出，目前我国有杆抽油系统效率基本上是 美国上个世纪八十年代的水平。国外最近研究结果表明，有杆抽油系统效率已高于潜油 电泵井的系统效率，游梁式抽油机有杆抽油系统效率可超过4 0 ，长冲程节能抽油机有 杆抽油系统效率可超过5 0 。显然，我国目前有杆抽油系统效率和国外先进水平相比还 有一定差距，因此继续研究有杆抽油系统，提高有杆抽油技术的总体水平必将产生巨大 的经济效益。长庆采油三厂靖安油田是典型的低渗透油田，抽油机并尚具有很大的节能 潜力，其系统效率也有待进一步提高，因此有必要分析影响抽油系统效率的主要因素， 通过采取措施增产、抽汲参数优化、动态调整抽油机平衡、推广抽油机无功补偿等技术 措施，有效提高系统效率，达到延长系统使用寿命、降低操作成本的目的，提高有杆抽 油技术的总体水平必将产生巨大的经济效益。 表卜1 国内部分油田系统效率统计表 油田 美国 中国 大庆 孤东采油 华北油田 欢喜岭油 胡庆油田 长庆马岭 统计时间 1 9 9 6 1 9 8 6 1 9 9 6 2 0 0 3 2 0 0 2 2 0 0 2 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 3 系统效率 2 9 4 1 2 3 0 1 8 2 8 7 4 2 0 3 2 7 8 5 2 4 4 5 2 5 8 2 5 8 1 9 9 7 1 7 6 ( 莫北2 1 7 0 ( 莫北5 2 2 1 ( 莫0 0 9 1 3 6 2 6 o 备注 1 0 6 5 口井测试平均植 专家估计 平均 6 9 口试验井 平均 2 1 2 口井测试平均 平均 7 6 口井优化后统计 平均 平均 实测平均( 油层埋藏深度 3 8 0 0 4 0 0 0 m ，泵挂2 5 0 0 m 左 右) 平均 优化井统计 1 3 研究思路及主要研究内容 本文以长庆采油三厂靖安油田抽油机井为研究对象，针对目前该油田抽油机井生产 存在的问题，通过对靖安油田郝坨梁、盘古梁、虎狼峁、五里湾等区块抽油机井系统效 率的测试、计算、分析；。明确该区机械采油系统效率的现状i 嗵过对系统效率的分解， 4 2、，伽2 西 田依 石田 油玛 疆油 留拉 r j 新 文克 第一章前言 分析影响机械采油系统效率的主要因素，并提出提高抽油机井系统效率的技术措施。通 过生产现场试验，验证技术措施的可行性。 主要研究内容： ( 1 ) 系统效率测试技术、功率法平衡分析技术、电网及电机运行效率研究、井筒管理 及抽油机井优化技术研究。 ( 2 ) 通过对靖安油田抽油机井系统效率进行测试，结合现场实际生产情况，对系统效 率测试数据进行分析和评价，找出影响靖安油田机采井系统效率的主要因素。 ( 3 ) 研究了沉没压力与系统效率的关系，分区块、分油藏绘制侏罗系及三迭系油藏抽 油机井系统效率分布图； ( 4 ) 根据敏感性分析结果，提出具有可操作性的提高靖安油田系统效率的技术措施。 ( 5 ) 以抽油机井系统效率为目标，对靖安油田抽油机井进行优化设计，并进行现场实 施，通过地面与井筒综合治理，使抽油机井系统效率提高2 以上。 1 4 技术路线 通过应用新型测试技术，取全取准测试资料，并利用抽油机井优化设计系统对抽油 机井进行敏感性分析以及优化设计，结合适用的节能技术，有效提高抽油机井系统效率。 