安塞油田采油系统节能降耗技术

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1、160 一、安塞油田采油系统能耗现状及影响因素分析 （一）采油系统能耗现状安塞油田目前有油井 3358 口，开井 2999 口， 2006 年对安塞油田 2790 口抽油机井进行系统能耗测试，全油田平均单井耗电 66.72 kwh/d。各区块因油层深度及产液能力的不同，单井日耗电差异较大，但油田开发过程中各区块能耗总体均呈下降趋势。全油田 2006 年平均吨液能耗为 17.78 kwh/t，与“八五”末相比下降了 3.54 kwh/t，与“九五”末相比下降了 1.87 kwh/t，历年能耗趋势对比见下图 ：（二）采油系统能耗损失及其影响因素分析深井泵采油过程就是克服各种阻力做功的过程，在这个过

2、程中，系统输入能量的一部分转换为井下液体的能量，使其具有一定的势能 ； 而其它部分能量则在传递和转换的过程中克服各种阻力做了无用功消耗损失掉。通过全面系统的分析采油过程中能耗损失及其影响因素，可以找出降低采油系统能耗的主要矛盾及措施途径，进而实现抽油机井的节能降耗，达到降低生产成本，实现高效经济开发的目的。1. 采油系统能量转换分析对于一个采油系统，它是依靠外部提供动力进行采油，其整个抽汲过程遵循能量转换与守恒定律，即系统输入的能量等于系统消耗的能量与转换为其它形式能量的总和。采油系统输入的能量主要为输入电动机的电能，其次是溶解气的膨胀能。由于含气流体在自下而上的流动过程中，随着压力的逐渐降低

3、，气体不断地分离出来，并且膨胀，气体膨胀做功有利于举升流体，成为系统输入能量的一部分。所以系统输入的能量由输入电动机的电能和油井气体的膨胀能两部分组成。即 ：P入 P电 P膨系统输入的能量中，用于提升所载液体所做的功称为有用能量或有用功，而其它部分能量则克服举升过程中的阻力消耗掉，克服阻力所做的功称为无用功，做无用功而损失的能量就是系统的损失能量。由此可见，系统输出的能量分为有用能量和损失能量两部分。即 ：P出 P有 P无所以采油系统能量转换关系式为 ：P电 P膨 P有 P无安塞油田采油系统节能降耗技术李斌 毕凯 杨虎 任伟 申晓丽（中国石油长庆油田第一采油厂采油工艺研究所）摘 要 ： 安塞油

4、田受储层低压低渗制约，单井产能普遍较低，造成系统效率偏低，吨液能耗较高。随着油田的进一步开发，原油含水上升，低产低效井逐年增多，与单井产能相对应的吨液能耗会进一步增加，影响油田开发经济效益。通过对采油系统能耗测试分析，从低渗油田油井生产特点入手，围绕技术装备 - 抽汲参数 - 技术管理三个方面，开展节能技术研究，找出低渗油田油井能耗的主要影响因素及抽汲过程能量损失的主要矛盾，形成了以工作参数优化为核心的、适合于低渗油田采油系统节能降耗的新技术、新工艺，通过现场应用，取得了良好的经济效益。 主题词 ： 安塞油田 抽油机井 节能降耗 吨液耗电1612. 各种能量损失及影响因素分析根据抽油机井的工作

5、特点，能量损失可分为地面系统能量损失和井下系统能量损失两部分。 （1）地面部分。地面抽油设备是由抽油机和电机组成的，抽油机的运转，使得抽油设备中传递动力的各连接部件之间产生摩擦阻力，由于这种机械摩擦力的存在，要损失一定的能量，因此地面能量损失主要包括电机能量损失和抽油机能量损失。地面损失能量主要取决于抽油机结构类型、电机的负载率和抽油机的技术管理水平等。（2）井下部分。在井下能量损失中又包括抽油杆、管功率损失、抽油泵功率损失两部分。二、安塞油田采油系统节能降耗技术抽油机井能耗的高低，主要决定于产液量的多少和产出单位液体所消耗的能量的多少，产液量的多少取决于油层状况，单井产液量的提高，需要通过储

