能耗最低机采系统设计方法及软件的研究及应用

扬州江苏油田瑞达公司二00七年九月能耗最低机采系统设计方法及软件研究及应用郑海金目录一、概述二、有杆泵抽油系统输入功率计算理论三、能耗最低机采系统设计方法及软件四、现场应用及效果五、推广前景一、概述由于有杆泵抽油装置简单、操作方便、综合成本低，所以我国大约有92%的油井、全世界有80%的油井采用这种方式进行生产。但是在采用有杆泵抽油方式的油井中，其机采系统效率一直较低，导致机采能耗成本在采油变动成本中所占比例较大据原石油天然气总公司1997年统计结果，我国陆上各油田有杆泵抽油井开井数为72047口，平均机采系统效率26.7%。这表明73.3%的能量在举升过程中浪费掉了,并加剧着机械损耗.为此国内外一直很重视提高机采系统效率研究，其研究方向主要集中在机械改造方面并取得了长足进展。国内外先进成果应用后平均机采系统效率达到29%左右。美国：井数：1065（加州）机采效率：29.4%（井下：57%，地面51.5%)大庆：井数：69口试验井机采效率：28.74%当时国内外现状(96年)通过立项研究，发现造成机采系统效率低的原因除机械因素外，还有一个重要原因是机采参数设计不尽合理（它在技术上可行，但在经济上不够合理）。造成机采参数设计不科学的主要原因是缺少有杆泵抽油系统输入功率计算理论，没能找到经济的设计方法。存在的主要问题经过几年的试验及理论研究,我们建立了输入功率计算理论体系；提出了各种功率的具体计算方法；发明了以能耗最低或以机采成本最低为准则的机采参数设计方法。实践表明，与常规设计方法相比，该技术的应用效果显著，不仅可大幅度提高有杆泵抽油井的系统效率，降低能耗成本，而且会大幅度延长油井检泵周期，降低作业成本。目录一、概述二、有杆泵抽油系统输入功率计算理论研究三、能耗最低机采系统设计方法及软件四、现场应用及效果五、推广前景二、有杆泵抽油系统输入功率计算理论研究重新划分了有杆泵抽油系统输入功率的构成找出了影响各部分功率的因素提出了各部分功率的具体计算方法1、输入功率构成通过开展能量分析，首次将有杆泵抽油系统输入功率划分为以下五部分输入功率有效功率粘滞损失功率滑动损失功率溶解气膨胀功率地面损失功率2、地面损失功率定义：深井泵生产过程中，地面抽油机和电机所损耗的功率称作地面损失功率。通过研究，找出了地面损失功率影响因素：①电机空载功率②井下负荷③抽油杆运行速度④传输功率传导系数k1⑤光杆功率传导系数k2确定了其函数关系式：Pu=Pd+(F上+F下)·s·n·k1+(F上F下)·s·n·k2=Pd+[(2F杆+F液)·s·n-P膨-0.13Pr]·k1+(P有+Pk+Pr-P膨)·k2分界点PU：地面损失功率Pd：电机空载功率F上：光杆在上冲程中的平均载荷F下：光杆在下冲程中的平均载荷K1、K2：地面损失功率同光杆在上、下冲程中的平均载荷的相关系数S：冲程n：冲次3、粘滞损失功率定义：深井泵生产过程中，被举升的液体因与油管、抽油杆发生磨擦而损耗的功率称作粘滞损失功率。通过研究，找出了粘滞损失功率的影响因素：①杆速②管径③杆径④泵挂⑤原油粘度确定了其函数关系式：3m2-1Pr=2400S2n2（m2+1）lnm-（m2-1）uiliui：在li段油管中的液体的平均粘度li：第i段油管长度m:管径杆径比∑uili：反映油管中液体粘度随深度变化对粘滞损失功率的影响4、滑动损失功率定义：因井斜造成的抽油杆与油管之间发生的磨擦以及泵柱塞与泵筒间发生的磨擦而损失的功率称作滑动损失功率。通过研究，找出了滑动损失功率的影响因素：①杆速②单位长度杆重③井斜轨迹水平投影长度④杆与管的摩擦系数确定了其函数关系式:Pk=2fk·q杆·l水平·S·nfk：杆与管的摩擦系数q杆：单位长度杆柱重量l水平：抽油杆在斜井段的水平投影长度5、膨胀功率定义：原油在举升过程中，溶解气因所受压力的降低而不断从原油中析出，从液态转化为气态。