陳 銳，韓岐清，鄭小雄，李文娟，胡 南

（中國(guó)石油大港油田公司，天津 300280）

隨著油田進(jìn)入開發(fā)中后期，受地層能量降低等因素影響，部分油井易出現(xiàn)供液不足現(xiàn)象，導(dǎo)致油井生產(chǎn)效率低、無效運(yùn)行能耗高。傳統(tǒng)解決方法[1]是采用小泵徑、短沖程低沖次的連續(xù)運(yùn)行工作制度或通過人工制定間抽啟停時(shí)間的間歇式采油方式，實(shí)現(xiàn)了低產(chǎn)液油井生產(chǎn)效率的提高，但仍無法從根本上實(shí)現(xiàn)供排協(xié)調(diào)，解決低產(chǎn)液井生產(chǎn)效率低、管理難度大及在自啟過程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

任鵬等[2]研究形成的智能間歇采油技術(shù)一定程度上解決了低產(chǎn)液井能耗高、效率低的問題，其關(guān)鍵技術(shù)主要是間抽時(shí)間的優(yōu)化控制，應(yīng)用過程中仍存在受油稠、出砂等因素影響長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后可能導(dǎo)致的抽油機(jī)正常啟動(dòng)困難以及冬季井口凍堵等問題。本文基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的原則，通過間抽油井優(yōu)選抽油制度優(yōu)化、曲柄最佳擺幅及智能控制系統(tǒng)優(yōu)化研究，形成了抽油機(jī)井不停機(jī)智能間抽技術(shù)，滿足了低產(chǎn)液井智能、高效、安全生產(chǎn)需要[3-5]。

1 技術(shù)原理及工藝流程

不停機(jī)智能間抽技術(shù)通過間歇采油智能控制系統(tǒng)形成曲柄“整周運(yùn)行（正常生產(chǎn)）+低速擺動(dòng)運(yùn)行（智能間抽）”組合的工作方式，將需長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)的常規(guī)間抽工藝升級(jí)為曲柄低速擺動(dòng)運(yùn)行、井下抽油泵停抽、地面抽油機(jī)不停機(jī)的智能間抽工藝。

為最大程度提高技術(shù)適應(yīng)性與安全可靠性，基于盈虧平衡原理，首先確定了不同舉升方式的臨界日產(chǎn)油量圖版，并界定了技術(shù)適應(yīng)條件；根據(jù)目標(biāo)油井泵功圖實(shí)時(shí)計(jì)算分析泵充滿程度和動(dòng)液面，對(duì)比設(shè)定的閾值，以確定擺動(dòng)運(yùn)行和整周運(yùn)行的時(shí)間；以抽油桿最大彈性變形為基礎(chǔ)，基于目標(biāo)油井的抽油機(jī)規(guī)格型號(hào)及桿柱組合情況計(jì)算懸點(diǎn)最大位移，利用抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)中懸點(diǎn)位移與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系確定出曲柄的最佳擺幅（見圖1）。同時(shí)優(yōu)化配套智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了來電自啟、電網(wǎng)瞬時(shí)停電不停井、間開自啟語(yǔ)音報(bào)警。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 間抽井優(yōu)選

根據(jù)目標(biāo)油井日產(chǎn)液、原油銷售價(jià)格、舉升成本費(fèi)用等參數(shù)，基于盈虧平衡原理，研究建立了間抽采油的臨界日產(chǎn)油量計(jì)算模型，當(dāng)利潤(rùn)為零時(shí)的日產(chǎn)油量即為臨界日產(chǎn)油，若目標(biāo)油井日產(chǎn)油大于臨界日產(chǎn)油，則建議采用間抽采油技術(shù)。

式中：V-利潤(rùn)，萬元；C-舉升成本費(fèi)用，萬元；P-原油銷售價(jià)格，萬元/噸；Q-油井日產(chǎn)液量，m3；fw-含水率，%；C1、C2-無因次系數(shù)。

同時(shí)從技術(shù)可行性角度出發(fā)，研究界定了適用間抽技術(shù)的油井適應(yīng)條件（見表1），從而達(dá)到技術(shù)可行、效益優(yōu)先的選井目的。

2.2 泵功圖實(shí)時(shí)分析

基于泵功圖的動(dòng)液面可用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[6]：

式中：Lf-油井動(dòng)液面深度，m；ΔW-泵功圖上下載荷差，kN；ρl-地層產(chǎn)出液密度，kg/m3；fp-柱塞截面積，m2；Pt-井口油壓，MPa；Pc-井口套壓，MPa。

圖1 不停機(jī)智能間抽技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of intelligent pumping technology without stopping