6、层改造等油藏工程手段，因此，抽油机井节能降耗主要需通过降低抽油系统的各种能量损失去实现。安塞油田从油田实际出发，通过应用工作参数优化、油井间开、平衡调整、节能型设备、无功功率补偿等技术实现节能降耗。（二）抽油机井工作参数优化调整技术安塞油田由于单井产量低，抽汲设备老化等因素的影响，制约着吨液能耗的进一步下降。通过开展采油井能耗影响因素分析，在抽汲装备一定的条件下，优化生产参数组合可明显的降低油井能耗。1、工作参数对抽油井能耗影响工作参数对抽油井的能耗有着显著影响，在工作参数中，冲次对油井的能耗影响尤为突出，其次为冲程对油井能耗的影响，调小冲程后减小了井内液体与杆、管发生相对位移而产生的粘滞摩擦

7、功，使油井输入功率下降。因此，对于安塞低产油田来讲，在抽汲装备一定的条件下，降低油井冲次至 3 次 / 分以下，采用合理的最小冲程，并根据油井供液能力匹配泵径，可使油井能耗降低，这也是降低机采井能耗最经济最有效的途径。 （1）冲次是影响油井能耗的关键因素。抽油机冲次增大后，其动载荷、摩擦载荷相对也增加，从而抽油机单位时间内做的功以及输入功率随之增加。 降低冲次后， 由于电机负荷变化周期延长， 电机的输出功率相对平稳，减少电机损耗 ； 同时减速箱、四连杆机构的摩擦损失减少。另一方面，因为抽油杆运动速度减小，其与液体间的粘滞摩擦功减小，使抽油杆耗能降低，同时循环次数减少，运转速度下降，降低了凡尔球

8、的撞击次数和强度，提高了抽油泵的寿命。对单纯调小冲次的油井进行统计，降低冲次后油井日耗电量明显下降。表 1 ： 不同冲次下油井能耗对比类别平均泵径mm平均冲程m平均冲次min-1日产液m3/d输入功率kw有效功率kw平均系统效率 %日耗电kwh调前32.911.925.83.813.360.4613.6980.64调后32.921.913.983.962.520.5120.1460.48（2）冲程对油井能耗有重要影响。根据抽油机井系统力学分析知道，长冲程可减少由于管柱因承受交变载荷发生弹性伸缩而引起的冲程损失。但是冲程越大抽油杆在运动中的摩擦耗功越大，导致系统输入功率越大。降低冲程后减小粘滞摩

9、擦功，油井能耗下降，通过理论仿真和实测分析，在保持油井产液量不变的情况下，冲程越小能耗越低。（3）泵径对油井能耗也有重要的影响。泵径增大会增加深井泵的理论排量，同时杆柱承受的载荷也增加，从而导致电机的输入功率增加，因此增大泵径会增加油井的耗电量。如果油层供液充足，使用大直径的泵，可以在较低的抽汲速度下得到所要求的产液量。而对于安塞油田油层供液能力差、产液量较低的油井通过调大泵径后，油井产量变化不大，反而增加了油井耗电量。王 1 井调大泵径后，输入功率由 2.449kw 增加至 2.581kw，耗电量增加 3.17kwh/d。 表 2 ： 王 1 井调大泵径对比162 泵径mm日产液m3日产油t

10、动液面m输入功率kw有效功率kw系统效率 %日耗电 kwh326.055.08 778 2.4490.533 21.8 58.78386.145.177672.581 0.581 22.561.942、参数优化技术的开发应用抽油机井系统效率低、能耗高的原因除机械因素外，工作参数设计不尽合理也是一个重要原因，尽管它在技术上可行，但在经济上不够合理，近几年来，抽油机井工作参数优化设计技术作为抽油机井节能工作的一部分，国内各油田经过多年的研究，该项技术已日趋成熟，逐步向着智能化、精细化、制度化的方向发展。安塞油田先后开发应用了“SYSEFF”提高抽油机井系统效率优化技术”与“能量最低机采参数优化技术