图卜1 技术研究路线 西安石油大学硕士学位论文 1 5 创新点 本课题通过对抽油机井系统效率测试技术进行研究，摸索出了适合靖安特低渗透油 田的系统效率测试方法，在长庆靖安油田建立了抽油机井系统效率监测体系；通过完善 “抽油机井系统效率分析优化技术”，在靖安油田建立了抽油机井系统效率优化设计系 统，深入分析了影响抽油机井系统效率的主要因素，重点考虑电机、抽油机等地面设备 的机械特性以及井下杆柱组合、泵挂深度、溶解气、抽油泵实际充满程度的影响，利用 实测数据和优化设计软件及时生成油井设备及运行参数动态优化调整方案，有效提高了 抽油机井系统效率。 6 第二章抽油机井系统效率分解与测试 第二章抽油机井系统效率分解与测试 2 1 系统效率的定义 有杆抽油系统包括电动机、抽油机、抽油杆、抽油泵、井口装置和井下管柱。应用 有杆抽油系统的目的就是将地面的电能传递给井下液体，从而举升井下液体，整个系统 工作时，就是一个能量不断传递和转化的过程，在能量的每一次传递时都将损失一定的 能量，从地面系统供入的能量扣除系统的各种损失以后，就是系统所给液体的有效能量。 这一将液体举升至地面的有效作功能量与系统输入能量的比值就是抽油机井系统效率， 下图为有杆抽油系统示意图。 抽油机 图2 1 有杆抽油系统 p 即： 1 1 = 尹枷o 其中：抽油机的输入功率( p 入) 就是拖动抽油机的电动机的输入功率； 相电能表测量时，用下式计算输入功率： 月：3 6 0 0 r i p k k 1 1 n p tp 式中： p 。一输入功率，k w ； n p - 有功电能表所转的圈数，r ； 卜电流互感器变化，常数； 7 ( 2 一1 ) 用指针式三 ( 2 - 2 ) 西安石油大学硕士学位论文 k 。一电压互感器变化，常数； n r 有功电能表耗电为l k w h 时所转的圈数，r ( k w h ) ： t p 一有功电能表转n ，圈所用时间，s 抽油系统的有效功率( p 有) 是在一定的扬程下，将一定量的井下液体提升到地面所 需要的功率，也叫水功率。 昱：逝( 2 3 ) 8 6 4 0 0 、 式中： p 2 - 有效功率，k w ； 卜油井产液量，m 3 d ： 日一有效扬程，m ： p 一油井液体密度，t m s ： r 重力加速度，g = 9 8 m s 2 。 有效扬程： ，：月+ ( p o - p l ) x 1 0 0 0 p g 式中： h _ 油井动液面深度，m ： 风一油管压力，m p a ； p l 套管压力，m p a 。 油井液体密度： ( 2 - 4 ) 当油井液体密度未能实际测得时，可用下式近似计算： p 。( 1 一无) p o + 兀p 。 ( 2 5 ) 式中： f w 一含水率，： 风一油的密度，t m 3 ： 几一水的密度，t m 3 。 2 2 系统效率分解 根据抽油机系统的工作特点，可将抽油机井系统效率分为两部分：即地面效率和井 下效率( 以光杆悬绳器为界) ，悬绳器以上的机械传动效率和电动机运行效率的乘积为 地面效率；悬绳器以下到深井泵，由深井泵再到井口( 包括回压) 的效率为井下效率，则系 统效率t l ： p pp t 1 2 l p2 产产2 q - t 1 井( 2 - 6 ) 8 第二章抽油机井系统效率分解与测试 式中： 1 1 地面效率，； 1 1 井下效率，； p 一光杆功率，k w ； p ：丝：墅：盘：堡 ( 2 7 ) 克 6 0 0 0 0 式中： p 光- 抽油机井光杆功率，k w ； 示功图的面积，m i l l 2 ： s 广示功图力比，n r a m ； f d 减程比，m r a m n f 一光杆实测平均冲次，m i n 。 抽油机系统的光杆功率就是光杆提升液体和克服井下各种阻力所消耗的功率。 抽油系统的地面效率1 1 地即为抽油机效率是指光杆功率p 光与抽油机输入功率p 入的 比值，地面部分的能量损失发生在电动机、皮带和减速器、四连杆结构中，因此： p 1 1 = p 2 k 1 1 。