机采系统效率理论研究及应用1

抽油机井系统效率分析及提高措施二〇〇八年三月薛建泉[e-mail]中国石油大学（华东）石油工程学院石油工程学院采油工程系三、提高地面效率的方法二、抽油机井生产系统设计与分析一、系统效率分析抽油机井系统效率分析及提高措施石油工程学院采油工程系三、提高地面效率的方法二、抽油机井生产系统设计与分析一、系统效率分析抽油机井系统效率分析及提高措施石油工程学院采油工程系一、系统效率分析从地面供入系统提供的能量扣除系统中的各种损失，就是系统给井筒流体的有效能量，其与系统输入的能量之比即为抽油机井的系统效率。常规有杆泵采油抽油机抽油泵抽油杆石油工程学院采油工程系目前，全世界所有的机械采油井中常规游梁式抽油机井占85%抽油机井的耗电量高达约占油田总耗电量的30~35％左右资料表明，我国有杆抽油系统效率不足20%。我国在用抽油机近5×104台，若每口抽油机井实用功率按10kW计，5×104台抽油机一年耗电近4.26×109kW.h。若将有杆抽油系统效率提高到30%，每年可节电近14.8×108kW.h。可以节省大量能源还可以缓解油田用电紧张状况。目前，全世界有近百万口抽油机井，其耗电量非常可观，因此对有杆抽油系统效率的研究有重要意义。一、系统效率分析石油工程学院采油工程系技术装备水平。高水平和好性能的技术装备是提高抽油机井生产系统效率的重要基础。要想从根本上解决抽油机井系统效率低的问题，就应采用较先进的、节能型的技术装备。抽油机井生产系统优化设计水平。它是提高抽油机井系统效率的技术依托。在一定的油井条件和设备条件下，优化设计生产系统的工作制度，将在一定程度上提高抽油设备的运行效率和油井的生产效率。管理水平。高的管理水平是提高抽油机井生产系统效率的必要条件。及时准确地分析油井及其设备的工作状况、调整工作制度等，都会影响抽油机井的系统效率。影响系统效率的主要因素一、系统效率分析石油工程学院采油工程系有杆抽油系统：包括原动机、抽油机、抽油杆、抽油泵、井下管柱和井口装置以及油层供液系统。抽油机的输入功率（P入）：拖动抽油机的电动机的输入功率为抽油机的输入功率。抽油机的光杆功率（P光）：提升液体和克服各种阻力所消耗的功率为抽油机的光杆功率。抽油机系统的有效功率（P水）：将井下液体提升到地面所需要的功率叫有效功率，也叫水力功率定义与系统效率分解一、系统效率分析石油工程学院采油工程系有杆抽油系统效率抽油机有效功率与输入功率的比值为抽油机井系统效率，即：抽油机工作过程中负荷是不断变化的，因而其瞬时输入功率、光杆功率、输出功率等也是不断变化的，相应的各种瞬时效率也是不断变化的。为了便于研究，这里有杆抽油系统及各部分的效率主要是指抽油机每工作一个周期的平均效率，所采用的各种功率值，也是每一周期内的平均功率。%100PP入水抽油机输入功率抽油机有效功率一、系统效率分析石油工程学院采油工程系效率分解抽油机系统的效率分为两部分，即地面效率和井下效率。以光杆悬绳器为界，悬绳器以上的机械传动效率和电机运行效率的乘积为地面效率；悬绳器以下到抽油泵为井下效率，即：式中η地—地面效率；η井—井下效率。井地入光光水入水PPPPPP一、系统效率分析石油工程学院采油工程系入光地面PP地面效率：电动机效率皮带和减速箱效率四连杆机构效率盘根盒效率抽油杆效率抽油泵效率管柱效率光水井下PP井下效率：入水井下地面抽油PP抽油效率：一、系统效率分析石油工程学院采油工程系三、提高地面效率的方法二、抽油机井生产系统设计与分析一、系统效率分析抽油机井系统效率分析及提高措施石油工程学院采油工程系油井流入动态曲线（IPR曲线）：表示产量与井底流压关系的曲线，简称IPR曲线。油井流入动态：油井产量与井底流动压力的关系。它反映了油藏向井的供油能力，反映油藏压力、油层物性、流体物性、完井质量等对油层渗流规律的影响，是采油工程与油藏工程的衔接点。通过油井流入动态研究为油藏工程提供检验资料；为采油工程的下一步工作提供依据；检查钻井、固井、完井和各项工艺措施等技术水平的优劣。2.1油井流入动态二、抽油机井生产系统设计与分析石油工程学院采油工程系油井流入动态研究主要有三种途径：基于Vogel、Fetkovich、Petrobras方法的完善。建立不同类型油藏和井底条件的渗流模型。利用单井流入动态的油藏数值模拟技术。2.1油井流入动态石油工程学院采油工程系井筒多相流理论：研究各种举升方式油井生产规律基本理论研究特点：流动复杂性、无严格数学解研究途径：基本流动方程实验资料相关因次分析近似关系2.2井筒多相流理论与计算石油工程学院采油工程系石油工业中的多相流技术研究始于1950年左右70年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的一些物理机理来预测多相流的流型80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展80年代中期应用了核密度计、超声波、电容传感器、激光多普勒仪和高速摄影机等设备对多相流机理进行研究目前，双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机理模型是多相管流研究的主要方法2.2.1多相流理论的研究简史石油工程学院采油工程系●多相流问题未得到解析解●复杂管道中的流动研究较少●水平井段变质量流动研究较少●缺乏专用研究仪器●缺乏向下流动的综合机理模型多相流理论的研究现存的问题石油工程学院采油工程系2.2.2井筒气液两相流动的特性(1)气液两相流动与单相液流的比较比较项目单相液流气液两相流能量来源井底流压井底流压气体膨胀能能量损失重力损失摩擦损失重力损失摩擦损失动能损失流动型态基本不变流型变化能量关系简单复杂石油工程学院采油工程系流动型态（流动结构、流型）：流动过程中油、气的分布状态。