梁毅石海霞　樊松赵春甘庆明钟英

（1.长庆油田分公司油气工艺研究院；2.长庆油田分公司第一采油厂）



低渗透油田抽油机选型优化技术研究

梁毅1石海霞1樊松1赵春1甘庆明1钟英2

（1.长庆油田分公司油气工艺研究院；2.长庆油田分公司第一采油厂）

低渗透油藏单井产液量普遍较低，要想实现油田的效益开发，必须进行优化设计，调整抽油机型号、提高系统效率，进而降低投资和生产运行成本。悬点载荷是确定抽油机机型的主要依据，从降低抽油机悬点载荷入手，开展了供排协调优选泵径、抽油杆提强度降杆径设计、定向井悬点载荷预测等技术研究，形成了低渗透油藏抽油机优化选型方法。通过现场应用表明，新投井应用大机型抽油机比例明显减少，新投井抽油机额定载荷下降了11.7kN，系统效率提高1.2%，平均单井抽油机投资减少0.7万元，日耗电量减少9.2kWh，达到了提高系统效率、降低投资和运行成本的目的。

低渗透油田抽油机型号悬点载荷系统效率H级抽油杆

长庆低渗透油田的特点是低渗、低压、低产，油井全部采用有杆泵方式生产，与东部高产油田相比，原油生产对机、杆、泵要求有明显不同［1］。长庆油田有杆泵采油设计一直沿用传统的方法［2］，未充分考虑“低液量、定向井”的实际情况，且随着油田大规模建产，采油井数及井深逐年增加，8型以上抽油机占了2/3，造成油井效率低、成本高［3］。

理论分析表明［4-5］，抽油机悬点载荷越大，抽油机机型及拖动电动机的功率则越大，所需投资和运行费用也就越多［6］。因此，围绕如何减小抽油机悬点载荷、降低机型，开展了低渗透油田抽油机选型优化技术。

1　抽油机选型影响因素

通常在进行采油井抽油机选型设计时，悬点载荷并无准确数据，主要是依据投产参数和管柱组合设计数据进行载荷预测，负载率按照70%～90%选取，从而确定抽油机型号，因此降低抽油机悬点载荷是优化抽油机选型的核心。

计算抽油机悬点载荷时主要考虑杆柱载荷、液柱载荷，计算公式如下：

式中：

Pmax——悬点最大载荷，kN；

A——不同泵挂深度最大载荷系数；

S——冲程，m；

n——冲速，min-1；

Ar——抽油杆截面积，m2；

ρr——抽油杆密度，t/m3（钢杆7.85t/m3）；

ρl——液体密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

LP——泵深，m；

AP——抽油泵柱塞截面积，m2。

由公式（1）可知，抽油杆直径、抽油泵泵径、冲速是影响抽油机井悬点载荷的主要因素。由于冲速在抽油机运行过程中调整较为方便，且低渗透油藏抽油机一直采用较低冲速运行，降低抽油杆直径和抽油泵泵径就成为了降低悬点载荷的关键。

2　抽油机选型优化技术研究

2.1抽油杆提强度降杆径设计

钢杆抽油杆柱设计一般采用等强度设计原则，即各级杆柱顶端面的应力范围比或折算应力相等。由表1可以看出，同一下抽油泵径（φ32mm）、下泵深度（1500m），在满足抽油杆柱使用强度的条件下，抽油杆柱比例不同，整个抽油杆柱的重量也不一样，减小抽油杆柱直径可以显著降低抽油杆柱重量。因此，以抽油杆柱重量最小为设计目标，直接选取当前抽油杆柱所能达到的最高强度，在抽油杆柱许用应力范围内使抽油杆柱直径减小，同时H级抽油杆比D级抽油杆有更高的强度，因此应用H级超高强度抽油杆，进一步减小抽油杆柱重量，实现抽油机悬点载荷的降低，为抽油机选型增加可选余地。

表1　D级不同杆柱组合比例下悬点载荷统计

在考虑应用H级抽油杆实施降杆径设计时，为保证抽油杆下井后正常生产运行，同时有较长的下井寿命，关键是确定其使用界限，采用API修正古德曼方法确定H级抽油杆使用界限。其计算公式为