t 1 2x t l ， ( 2 - 8 ) 入 式中：i ( _ 有效载荷系统； t 1 一电动机效率； ”一皮带和减速箱效率； ”一四连杆机构效率 其中皮带和减速箱效率1 1 ：应该继续分解为皮带效率t 1 带和减速箱效率1 1 糟，由于抽油 机结构的限制，皮带的输出功率不便测试，因而不做进一步分解，有效载荷系统k 是由 于上下冲程时四连杆机构中能量的传递方向不同而引入的一个系统。 式( 2 - 8 ) 中各分效率又可表示为： ：生 只 一b b p 4 只 式中： p l 一电动机输入功率，即p 八，k w ； p 2 一电动机输出功率，k w ； p 3 一减速箱输出功率，k w ； p 广光杆功率，即p 光，k w 。 9 ( 2 - 9 ) 西安石油大学硕士学位论文 抽油系统的井下效率r i 井是指抽油系统的有效功率( 水功率) p 有与光杆功率p 光的比 值。p 育与p 光之差反映了井下摩擦、杆柱振动和惯性以及漏失等因素引起的功率损失， 井下部分的能量损失在盘根盒、抽油杆、抽油泵和管柱中，因此 p r l - v 青- = 1 1 x r l ，x r l 。t 1 ， ( 2 1 0 ) 先 式中： r l 广盘根盒效率； t 1 广抽油杆效率； n 广抽油泵效率； t l 广管柱效率： 式中各分效率又可表示为： ps p p6 p 5 p ， p6 pt | p ， ( 2 1 1 ) 式中： 一光杆盘根盒后传给抽油杆的功率 抽油泵的输入功率 局一抽油泵的输出功率 只一有杆抽油系统的有效功率，即味。 由以上分析可知，抽油机井系统效率可分解为： q 2 i 1 - 1 1 井= k 一，1 1 ：1 1 ，1 1 q s 1 1 。1 1 ， ( 2 - 1 2 ) 2 3 系统效率测试参数及计算公式 2 3 1 电动机部分 电动机的测试参数有：有功功率、无功功率、电流、 矩等。 1 、有功功率 瞬时有功功率： p 入。= p7 k l 式中： p 入广瞬时有功功率，k w l o 电压、电机转速、电机输出扭 ( 2 1 3 ) 暑 譬 暑 罨 ， 7 吁 叩 可 叩 第二章抽油机井系统效率分解与测试 p7 ：_ a d 变换器采集的数值量； k 。一单位数值量所代表的有功功率，k w 平均有功功率： p h = 等曼p k 矗t 式中： p 入一均有功功率，k w p 入广瞬时有功功率，k w t _ 抽油机一个或几个整冲程所需要的时间，s 2 、无功功率 瞬时无功功率： w 。= w7 k 2 式中： w 。一瞬时无功功率，k v a r w7 _ a d 变换器采集的数值量 k 2 一单位数值量所代表的无功功率，k v a r 平均无功功率： 矾= ；r 融 式中： w a 平均无功功率，k v a r w 。一瞬时无功功率，k v a r t 一抽油机一个或几个整冲程需要的时间 3 、电流 瞬时电流 i 。= i7 l ( 3 式中： i 。一瞬时电流，a i7 a d 变换器采集的数值量 l ( 3 一单位数值量所代表的电流值，a 平均电流 1 ：一1 i d l t 南 式中： i 平均电流，a ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 西安石油大学硕士学位论文 i 。一瞬时电流，a t 一抽油机一个或几个整冲程需要的时间 平衡度 b ：b ：! 二兰竺：竺竺1 0 0 j 上冲罹t 丈电蠢 式中 b 一电流平衡度 4 、电压 瞬时电压： u ：= u7 l ( 4 式中： u 。