低滲透油田抽油機節(jié)能技術研究與應用

1、1問題的提出大慶西部外圍低滲透油田具有“三低”特點,油層埋藏深,按照常規(guī)方法選配抽油設備,造成載荷利用率低,系統(tǒng)效率低,電機功率利用率低,嚴重制約油田開發(fā)效益。分析原因主要有兩方面:一是外圍低滲透油田產液規(guī)律發(fā)生變化,油井產液量低,并且隨開發(fā)時間的延長,產液量一般不增加或下降;二是抽油機和拖動裝置運動方式發(fā)生了變化,目前應用的節(jié)能抽油機,其運行特性和游梁抽油機有所不同,其峰值扭矩降低,如雙驢頭、下偏杠鈴抽油機等;拖動裝置克服啟動扭矩的性能提高了,如高滑差、高啟動扭矩、永磁、雙功率電機等。為此,必須對低滲透油田抽油機選型技術進行深入的研究,以滿足油田經濟有效開發(fā)的需要。2抽油機選型技術研究2.1

2、低滲透油田抽油機井產液、載荷變化趨勢研究2.1.1通過相滲透率曲線分析預測已投產低滲透油田產液變化規(guī)律油井的產液量是采液指數與生產壓差的乘積。由于低滲透油田投產后地層壓力下降很快,恢復起來十分困難,地層壓力保持水平不高,一般只有地層原始壓力的60%左右。因此,低滲透油田產液量變化主要受采液指數影響,通過采液指數變化規(guī)律的分析即可得出產液量變化規(guī)律,并且,當采液指數最大值時,產液量相應取得極大值。無因次采液指數為某一含水下的采液指數與含水為零時的采液指數(即采油指數之比,是評價不同含水條件下油井采液能力的指標。它只與儲層類型和油藏流體性質有關,不同儲層無因次采液指數隨含水的變化規(guī)律不同。無因次采

3、液指數隨含水的變化可由相滲透率曲線計算求得。產量計算公式為:油井產油量公式為:Q o =2k ro kh(p h -p w o lnr hr w(1油井產水量公式為:Q w =2k rw kh(p h -p w w lnr hr w(2含水率與相對滲透率的關系為:f w =11+k ro wk rw o(3無因次采液指數為:J D L =k ro +k rw ow(4由式(3和式(4可以繪制出無因次采液指數隨含水的變化曲線(見圖1。根據上述方法對已投產的龍虎泡等油田進行了預測分析(見圖2。低滲透油田抽油機節(jié)能技術研究與應用尹喜永,姜鳳軍,高連長,于守影,王欣欣(大慶油田有限責任公司第九采油廠,

4、黑龍江大慶163853摘要大慶西部外圍低滲透油田具有“三低”特點,油層埋藏深,按照常規(guī)方法選配抽油設備,造成載荷利用率低,系統(tǒng)效率低,電機功率利用率低,嚴重制約油田開發(fā)效益。針對低滲透油田抽油機配置偏大,系統(tǒng)效率低、能耗高的問題,通過理論研究和統(tǒng)計分析的方法研究產液指數的變化規(guī)律,進而得出抽油機載荷的變化規(guī)律,調整低滲透油田抽油機選型技術界限;結合節(jié)能設備特性進一步完善功率等計算方法,實現節(jié)能降耗的目的。現場應用519口抽油機井,取得了較好效果,平均單井日節(jié)電60kW h ,單井系統(tǒng)效率提高了2.4個百分點,年節(jié)電552×104kWh 。關鍵詞低滲透油田抽油機選型技術作者簡介:尹喜永

5、,高級工程師,1990年畢業(yè)于大慶石油學院開發(fā)系采油工程專業(yè),主要從事采油工程工作。E-mail:yinxiyong節(jié)能政策與技術106第12卷第3期2007年6月中外能源SINO-GLOBAL ENERGY圖1無因次采液指數隨含水的變化曲線采 液指數 ;采油指數無因次采液(油指數無因次采液(油指數1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.0000.000 0.2000.4000.600 0.8001.000含水(a龍虎泡油田無因次采液(油指數與含水關系曲線無因次采液(油指數無因次采液(油指數(c龍南油田無因次采液(油指數與含水關系曲線0.0000.2000.4000.6

6、000.8001.000含水(b新站油田無因次采液(油指數與含水關系曲線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新肇油田無因次采液(油指數與含水關系曲線1.2001.0000.8000.6000.4000.2000.000圖2含水飽和度和油水相滲透率關系曲線油相相對滲透率;水相相對滲透率107第 3期尹喜永等.低滲透油田抽油機節(jié)能技術研究與應用油相相對滲透率油相相對

7、滲透率油相相對滲透率水相相對滲透率1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水飽和度,%(a龍虎泡油田相滲透率曲線1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10油相相對滲透率(b新站油田相滲透率曲線1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水飽和度,%1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10水相相對滲透率(c龍南油田相滲透率曲線1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水飽和度,%1.00.90.80.70.60.50.