式中：

SF——抽油杆使用系数；

σb——抽油杆最小抗拉强度，MPa；

σmin——最小应力，MPa；

σmax——最大应力，MPa；

［］σmax——许用最大应力，MPa；

PL——应力范围比，%。

在采用φ38mm抽油泵、安全系数为1.3的条件下，运用修正古德曼法对不同杆径的H级抽油杆进行最大下深进行校核得出：φ16mm抽油杆最大下深为1600m，φ19mm抽油杆最大下深为1800m，φ22mm抽油杆最大下深为2400m，见图1、图2、图3。

考虑到低渗透油藏多为丛式井组定向井开发、井筒状况较为复杂，抽油杆易疲劳受损等问题，确定在下泵深度小于1800m的油井上采用抽油杆提强度降杆径的设计方法。不同泵深下的D、H级抽油杆杆柱组合见表2。

图1　H级φ16mm抽油杆强度校核

图2　H级φ19mm抽油杆强度校核

图3　H级φ22mm抽油杆强度校核

2.2供排协调，优选抽油泵设计

抽油机井供排协调是地层的供液能力与抽油泵排液能力之间关系，供液能力曲线即IPR曲线反映了油井当前的生产潜力，抽油泵排出曲线反映了泵的排液能力，把2条曲线叠合在一起，使两者有机的结合起来，构成了油井的“供排协调图”，只有在供排协调点处，油井方可获得最大举升产量和举升效率。

表2　D级、H级抽油杆组合优化设计比较

长庆低渗透油田平均单井日产液4.7m3，在单井日产液5m3、泵效45%的条件下，绘制供排协调图（图4），对于日产液5m3左右的采油井，仅与φ28mm抽油泵存在有供排协调点，当泵径大于28mm时无供排协调点。

图4　日产液5m3采油井供排协调图

通过理论公式计算分析，在日产液量、冲程、冲速及抽油油杆组合相同的条件下，抽油泵径由φ32mm降到φ28mm时，悬点最大载荷由54.3kN降低至51.4kN，见表3。

表3　不同泵径的泵效与悬点载荷对比

统计长庆油田日产液低于5m3油井平均泵径约为32mm，泵效仅为20.7%，因此在日产液低于5m3的油井应用φ28mm抽油泵，替换原有的φ32mm抽油泵，可有效降低悬点载荷。

3　现场应用

2012年通过规模应用抽油机优化选型技术，新投井大机型抽油机应用比例明显减少。与2010年优化前相比，2012年新投井10型机比例由39.8%下降至4.6%；8型机比例由35.7%下降至18.4%，见表4。

对优化后投产的448口油井进行现场测试，与优化前投产井相比，抽油机额定载荷下降23.2kN（下降2个机型），悬点最大载荷下降10.1kN，泵效提高了5.4%，系统效率提高了1.2%，日耗电量下降了9.2kWh，年节约用电2864×104kWh，见表5。

表4　2010—2012年新投井抽油机应用机型对比

表5　现场测试效果对比

4　结论

1）运用H级抽油杆降低抽油杆直径、供排协调优选泵径、优化悬点载荷预测计算等技术和方法，有效地降低了抽油机井悬点载荷，降低了抽油机型号，可达到系统效率、减少建设投资和生产运行成本的目的。

2）提高抽油杆强度、抽油杆降低抽油杆直径技术应用时，应先依据抽油杆力学性能参数，结合井筒状况，考虑安全系数，计算最大下入深度后，方可进行杆柱组合优化调整。

［1］马会宁.新型节能抽油机技术推广应用［J］.石油石化节能，2012，2（9）：26-27.

［2］叶利平，崔培庆.有杆泵抽油机井抽油参数设计及规划方法［J］.石油钻采工艺，1997（3）：63-69.

［3］胡博仲，董福洲，周继德.有杆泵井抽油参数的优化设计［J］.石油钻采工艺，1990，12（2）：107-112.

［4］张琪.采油工程原理与设计［M］.东营：中国石油大学出版社，2000：103-117.

［5］刘彩玉，张彦，张玉斌.在役有杆泵抽油系统可靠性评估［J］.石油矿场机械，2005，3（47）：47-50.

［6］周汉鹏，郝卫国，李东平，等.抽油机曲柄断裂原因及预防措施［J］.石油矿场机械，2007，36（12）：52-55.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.09.001

2015-05-07）

梁毅，工程师，2008年毕业于西南石油大学（油气田开发专业），从事采油工艺技术研究工作，E-mail：lyi08_cq@petrochina. com.cn，地址：陕西省西安市未央区明光路长庆油田油气工艺研究院，710018。