一瞬时电压，v u7 a d 变换器采集的数值量 l ( 4 一单位数值量所代表的电压值，v 平均电压： v o = ；毫u t d t 式中： u - 平均电压，v u 广瞬时电压，v t 一抽油机一个或几个整冲程需要的时间 5 、功率因数 瞬时功率因数： e ：j ，l 只+ 形 式中： c t - 瞬时功率因数 p 广瞬时有功功率，k w w t - 一瞬时无功功率，k v a r 平均功率因数： c o = ；t 式中： c 一均功率因数 c 。_ 瞬时功率因数 1 2 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 第二章抽油机井系统效率分解与测试 t 抽油机一个或几个整冲程需要的时间 6 、电动机转速 电动机瞬时转速 n 。= k j n 式中 n 。一电动机瞬时转速，r m i n n7 一转速传感器输出脉冲数 k 球速传感器常数 电动机平均转速： = 7 ir _ 衍 式中 n a 电动机平均转速，r m i n n t - 电动机瞬时转速，r m i n 卜抽油机一个或几个整冲程所需时间，s 7 、电机输出轴扭矩 电机输出轴扭矩为： t = 丽x e 而d 3 a s 式中 心。一电机输出轴扭矩，n m e 一电机轴弹性模量，e = 2 1 1 0 6 ，n m i l 一泊松比 酩一电机轴平均应变值，应变1 0 8 2 。3 2 皮带一减速箱部分 理论上讲，皮带、减速箱应当分别测试，从而分别计算他们的效率。 的结构原因，单独测试相当困难，因此将该部分作为一个整体对待。 皮带一减速箱的测试参数有：减速箱输出轴扭矩和输出轴转速。 1 、输出轴扭矩 输出轴扭矩计算公式同式( 2 - 2 3 ) 2 、输出转速 输出轴平均转速即是抽油机的冲次，由于冲次较低，可用秒表测试。 2 3 3 光杆部分 ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 但由于抽油机 西安石油大学硕士学位论文 光杆部分的测试参数：光杆载荷、光杆位移、光杆功率 1 、光杆载荷 f 。= i ( 6 f ( 2 2 4 ) 式中： f ，光杆载荷，k n f a d 转换器采集的数值量 k 6 _ 单位数值所代表的光杆载荷值，k n 2 、光杆位移 s 。= k ，s 7 ( 2 2 5 ) 式中 s t - 一光杆位移，m s a d 转换器采集的数值量 k 广单位数值所代表的光杆位移值，m 3 、光杆功率 只= i ir e s 。d t 式中 p 广光杆功率，k w f 。一光杆载荷，k n s t _ 光杆位移，m 卜抽油机一个或几个整冲程所需时间，s 如果示功仪为一般动力示功仪，可用下式计算光杆功率 只= 三垦! 茎黑p q nkw(2-26) 6 0x10 0 0 6 2 。 式中 示功图面积：实测的示功图面积，m m 2 p _ 示功仪力比，n m m 卜示功仪减程比，m m m n 抽油机冲次，m i n q 2 3 4 盘根盒部分 盘根盒的测试参数有：光杆与盘根盒的摩擦力、光杆运动速度，盘根盒的功耗如下： 蛾= 丽f x v k w ( 2 2 7 ) 1 4 第二章抽油机井系统效率分解与测试 式中 f l 光杆摩擦力，n v l 光杆运动速度，m s 从上式可以看到，只要我们测出摩擦力f ， 输出功率就可用下式表示： p s = p t 一尸盘 k w 2 3 5 抽油杆部分 就可计算盘根盒的功耗，从而盘根盒的 抽油杆部分主要测试抽油杆在运动中的摩擦损耗， 擦的功率损耗为峨，则抽油杆输出功率 p e = p