8、40.30.20.10水相相對滲透率水相相對滲透率(d新肇油田相滲透率曲線1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10020406080100含水飽和度,%1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10從圖2可以看出,隨著含水飽和度的增大,油相滲透率下降很快,水相滲透率上升很慢,并且油水兩相流動范圍很窄,殘余油下的水相滲透率很小。從圖1可以看出,含水100%時,采液指數也小于無水期采液指數。初步分析1,主要影響因素有:油水黏度、潤濕性、黏土礦物的水敏和鹽敏等,低滲透油層一般地下原油黏度比較低,油水黏度比小,巖石表面潤濕性一般偏親水,束縛水飽和度較高;孔喉細小,

9、容易被礦物微粒堵塞等。2.1.2并不是生產壓差越大,產量越高從低滲透油井IPR曲線及現場實際情況看,流壓低于某個值(最小流壓后,產量隨生產壓差增大而下降。說明不能用加深泵掛和放大生產壓差的方式來提高產量。產生這種現象的原因有3個因素2:一是當井底流壓降到一定程度后,在近井地帶的油層中形成氣化液體滲流,使油相滲透率大幅下降。二是當井底流壓降低后,儲層巖石發(fā)生彈性或塑性變形,使儲層滲透率下降。三是當井底流壓降低后,溶解氣的稀釋效應降低,原油黏度增加。2.1.3統(tǒng)計分析已投產低滲透油田產液及抽油機載荷變化規(guī)律對新肇油田20002005年抽油機井實際載荷、產液、含水變化情況進行了調查分析。結果表明:平

10、均日產液由4.2t/d下降到2.6t/d,含水由12.5%上升到44.7%,平均最大載荷由42.5kN下降到31.0kN,新肇油田裝機額定載荷80kN,實際載荷利用率由53.1%下降到38.8%。2.1.4從龍虎泡油田提液穩(wěn)產試驗分析低滲透油田提液的可行性19982001年在龍虎泡油田進行提液穩(wěn)產試驗,平均單井日產液由9.7t/d增加到11.9t/d,日產油由3.6t/d下降到2.9t/d,綜合含水由62.9%上升到75.6%。雖然產液量有一定提高,但靠提液穩(wěn)產是不可行的。以上研究結果表明,對于低滲透油田:一是開發(fā)過程中,產液量不增加或增加幅度較小;二是通過提液或放大生產壓差來提高產量的可行性

11、較小;三是抽油機井初期負載是最大負載。2.2初期載荷、扭矩利用率研究按API標準要求結構件安全系數為3.3,軸件安全系數為5.0,以便滿足抽油機在特殊情況下(活塞卡、軸力與力偶等影響也不致發(fā)生事故。因此,根據選擇游梁式抽油機的原則,同時考慮到抽油機長期可靠工作,低滲透油田抽油機初期最大載荷利用率95%,扭矩利用率90%。2.3裝機載荷、扭矩、電機功率確定方法研究2.3.1載荷計算抽油機在正常工作時,懸點所承受的載荷根據其性質可分為靜載荷、動載荷以及其他載荷。靜載荷通常是指抽油桿柱和液柱所受的重力以及液柱對抽油桿柱的浮力所產生的懸點載荷;動載荷是指由于抽油桿柱運動時的振動、慣性以及摩擦所產生的懸

12、點載荷;其他載荷主要有沉沒壓力以及井口回壓在懸點上形成的載荷。沉沒壓力的影響只發(fā)生在上沖程,它將減小懸點載荷4。液流在地面管線中的流動阻力所造成的井口回壓,將對懸點產生附加載荷,其性質與油管內液體的作用載荷相同,即上沖程中增加懸點載荷,下沖程中減小懸點載荷。因二者可以部分抵消,一般計算中?？珊雎浴Ｒ虼?懸點最大載荷是由抽油桿載荷、液柱載荷、振動載荷和慣性載荷組成。W m ax=Wr+Wl+Ef raS2sinr+L a!"(5 2.3.2扭矩計算為了使懸點以一定的載荷和一定的抽汲方式(沖程、沖次工作,減速器曲柄軸就需要給出一定的扭矩,因此,減速器曲柄軸額定扭矩是游梁式抽油機的基本參數

13、之一。理論分析和實際使用表明:減速器曲柄軸凈扭矩大小和懸點載荷,各桿件幾何尺寸及抽油機的平衡程度有密切的關系。在抽油機使用說明書中,有一張光桿位置因數(PR和扭矩因數(TF表,可以利用扭矩因數去求取懸點運動速度和加速度,進而求得載荷和扭矩。扭矩因數TF=ACR sinsin=v懸點速度=TF懸點加速度a=dvdt=d(TFdt=d(TFd=2d(TFd曲柄旋轉角速度=n30剛要上行時彈性變形中的靜載荷W1=SW1PR+Wr2007年第12卷108中外能源SINO-GLOBAL ENERGY表1古1區(qū)塊系統(tǒng)效率測試情況表電機型號測試井數日產液/(t d -1動液面/m消耗功率/(kWh -1裝機