表1 技術(shù)適應(yīng)條件表Tab.1 Technical adaptation conditions

傳統(tǒng)的抽油泵泵效計(jì)算方式是根據(jù)泵的理論產(chǎn)液量和實(shí)際產(chǎn)液量來確定，即實(shí)際產(chǎn)液量與理論產(chǎn)液量的比值。但其精確度取決于實(shí)際產(chǎn)液量的測(cè)量精度，而油井實(shí)際產(chǎn)液量的測(cè)量誤差往往較大。劉柏希等[7]以油井實(shí)測(cè)地面示功圖為研究對(duì)象分析得出：抽油泵的效率是泵功圖上從游動(dòng)凡爾完全打開到下死點(diǎn)這段沖程與從游動(dòng)凡爾完全關(guān)閉到上死點(diǎn)這段沖程的比值，即EA/BC 或ea/bc（見圖2）。根據(jù)地面示功圖上對(duì)應(yīng)游動(dòng)凡爾關(guān)閉點(diǎn)和開啟點(diǎn)，計(jì)算分析得到抽油泵泵效。

圖2 地面示功圖和泵功圖Fig.2 Surface dynamometer card and pump card

2.3 曲柄最佳擺動(dòng)角度的確定

根據(jù)油井泵掛深度和不同抽油桿柱、泵徑組合條件下的彈性系數(shù)、抽油桿質(zhì)量[8]，以抽油桿最大彈性變形為基礎(chǔ)，計(jì)算出桿柱在井筒中靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的最大彈性形變，即抽油泵不運(yùn)動(dòng)時(shí)的驢頭懸點(diǎn)最大位移；再根據(jù)懸點(diǎn)位移與曲柄擺幅角度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，確定出曲柄的最佳擺幅角度。從而實(shí)現(xiàn)曲柄擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)井下抽油泵停抽、抽油機(jī)不停機(jī)，有效緩解了抽油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后，易引起的抽油桿柱上行阻力增大過載和冬季井口凍堵等問題。

式中：SA-最大懸點(diǎn)位移，m；φ-曲柄擺幅角度，°；r-曲柄半徑，m；l-連桿長(zhǎng)度，m；a-游梁前臂長(zhǎng)度，m；b-游梁后臂長(zhǎng)度，m；ER-抽油桿彈性模量，kN/m2；ET-油管彈性模量，kN/m2；AR-抽油桿截面積，m2；AT-油管截面積，m2；L-抽油桿長(zhǎng)度，m；W-抽油桿在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的液柱載荷，N。

2.4 智能控制系統(tǒng)優(yōu)化配套

為提高現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)應(yīng)用的安全性，完善了停電后來電自啟功能，控制柜無需人工復(fù)位；增加了間抽運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)整周運(yùn)行的語(yǔ)音報(bào)警功能，有效避免了抽油機(jī)啟動(dòng)過程中可能造成的人員傷害；同時(shí)完善了旁路工頻正常運(yùn)行時(shí)電壓、電流等各項(xiàng)保護(hù)。優(yōu)化改進(jìn)后智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了來電自啟，具備了電網(wǎng)瞬時(shí)停電不停井和間開自啟語(yǔ)音報(bào)警功能。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例

抽油機(jī)井不停機(jī)智能間抽技術(shù)在大港油田王官屯官33-78 等低產(chǎn)液油井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，系統(tǒng)效率平均為23.76 %，較實(shí)施前的13.64 %提高了10.12 %；日耗電平均為130.05 kW·h，較實(shí)施前的221.47 kW·h降低了91.42 kW·h，平均節(jié)電率為41.1 %，目前應(yīng)用油井均生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)抽油桿疲勞損壞及電機(jī)過載現(xiàn)象。

以官33-78 井為例，該抽油機(jī)井常規(guī)間抽采油時(shí)，平均日產(chǎn)液5 m3，日產(chǎn)油2.95 t，系統(tǒng)效率10.6 %，日耗電230.4 kW·h。油井基本數(shù)據(jù)（見表2）。

為提高油井生產(chǎn)效率，試驗(yàn)應(yīng)用了不停機(jī)智能間抽技術(shù)，間抽工作制度優(yōu)化設(shè)計(jì)為關(guān)10 min、開5 min，曲柄最佳擺幅為22.4°。目前油井平均日產(chǎn)液5.3 m3，日產(chǎn)油3.04 t，系統(tǒng)效率16.7 %，日耗電132.5 kW·h，提效降耗效果明顯。

表2 油井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表Tab.2 Basic data of oil well

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）抽油機(jī)井不停機(jī)智能間抽技術(shù)利用曲柄整周運(yùn)行與低速擺動(dòng)運(yùn)行的組合工作方式，實(shí)現(xiàn)了低產(chǎn)液井供排協(xié)調(diào)，有效提高了油井生產(chǎn)效率；

（2）不停機(jī)智能間抽技術(shù)解決了常規(guī)間抽采油技術(shù)存在的運(yùn)行維護(hù)管理難度大、自啟安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，提高了低產(chǎn)液井智能化管理水平，對(duì)低產(chǎn)液井安全、高效開發(fā)具有重要意義。