t 一蛾一略m1 i 2 3 6 抽油泵部分 ( 2 2 8 ) 抽油杆与油管及抽油杆与液体摩 ( 2 - 2 9 ) 抽油泵的测试参数有：抽油泵的实际产液量q 、泵的吸入压力p 嗳、抽油泵的排出压 力p 捧，抽油泵的有效功率为： 只：q x h x p x g( 2 3 0 ) ，一一 、- u v ， 8 6 4 0 0 式中 q 一抽油泵实际产液量，m 3 d p 一油井液体密度，t m 3 g 一重力加速度，g = 9 8 m s 2 h 一抽油泵实际有效扬程，m 日，：坠二型l o o o + h p x g 中 p 捧_ 抽油泵排出口压力，m p a p 曩抽油泵吸入口压力，m p a h 一抽油泵长度，m 2 3 7 井下管柱部分 井下管柱的测试参量有：油井产液量q 、动液面深度h 等 有杆抽油系统的有效功率为： dh 。x q x p x g ，= 一 86 4 00 式中 q 一油井产液量，m 3 d p 一油井液体密度，t m 3 ( 2 - 3 2 ) 西安石油大学硕士学位论文 g 一重力加速度，g = 9 8 m s 2 h 一有效扬程，m 日，：日+ ! 刍二垒! 1 0 0 0 ( 2 3 3 ) p g 式中 h 一油井动液面高度，m p 油_ 油井井口油管压力，m p a p 广油井井口套管压力，m p a 2 4 系统效率测试 目前抽油机井系统效率测试都采用专用的测试仪器进行测试，即系统效率测试仪， 从而得到比较精确的功耗数据，方便系统效率的计算。抽油机井系统效率测试点分布见 图2 - 2 。 2 4 1 输入功率测试 由公式( 2 2 ) 可知，用指针式三相电能表测量抽油机输入功率时，需要知道n ，、n ， 及t ，并且游梁式抽油机在一个冲次内( 一上一下) 。电动机的输入功率周期性变化，电 动机的输入功率有时可达到额定值，有时几乎空载运行，有时处于发电运行，抽油机发 电的主要原因是抽油机的平衡块调整不当使某个时段电动机的转速周期性的超过同步转 速所致，抽油机平衡度越差发电功率越大，由于这些因素的存在，导致输入功率在测量 上存在很大误差，由于靖安油田井数多，用该方法测试在操作上极为不便，导致工作效 率降低，增加油田开发成本。 目前靖安油田抽油机井系统效率测试都采用专用的测试仪器进行测试，该仪器能高 速测量和记录电流、电压、频率、有功功率、功率因数、视在功率、无功功率等全部电 能数据，可显示电流电压波形及相位关系，并可进行电流电压谐波分析。 用系统效率测试仪测量抽油机井输入功率要求重复测量三次，取其平均值，由于输 入功率是相对于时间的平均值，所以测试时间的长短，将直接影响该数据的准确度。以 3 5 分钟的测试时间来测试输入功率，在产液量大且稳定的情况下是可行的。但对于靖 安油田，尤其是在低产井上，测试误差较大，测试时间越长，测试数据越准确，然而在 目前条件下要做到长时间不间断测试，技术上不可行，从油田正常生产来说也不可取， 因此，根据现场测试情况来看，要结合油井示功图的测取，在油井正常出液的情况下， 普查井测试2 0 分钟取得输入功率值即可，对特殊井，需延长测试时间，以正确认识油井 生产情况。 2 4 2 油井产液量测试 在现场测试中，产液量的测量一般采用如下几种方法，但都存在一定的误差都。 l 、直接引用报表产量 1 6 第二章抽油机井系统效率分解与测试 存在的问题是：报表产量中有些油井是分配产量，与油井的实际产液量存在较大的 误差，从而造成了计算出的系统效率数据误差较大。 2 、单量产量 由于客观条件的限制，往往在进行系统效率有关参数测试时，很难实现同步单量， 且单量时间短，自然就影响系统效率的计算值。 