低渗透油田抽油机节能技术研究与应用

1、1问题的提出大庆西部外围低渗透油田具有“三低”特点,油层埋藏深,按照常规方法选配抽油设备,造成载荷利用率低,系统效率低,电机功率利用率低,严重制约油田开发效益。分析原因主要有两方面:一是外围低渗透油田产液规律发生变化,油井产液量低,并且随开发时间的延长,产液量一般不增加或下降;二是抽油机和拖动装置运动方式发生了变化,目前应用的节能抽油机,其运行特性和游梁抽油机有所不同,其峰值扭矩降低,如双驴头、下偏杠铃抽油机等;拖动装置克服启动扭矩的性能提高了,如高滑差、高启动扭矩、永磁、双功率电机等。为此,必须对低渗透油田抽油机选型技术进行深入的研究,以满足油田经济有效开发的需要。2抽油机选型技术研究2.1

2、低渗透油田抽油机井产液、载荷变化趋势研究2.1.1通过相渗透率曲线分析预测已投产低渗透油田产液变化规律油井的产液量是采液指数与生产压差的乘积。由于低渗透油田投产后地层压力下降很快,恢复起来十分困难,地层压力保持水平不高,一般只有地层原始压力的60%左右。因此,低渗透油田产液量变化主要受采液指数影响,通过采液指数变化规律的分析即可得出产液量变化规律,并且,当采液指数最大值时,产液量相应取得极大值。无因次采液指数为某一含水下的采液指数与含水为零时的采液指数(即采油指数之比,是评价不同含水条件下油井采液能力的指标。它只与储层类型和油藏流体性质有关,不同储层无因次采液指数随含水的变化规律不同。无因次采

3、液指数随含水的变化可由相渗透率曲线计算求得。产量计算公式为:油井产油量公式为:Q o =2k ro kh(p h -p w o lnr hr w(1油井产水量公式为:Q w =2k rw kh(p h -p w w lnr hr w(2含水率与相对渗透率的关系为:f w =11+k ro wk rw o(3无因次采液指数为:J D L =k ro +k rw ow(4由式(3和式(4可以绘制出无因次采液指数随含水的变化曲线(见图1。根据上述方法对已投产的龙虎泡等油田进行了预测分析(见图2。低渗透油田抽油机节能技术研究与应用尹喜永,姜凤军,高连长,于守影,王欣欣(大庆油田有限责任公司第九采油厂,

4、黑龙江大庆163853摘要大庆西部外围低渗透油田具有“三低”特点,油层埋藏深,按照常规方法选配抽油设备,造成载荷利用率低,系统效率低,电机功率利用率低,严重制约油田开发效益。针对低渗透油田抽油机配置偏大,系统效率低、能耗高的问题,通过理论研究和统计分析的方法研究产液指数的变化规律,进而得出抽油机载荷的变化规律,调整低渗透油田抽油机选型技术界限;结合节能设备特性进一步完善功率等计算方法,实现节能降耗的目的。现场应用519口抽油机井,取得了较好效果,平均单井日节电60kW h ,单井系统效率提高了2.4个百分点,年节电552×104kWh 。关键词低渗透油田抽油机选型技术作者简介:尹喜永

5、,高级工程师,1990年毕业于大庆石油学院开发系采油工程专业,主要从事采油工程工作。E-mail:yinxiyong节能政策与技术106第12卷第3期2007年6月中外能源SINO-GLOBAL ENERGY图1无因次采液指数随含水的变化曲线采 液指数 ;采油指数无因次采液(油指数无因次采液(油指数1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.0000.000 0.2000.4000.600 0.8001.000含水(a龙虎泡油田无因次采液(油指数与含水关系曲线无因次采液(油指数无因次采液(油指数(c龙南油田无因次采液(油指数与含水关系曲线0.0000.2000.4000.6

6、000.8001.000含水(b新站油田无因次采液(油指数与含水关系曲线1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.0000.0000.2000.4000.6000.8001.000含水1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.0000.0000.2000.4000.6000.8001.000含水(d新肇油田无因次采液(油指数与含水关系曲线1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.000图2含水饱和度和油水相渗透率关系曲线油相相对渗透率;水相相对渗透率107第 3期尹喜永等.低渗透油田抽油机节能技术研究与应用油相相对渗透率油相相对

7、渗透率油相相对渗透率水相相对渗透率1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水饱和度,%(a龙虎泡油田相渗透率曲线1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10油相相对渗透率(b新站油田相渗透率曲线1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水饱和度,%1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10水相相对渗透率(c龙南油田相渗透率曲线1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水饱和度,%1.00.90.80.70.60.50.