14、功率/kW 實際舉升高度/m系統(tǒng)效率,%單位耗電/(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剛要下行時彈性變形中的靜載荷W 2=SW f (PR-1+(W r +W 1上沖程各點載荷W u =(W r +W 11+a g !"下沖程各點載荷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!"抽油桿在液

15、體中的載荷W r =(1-0.1271W r =(1-0.1271q r L液柱載荷W l =1gH 0A p沖程損失=r +t =(E r +E t W l L通過查表即可計算出不同曲柄轉角下的扭矩,通過繪制扭矩曲線即可求得最大扭矩。2.3.3電機功率計算對于驅動恒定負載的電動機,將裝置的輸出功率除以裝置的傳動效率,就是所需的電動機的額定功率。抽油機的情況則要復雜的多,其輸出功率(或扭矩是周期性變化的,但電機的有效功率(輸出功率是作用在光桿上的功率,即通過光桿來提升液體和克服井下損耗所需要的功率。光桿功率P r =(W l +0.015W r +1717SN1000×60平均功率P

16、 m =P rc 額定功率P n =C L F P m2.4節(jié)能抽油機及電機組合評價2.4.1抽油機節(jié)能檢測情況自2002年開始在杏西油田水力模擬試驗井對不同節(jié)能抽油機、電機及配電型產品等進行了不同組合的檢測,結果是:抽油機:雙驢頭、下偏杠鈴、摩擦智能抽油機與同型常規(guī)抽油機相比,節(jié)電率20%以上。機電匹配:與偏置抽油機匹配,雙功率電動機節(jié)電效果較好,平均綜合節(jié)電率為7.8%。其次為高扭矩電動機,平均綜合節(jié)電率為3.73%;超高滑差電動機,平均綜合節(jié)電率為2.4%。與雙驢頭抽油機匹配,永磁電動機的節(jié)電效果較好,平均綜合節(jié)電率為8.77%;其次是雙功率電動機,平均綜合節(jié)電率為3.23%。與偏輪抽油

17、機和調徑變矩抽油機匹配,永磁電動機有一定的節(jié)電效果,平均綜合節(jié)電率分別為5.86%和6.52%。與擺桿抽油機匹配,永磁電動機為最好,平均綜合節(jié)電率為13.67%。與下偏杠鈴抽油機匹配,均沒有節(jié)電效果。2.4.2現場應用在古1區(qū)塊進行了TNM 、YCD 和YCHD 電機對比試驗(見表1。從百米噸液耗電看,YCHD 雙速電機最低,YCD 電機最高,TNM 電機居中;從系統(tǒng)效率方面看,TNM 電機最高,YCD 電機最低,YCHD 雙速電機與TNM 電機基本相同。該區(qū)塊使用節(jié)能電機平均系統(tǒng)效率為10.9%,單井日耗電平均為72.3kWh ,與全廠系統(tǒng)效率8.4%相比,提高2.5%。因此,抽油機選擇雙驢

18、頭、下偏杠鈴及摩擦換向抽油機,對于單井產能波動較大的井,推薦使用YCHD 一體化拖動裝置;對于產量較高的井,推薦使用TNM 一體化拖動裝置。2.5現場試驗效果現場應用519口抽油機井,取得了較好效果,抽油機機型下降一個級別,懸點載荷由95kN 下降到73kN ,裝機功率由20.7kW 下降到15.4kW ,節(jié)省采油工程投資524×104元,平均載荷利用率為66%,扭矩利用率為37.2%,電機功率利用率23.1%。平均單井日節(jié)電60kWh ,單井系統(tǒng)效率提高了2.4個百分點,年節(jié)電552×104kWh 。3結論及建議低滲透油田開發(fā)過程中,產液量不增加或增加幅度較小;通過提液或

19、放大生產壓差來提高產量的可行性較小;抽油機井初期負載是最大負載。低滲透油田計算光桿功率時摩擦功率不能忽略。109第3期尹喜永等.低滲透油田抽油機節(jié)能技術研究與應用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利用抽油機的位置因數和扭矩因數,求解懸點運動速度,進而求得不同曲柄轉角下的載荷,繪制出扭矩曲線,可較精確地預測減速箱最大扭矩,為優(yōu)選抽油機提供依據。抽油機選擇雙驢頭、下偏杠鈴及摩擦換向抽油機,對于單井產能波動較大的井,推薦使用YCHD 一體化拖動裝置;對于產量較高的井,推薦使用TNM 一體化拖動裝置。符號說明:Q o 為油井產油量,m 3/s ;Q w 為油井產水量,m 3/s ;K 為儲層有效滲透率,#m 2;h 為儲層有效厚度,m ;K ro