一方面导致物质本身的能量降低，即内能降低；另一方面，这部分能量转化成体积膨胀能而作用于举升系统。这一功率称作溶解气膨胀功率。通过研究，找出了膨胀功率的影响因素：①日产油量②饱和压力③井口压力④沉没压力⑤溶解系数确定了其函数关系式：A：当P沉≥PbP井口时B：当P沉≥Pb且P井口≥Pb时，P膨=0C：当P井口P沉Pb时D：当P沉Pb且P井口P沉时，P膨=0110110ln86400105井口膨PPQPpbb110110ln86400105井口沉沉膨PPQPp6、井口油温的影响因素及其计算公式从井底到井口各深度点所对应的地层温度是逐渐降低的，原油粘度也必然随着温度的变化而变化。要确定温度变化对粘滞损失功率的影响需要确定井口油温。通过研究，找出了井口油温的影响因素：①油层温度②地表温度③产液量④含水率⑤动液面⑥膨胀功率确定了函数关系式:T井口=K1Q当（T地层-T地表）+K2Q当H动+K3P膨+CQ当=Q液+（CW/CO-1）Q液fw=Q液+0.72Q液fw7、iLi的影响因素及其函数关系式iLi为各段油管中的液体的平均粘度与对应油管长度的乘积之和，它反映油管中液体粘度随深度变化对粘滞损失功率的影响，为了确定粘滞损失功率就须明确iLi的量值通过研究，找出了iLi的影响因素:①油层温度②井口温度③原油析蜡温度④产液量⑤含水率⑥50℃脱气原油粘度确定了其函数关系式:iLi=K10（T地层－T析）+K20Q油（T析－T口）+K30（-f2w+1.2fw）+C8、有效功率定义：在一定扬程下,将一定排量的井下液体提升到地面所需要的功率称为有效功率。ghQPtef1864001因素：产液量液体密度动液面深度9、输入功率、机采系统效率同各种功率的关系P入=P地+P粘+P滑+P有-P膨η=P有/P入=P有/（P地+P粘+P滑+P有-P膨）10、输入功率计算理论的实践检验为了检验输入功率计算理论的正确性和对不同油藏条件的适应性，我们首先实测了江苏局28个油藏的428口油井的实际输入功率，然后用理论计算公式逐井计算了各井的理论输入功率，其结果为：检验结果检验井数：428口实测功率：3362Kw理论计算功率：3327Kw实测效率：26.0%理论计算效率：26.3%功率相对误差：1.1%对产液量、含水率、动液面、油层温度、饱和压力、气油比、溶解系数、析蜡温度、地表温度、原油密度、50℃脱气原油粘度、地层原油粘度、油层中深、井斜14个参数分别按从大到小顺序，将实测功率与计算功率逐一进行功率对比分析，发现功率相对误差大多呈随机分布状态，且误差较小，说明输入功率计算理论对具有不同物性特征的28个油藏，及这些油藏中不同生产参数的428口油井具有普遍适用性。陈2块输入功率实测值与理论值比较图实测功率理论功率有效功率实测效率理论效率功率相对误差133.9138.339.129.2%28.2%-3.2%024681012陈2陈2-1陈2-11陈2-12陈2-13陈2-14陈2-16A陈2-17陈2-18陈2-2陈2-20陈2-21陈2-22陈2-23陈2-24陈2-25A陈2-26陈2-27陈2-31陈2-4陈2-5陈2-6陈2-7陈2-9井号功率（KW)实测功率理论功率富民输入功率实测值与理论值比较图实测功率理论功率有效功率实测效率理论效率功率相对误差121.0118.642.234.8%35.5%2.0%02468101214富100-1富103富109富11富115富116富18富22富39富68富73富91富91-2富97富97-1井号功率（KW)实测功率理论功率花、联、纪输入功率实测值与理论值比较图实测功率理论功率有效功率实测效率理论效率功率相对误差96.790.226.927.8%29.8%7.2%05101520花3A花6纪4纪5纪5-1联23-1联24联24-1联28联28-1联8邱3井号功率（KW)实测功率理论功率沙埝输入功率实测值与理论值比较图实测功率理论功率有效功率实测效率理论效率功率相对误差151