8、40.30.20.10水相相对渗透率水相相对渗透率(d新肇油田相渗透率曲线1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水饱和度,%1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10从图2可以看出,随着含水饱和度的增大,油相渗透率下降很快,水相渗透率上升很慢,并且油水两相流动范围很窄,残余油下的水相渗透率很小。从图1可以看出,含水100%时,采液指数也小于无水期采液指数。初步分析1,主要影响因素有:油水黏度、润湿性、黏土矿物的水敏和盐敏等,低渗透油层一般地下原油黏度比较低,油水黏度比小,岩石表面润湿性一般偏亲水,束缚水饱和度较高;孔喉细小,

9、容易被矿物微粒堵塞等。2.1.2并不是生产压差越大,产量越高从低渗透油井IPR曲线及现场实际情况看,流压低于某个值(最小流压后,产量随生产压差增大而下降。说明不能用加深泵挂和放大生产压差的方式来提高产量。产生这种现象的原因有3个因素2:一是当井底流压降到一定程度后,在近井地带的油层中形成气化液体渗流,使油相渗透率大幅下降。二是当井底流压降低后,储层岩石发生弹性或塑性变形,使储层渗透率下降。三是当井底流压降低后,溶解气的稀释效应降低,原油黏度增加。2.1.3统计分析已投产低渗透油田产液及抽油机载荷变化规律对新肇油田20002005年抽油机井实际载荷、产液、含水变化情况进行了调查分析。结果表明:平

10、均日产液由4.2t/d下降到2.6t/d,含水由12.5%上升到44.7%,平均最大载荷由42.5kN下降到31.0kN,新肇油田装机额定载荷80kN,实际载荷利用率由53.1%下降到38.8%。2.1.4从龙虎泡油田提液稳产试验分析低渗透油田提液的可行性19982001年在龙虎泡油田进行提液稳产试验,平均单井日产液由9.7t/d增加到11.9t/d,日产油由3.6t/d下降到2.9t/d,综合含水由62.9%上升到75.6%。虽然产液量有一定提高,但靠提液稳产是不可行的。以上研究结果表明,对于低渗透油田:一是开发过程中,产液量不增加或增加幅度较小;二是通过提液或放大生产压差来提高产量的可行性

11、较小;三是抽油机井初期负载是最大负载。2.2初期载荷、扭矩利用率研究按API标准要求结构件安全系数为3.3,轴件安全系数为5.0,以便满足抽油机在特殊情况下(活塞卡、轴力与力偶等影响也不致发生事故。因此,根据选择游梁式抽油机的原则,同时考虑到抽油机长期可靠工作,低渗透油田抽油机初期最大载荷利用率95%,扭矩利用率90%。2.3装机载荷、扭矩、电机功率确定方法研究2.3.1载荷计算抽油机在正常工作时,悬点所承受的载荷根据其性质可分为静载荷、动载荷以及其他载荷。静载荷通常是指抽油杆柱和液柱所受的重力以及液柱对抽油杆柱的浮力所产生的悬点载荷;动载荷是指由于抽油杆柱运动时的振动、惯性以及摩擦所产生的悬

12、点载荷;其他载荷主要有沉没压力以及井口回压在悬点上形成的载荷。沉没压力的影响只发生在上冲程,它将减小悬点载荷4。液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压,将对悬点产生附加载荷,其性质与油管内液体的作用载荷相同,即上冲程中增加悬点载荷,下冲程中减小悬点载荷。因二者可以部分抵消,一般计算中常可忽略。因此,悬点最大载荷是由抽油杆载荷、液柱载荷、振动载荷和惯性载荷组成。W m ax=Wr+Wl+Ef raS2sinr+L a!"(5 2.3.2扭矩计算为了使悬点以一定的载荷和一定的抽汲方式(冲程、冲次工作,减速器曲柄轴就需要给出一定的扭矩,因此,减速器曲柄轴额定扭矩是游梁式抽油机的基本参数

13、之一。理论分析和实际使用表明:减速器曲柄轴净扭矩大小和悬点载荷,各杆件几何尺寸及抽油机的平衡程度有密切的关系。在抽油机使用说明书中,有一张光杆位置因数(PR和扭矩因数(TF表,可以利用扭矩因数去求取悬点运动速度和加速度,进而求得载荷和扭矩。扭矩因数TF=ACR sinsin=v悬点速度=TF悬点加速度a=dvdt=d(TFdt=d(TFd=2d(TFd曲柄旋转角速度=n30刚要上行时弹性变形中的静载荷W1=SW1PR+Wr2007年第12卷108中外能源SINO-GLOBAL ENERGY表1古1区块系统效率测试情况表电机型号测试井数日产液/(t d -1动液面/m消耗功率/(kWh -1装机

14、功率/kW 实际举升高度/m系统效率,%单位耗电/(kWh(100m t-1YCHD 93.11266.03.117/8.51188.111.52.0TNM 82.71169.82.6418.501152.111.72.3YCD62.71168.63.4513.001185.29.22.9刚要下行时弹性变形中的静载荷W 2=SW f (PR-1+(W r +W 1上冲程各点载荷W u =(W r +W 11+a g !"下冲程各点载荷W d=W r1+a g!"曲柄扭矩M n =(W-GTF-M sin(+(6平衡扭矩M=12S W r +12W l!"抽油杆在液