3 、油井示功图折算产量 对于低产井测试时间长，最长需要6 个小时，不适于系统效率的普查。 在系统效率的测试中应采用同步单量液量，单量时间要加长。 输入功率、屯参数 图2 - 2 抽油机井系统效率测试布点及仪器连接示意图 2 4 3 油井含水率测量 井口取样，用蒸馏水或离心法测量 2 4 4 油井井口油压和套压测量 在油井井口油管和套管上分别装上压力表测其油压和套压。 2 4 5 动液面深度测试 在井口上装回声仪、综合测试仪等专用仪器，测量油井环形空间的液面深度。应连 续测量3 次，求其平均值。 2 4 6 油井示功图测试 在抽油机悬绳器处装示功仪，测量抽油机的示功图，应连续测量3 次，求其平均值， 从而计算光杆功率。 1 7 西安石油大学硕士学位论文 第三章靖安油田抽油机井系统效率现状 3 1 靖安油田地质特征 靖安油田位于陕西省志丹县和靖边县境内，分为五个采油作业区，分别是五里湾一 区、二区、盘古梁作业区、郝坨梁和虎狼峁作业区，是采油三厂的主要采油区域，目前 开采层系以三叠系长6 为主，其次是侏罗系的y 9 、y i o 、y 8 ，还有长2 和长。探明含 油面积4 3 7 7 k m 2 ，探明地质储量2 6 3 3 5 1 0 4 t ，溶解气储量1 3 6 2 6 1 0 8 m 3 ，累积动用含 油面积1 8 5 5 k m 2 ，地质储量1 4 5 4 9 1 0 4 t ，累计建成产能1 8 0 1 1 0 4 t 。 靖安油田区域构造上位于鄂尔多斯盆地以及构造单元陕北斜坡中东部，东部与著名 的低渗透油田安塞油田向邻。区域背景为一平缓西倾单斜( 倾角小于l 。) ，在此背景上 发育多组轴向近东西向的鼻状隆起，与上倾方向的岩性尖灭或岩性致密带匹配形成岩性 圈闭油藏。靖安油田主要发育侏罗系y 9 、y l o 和三叠系长6 、长2 四套含油层系。 三叠系长6 油藏是靖安油田的主力油藏，主要分布在五里湾区、盘古梁区及虎狼峁 区，油藏埋深在1 8 0 0 - - - 2 0 0 0 米左右，为一套湖成缓坡三角洲沉积砂体，岩性以深灰绿色 细粒硬砂质长石砂岩为主，成分及结构成熟度都较低，加上后期成岩作用强烈，岩性致 密，流体渗流能力差( 平均空气渗透率1 8 l 1 0 3l am 2 ) ，压力系数低( o 6 7 ) ，储量丰度 低( 7 5 1 0 4 t k m 2 ) ，平面上大面积连片，砂层厚度大，平均厚度1 5 m ，最厚处达3 0 m ， 储层物性好，孔隙度1 2 8 ，原始地层压力1 2 4 m p a ，油井自然产能低，是一个特低渗、 异常低压、低丰度的“三低 岩性油藏。 侏罗系油藏均为河流相沉积，在y l o 期，砂坝沉积为其典型特征，平面上砂体展布 呈蜿蜒蛇曲形，剖面上具有河流相沉积所具有的典型特征，河道砂体底部具有冲刷面， 与前期沉积呈突变接触，发育底部滞留砾石沉积，向上力度由粗变细，二元结构明显。 y ，期以上各期，古地形呈平原化，发育平原网状河、沼泽河浅湖相沉积，水流速度变缓， 河道呈网状交织，砂体呈正韵律或复合韵律，常见快速废弃河道特征。侏罗系油藏在本 区分布广泛，但由于河流相砂体较三角洲砂体明显偏小，导致单个油藏规模小，勘探难 度大，主要呈土豆状不连续分布于z j 2 ，z j 4 ，位于盘古梁区西南和五里湾地区。y 9 、y l o 是侏罗系主要油藏，为河流相沉积，岩性以灰绿色中细粒长石砂岩为主，物性相对于三 叠系长6 油藏好一些( 平均空气渗透率1 i f - - 2 0 1 0 0i lm 2 ) 。油藏埋深一般在1 0 0 0 1 5 0 0 m 左右。 3