11、” ，在油井节能降耗方面取得明显的效果。（1）SYSEFF 提高抽油机井系统效率优化技术。以油井参数对系统效率、能耗的敏感性程度作为优化、调整的依据，以产量、效率、节能的三者协调统一为目标的参数优化设计技术。SYSEFF 提高抽油机井系统效率优化技术首先对抽油机井进行工况校核，其目的一是通过诊断模块对井下泵工况进行定量分析，给出泵况诊断结果，二是通过对输入功率分析计算和光杆功率计算，得出目前抽油机井的分系统效率状况和能耗损失状况。通过工况校核后进行参数敏感性分析，主要是对影响抽油机井系统效率、能耗的可变参数 ( 泵深、泵径、杆径、电机功率、冲程、冲次、杆柱组合 )、井况参数 ( 粘度、含水、气

12、油比、油压、套压 )、管理参数 ( 换向效率、传动效率、平衡度、盘根预压 ) 进行影响程度的定量化计算和排序，从而确定主要影响参数，为优化设计提供依据。 第三步进行抽汲参数的优化设计，主要以产量、效率、节能的三者协调统一为目标的参数优化设计，主要依据是利用敏感性分析的结果，计算出各种参数对系统效率、能耗的敏感性程度，根据敏感性程度的大小再次将需要调整的参数进行计算， 进行参数自动调整， 最后再进行一次仿真优化设计， 以实现参数敏感性、 动态仿真、参数优化的自动结合。安塞油田先后使用该项技术对 600 多口油井实施工作参数优化设计，其设计与实施后测试结果有比较好的符合率。下图为应用该项技术优化设

13、计的 15 口油井在调整前、 优化设计、 及调整后油井输入功率变化曲线对比。（2）能量最低机采参数优化技术。对抽油机井输入功率计算方法进行了重新改进，将有杆泵抽油系统输入功率重新划分为有效功率、地面损失功率、井下粘滞损失功率、井下滑动损失功率、溶解气膨胀功率五个部分；分析并查出了影响各部分功率的因素 ； 在理论推导的基础上 , 结合现场试验结果 , 建立了各种功率与其影响因素的函数关系式 :pu = f ( pd , Fu , Fd , S , n) (1)pr = f ( S , n ,i , L i , m) (2)iL i = f (0 , Ti , Tt , Qt , f w , Tw

14、) (3)Tt = f ( Qd , H , T0 , Ti , pe) (4)pk = f ( f k , qr , L p , S , n) (5)pe = f (, Qo , pb , pt , ps) (6)pef =1/86400Qtlgh (7)pi = pu + pr + pk + pef 鄚 pe (8) = pef/ pi = pef/ ( pu + pr + pk + pef - pe) (9)式中，Pu ： 为地面损失功率，kW ；Fu 和 Fd ： 为光杆在上、下冲程中的平均载荷，kN ；163S ： 为冲程，m ；n ： 为冲次，次 / min ；pd ： 为电机空载

15、功率，kW ；pr ： 为粘滞损失功率，kW ；i ： 为第 i 段液体粘度，mPas ；Li ： 为第 i 段油管长度，m ；m ： 为管径杆径比，无因次 ；Ti、Tt、T0、Tw ： 分别为地层温度、井口油温、地表温度、原油结蜡温 ；Pk ： 为滑动损失功率，kW ；Lp ： 为井斜的水平轨迹长度，m ； qr 为杆重度，N/ m ；Fk ： 为杆与管的磨擦系数 ；Pe ： 为膨胀功率，kW ；Qt、Qo ： 分别为产液量、产油量，t/d ；Pb ： 为原油饱和压力，MPa ；A ： 为溶解系数，m3（/ m3MPa） ；Ps ： 为沉没压力，MPa ；Pt ： 为井口油压，MPa ；Pef ： 为有效功率，kW ；Pt ： 为混合液密度，kg/m3；g ： 为重力加速度，m/s2；H、h ： 分别为动液面深度、有效扬程，m ；Pi ： 为电机输入功率，kW ； ： 为系统效率，%。（3）抽油机超低冲次改造技术。对现有抽汲设备在最低冲次的情况下，冲次仍然偏高且对系统能耗具有重要影响的抽油机井，通过超低冲次改造技术等方式降低油井冲次，以达到减少供排矛盾，提高抽油泵效，减少系统损耗的目的。 多级变速技术。安塞油田抽油机井采用常规的电动机拖动，抽油机最低冲次一般设计在 5 次 / 分左右，配套电机功率在 7.5-15kw，随着产液量的降低，冲次偏大，造成泵效低下，抽油设备能耗较高。