15、体中的载荷W r =(1-0.1271W r =(1-0.1271q r L液柱载荷W l =1gH 0A p冲程损失=r +t =(E r +E t W l L通过查表即可计算出不同曲柄转角下的扭矩,通过绘制扭矩曲线即可求得最大扭矩。2.3.3电机功率计算对于驱动恒定负载的电动机,将装置的输出功率除以装置的传动效率,就是所需的电动机的额定功率。抽油机的情况则要复杂的多,其输出功率(或扭矩是周期性变化的,但电机的有效功率(输出功率是作用在光杆上的功率,即通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率。光杆功率P r =(W l +0.015W r +1717SN1000×60平均功率P

16、 m =P rc 额定功率P n =C L F P m2.4节能抽油机及电机组合评价2.4.1抽油机节能检测情况自2002年开始在杏西油田水力模拟试验井对不同节能抽油机、电机及配电型产品等进行了不同组合的检测,结果是:抽油机:双驴头、下偏杠铃、摩擦智能抽油机与同型常规抽油机相比,节电率20%以上。机电匹配:与偏置抽油机匹配,双功率电动机节电效果较好,平均综合节电率为7.8%。其次为高扭矩电动机,平均综合节电率为3.73%;超高滑差电动机,平均综合节电率为2.4%。与双驴头抽油机匹配,永磁电动机的节电效果较好,平均综合节电率为8.77%;其次是双功率电动机,平均综合节电率为3.23%。与偏轮抽油

17、机和调径变矩抽油机匹配,永磁电动机有一定的节电效果,平均综合节电率分别为5.86%和6.52%。与摆杆抽油机匹配,永磁电动机为最好,平均综合节电率为13.67%。与下偏杠铃抽油机匹配,均没有节电效果。2.4.2现场应用在古1区块进行了TNM 、YCD 和YCHD 电机对比试验(见表1。从百米吨液耗电看,YCHD 双速电机最低,YCD 电机最高,TNM 电机居中;从系统效率方面看,TNM 电机最高,YCD 电机最低,YCHD 双速电机与TNM 电机基本相同。该区块使用节能电机平均系统效率为10.9%,单井日耗电平均为72.3kWh ,与全厂系统效率8.4%相比,提高2.5%。因此,抽油机选择双驴

18、头、下偏杠铃及摩擦换向抽油机,对于单井产能波动较大的井,推荐使用YCHD 一体化拖动装置;对于产量较高的井,推荐使用TNM 一体化拖动装置。2.5现场试验效果现场应用519口抽油机井,取得了较好效果,抽油机机型下降一个级别,悬点载荷由95kN 下降到73kN ,装机功率由20.7kW 下降到15.4kW ,节省采油工程投资524×104元,平均载荷利用率为66%,扭矩利用率为37.2%,电机功率利用率23.1%。平均单井日节电60kWh ,单井系统效率提高了2.4个百分点,年节电552×104kWh 。3结论及建议低渗透油田开发过程中,产液量不增加或增加幅度较小;通过提液或

19、放大生产压差来提高产量的可行性较小;抽油机井初期负载是最大负载。低渗透油田计算光杆功率时摩擦功率不能忽略。109第3期尹喜永等.低渗透油田抽油机节能技术研究与应用Study and Application of Energy-Saving Technology for Pumping Unitin Low Permeability OilfieldY in Xiyong ,Jiang Fengjun ,Gao Lianchang ,Y u Shouying ,Wang Xinxin(No.9Oil Production Plant of Daqing Oilfield Company Ltd.

20、,CNPC ,Heilongjiang Daqing 163853AbstractThe low permeability oilfield in peripheral area of Daqing is characterized by three low properties.The oil layer is deep.Selecting oil pumping equipment by routine method can cause a series of problems as low load utilization factor ,system efficiency and mo

21、tor utilization factor ,which restrict oilfield development benefit.Aimed at the problems of big pumping unit allocation ,low system efficiency and high energy consump-tion ,the change law of pumping fluid exponent is studies by theory and analytical method.Then the change law of pumping unit load i

22、s obtained and a technical limitation of pumping unit lectotype in low permeable oilfield is adjusted.The calculation method is improved and the objection of energy saving and consumption reducing combined with the characteristics of energy saving equipment.Through applying in 519rod -pumped wells ,

23、a good effect has been gotten.The electricity is average saved 60kW/h per day.The system efficiency is improved 2.4%per well and the electricity is saved 552×104kW/h per year.Keywordslow permeability oilfield ;pumping unit ;lectotype technology利用抽油机的位置因数和扭矩因数,求解悬点运动速度,进而求得不同曲柄转角下的载荷,绘制出扭矩曲线,可较精确地预测减速箱最大扭矩,为优选抽油机提供依据。抽油机选择双驴头、下偏杠铃及摩擦换向抽油机,对于单井产能波动较大的井,推荐使用YCHD 一体化拖动装置;对于产量较高的井,推荐使用TNM 一体化拖动装置。符号说明:Q o 为油井产油量,m 3/s ;Q w 为油井产水量,m 3/s ;K 为储层有效渗透率,#m 2;h 为储层有效厚度,m ;K ro