.5151.243.228.5%28.6%0.2%024681012沙11沙19-2沙19-6沙19-7沙20沙20-10沙20-11沙20-12沙20-14沙20-15沙20-17沙20-3沙20-5沙20-6沙20-8沙20-9A沙7-1沙7-13a沙7-17沙7-18沙7-19沙7-2沙7-3沙7-4A沙7-7沙7-9井号功率（KW)实测功率理论功率用大庆油田数据进行检验04812162024P115-57P65-77P73-78P73-822P74-74P75-84T105-63P79-54P81-69P88-79T113-60P100-71P65-72P63-74P78-81井名输入功率优化前实测优化前理论设计优化后实测优化后理论在全国各油田推广应用的过程中，实测了近万口油井对新设计方法进行了进一步的检验，结果表明，新设计方法理论对国内具有不同物性特征的油藏及这些油藏中不同生产参数的油井具有普遍适用性。11、机采系统效率同各种影响因素间的关系杆速(冲程×冲次)P损载荷P损电机空载功率P损粘度P损管径杆径比P损降低杆速即增大泵径或提高泵效减少载荷即减轻杆柱及液柱重量降低电机空载功率降低粘度增大管径杆径比优选抽油机种类并合理匹配电机减小油杆在井斜段的单位长度的重量提高机采效率的主要手段：提高机采系统效率各种手段之间的矛盾①在同等泵挂下，增大泵径，必然引起杆柱系数、载荷、单位长度杆重增大，而P损即是泵径的减函数，又是杆柱系数、载荷、单位长度杆重的增函数。②在给定的动液面（即给定的产液量）和给定泵径的条件下，提高泵效必须通过加深泵挂（增大沉没度）来实现，这必然引起载荷、杆柱系数、井斜轨迹水平投影长度增加。而P损一方面是泵效的减函数,另一方面又是杆柱系数、斜井长度、泵挂深度的增函数。提高机采系统效率各种手段之间的矛盾③在不同泵径条件下，杆柱系数对泵效的影响程度是不同的。④在不同杆柱钢级条件下，同一泵挂及泵径所对应的杆柱系数及其经济效益是不同的。目录一、概述二、有杆泵抽油系统输入功率计算理论研究三、能耗最低机采系统设计方法及软件四、现场应用及效果五、推广前景三、能耗最低机采系统设计方法及软件针对以上矛盾，我们发明了以能耗最低或以成本最低为准则的机采参数设计方法，从而使提高机采系统效率的各种手段之间的矛盾得到了解决。1、设计条件（已知参数)(1)产液量(2)含水率(3)动液面(4)油层中深(5)原油密度(6)油气比(7)饱和压力(8)溶解系数(9)油层温度(10)析蜡温度（11)地表温度(12)50℃脱气原油粘度(13)地层原油粘度(14)井斜参数2、设计参数(求解参数）(1)抽油机机型(2)电机机型(3)管径(4)泵挂(5)泵径(6)杆柱钢级(7)杆柱组合(8)冲程(9)冲次3、设计步骤(求解过程)：在同一目标产量前提下：①将管径分别按内径大小依次排序；将杆柱钢级分别按强度大小依次排序；将泵径按尺寸大小依次排序；将泵挂从动液面始，按某一步长（如10米）依次加深排序直到油层中部为止。②各种管径、各种杆柱钢级、各种泵径、各种泵挂（对应科学的杆柱组合）、各种冲程、各种冲次一一组合，每一种组合对应着一种机采系统效率，即对应着一种能量消耗和一种管、杆、泵的投入与年度损耗。③根据输入功率计算公式分别计算出每一种机采参数组合所对应的输入功率。④以能耗最低者为所选择的机采参数（管径、管长、杆柱钢级、泵径、泵挂深度、杆柱组合、冲程、冲次）③根据输入功率计算公式分别计算出计算出每一种组合相应的年度耗电费用；根据各种管柱、各种杆柱、各种泵的价格，计算出每一种组合相应的年度机械损耗值，并考虑一次性投资的年利息，合计出每一种机采参数组合所对应的机采年耗成本。④以年耗成本最低者为所选择的机采参数（管径、管长、杆柱钢级、泵径、泵挂深度、杆柱组合、冲程、冲次）或者：4、新设计方法与常规设计方法的区别①模型基础上的区别常规方法：主要考虑的是举升机械过程，仿真悬点运动规律；能耗最低机采系