(2)气液混合物在垂直管中的流动结构变化影响流型的因素•各相介质的体积比例•介质的流速•各相的物理及化学性质(密度、粘度界面张力等)•流道的几何形状•壁面特性•管道的安装方式石油工程学院采油工程系量从断面２流出的流体能＝的能量在断面１和２之间耗失－体额外所做的功在断面１和２之间对流＋进入断面１的流体能量2.2.3井筒气液两相流能量平衡方程两个流动断面间的能量平衡关系：222,,VPU222,2mghmV121111,2,,mghmVVPU倾斜管流能量平衡关系示意图石油工程学院采油工程系适合于各种管流的通用压力梯度方程：加速度摩擦举高)()()(dZdPdZdPdZdPdZdP则：令：2)()(sin)(2vdfdZdIdZdPdZdvvdZdPgdZdPw摩擦加速度举高2sin2mmmmmmmvdfdZdvvgdhdP石油工程学院采油工程系说明：a.计算压力分布过程中，温度和压力是相关的；b.流体物性参数计算至关重要，但目前方法精度差；c.不同的多相流计算方法差别较大，因此在实际应用中有必要根据油井的实际情况筛选精度相对高的方法。石油工程学院采油工程系在实际研究过程中，不仅要根据所研究的问题选择合适的多相流计算模型，而且常常需将前面介绍的多种模型有机地结合起来使用，以各取其长，获得尽可能精确的计算结果。2.2.4井筒气液两相流动的计算方法石油工程学院采油工程系Poettmann-Carpenter方法、Fanch-Brown相关式、Baxendell-Thomas相关式、Hagedron-Brown关系式、Duns-Ros相关式、Orkiszewski相关式、Beggs-Brill相关式、Dukler相关式、Mukherjee-Brill相关式、Aziz相关式、Eaton相关式、Ansari相关式等。不同方法有其适用条件和精度，可根据具体油田实际选用。石油工程学院采油工程系在进行气液两相流动的有关计算中，常需要确定工作条件下原油、天然气、水及其混合物的物性参数。客观地讲，确定这些物性参数最根本、最精确的方法是实验测定。然而，实际生产设计和计算中所遇到的原油、天然气及水的组成、工作温度和工作压力等的范围都非常广泛，完全依赖实验方法测定各种工况条件下的油、气、水及其混合物的物性参数是很困难的。另外，过去曾一度建立和使用的许多物性参数图版，也都难以适应目前广泛应用电子计算机进行工程计算的要求。因此，为了便于利用电子计算机进行气液两相流动的计算，建立原油、天然气、水及其混合物物性参数计算的相关公式是非常必要的。石油工程学院采油工程系2.2.5流体物性参数计算方法(1)原油密度(2)原油的API度(3)油水混合液体的密度(4)原油体积系数(5)溶解气油比(6)液体粘度(7)油、天然气的表面张力(8)水、天然气的表面张力(9)油、水混合物和天然气的表面张力(10)天然气的粘度石油工程学院采油工程系2.3.1节点系统分析方法节点系统分析法：应用系统工程原理，把整个油井生产系统分成若干子系统，研究各子系统间的相互关系及其对整个系统工作的影响，为系统优化运行及参数调控提供依据。节点划分依据：不同的流动规律相关式2.3油井生产节点系统分析石油工程学院采油工程系2.3.2抽油机井生产系统的组成(1)油气层子系统(2)井筒子系统(3)地面集输子系统(4)采油设备子系统稳定工作条件：协调石油工程学院采油工程系节点系统分析对象：整个油井生产系统节点系统分析实质：协调理论在采油应用方面的发展协调条件质量守恒能量(压力)守恒热量守恒石油工程学院采油工程系求解点的选择：主要取决于所要研究解决的问题。求解点：为使问题获得解决的节点。0510152025010203040506070产量压力节点流入曲线节点流出曲线协调点石油工程学院采油工程系功能节点：存在压差的节点。压力不连续的节点。一般地，功能节点位置上装有起特殊作用的设备，如油嘴、抽油泵等。油井生产系统中，当存在功能节点时，一般以功能节点为求解点。石油工程学院采油工程系2.3.3抽油机井生产系统节点的设置123456分离器7求解点的选择：下泵处。求解点：为使问题获得解决的节点。分离器节点7电机输入节点6井口节点5泵排出口节点4泵吸入口节点3井底节点2油层节点1rPwfPinPoutPtPsepP石油工程学院采油工程系有杆泵采油典型特点：地面能量通过抽油杆、抽油泵传递给井下流体。(1)常规有杆泵采油：抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵。(2)地面驱动螺杆泵采油：井口驱动头的旋转运动通过抽油杆传递给井下螺杆泵。有杆泵采油分类：2.4抽油机井生产系统设计与分析石油工程学院采油工程系2.4.1抽油装置抽油机、抽油杆、抽油泵、其它附件。新型抽油机：为了节能和加大冲程。异相型游梁式抽油机异形游梁式抽油机双驴头游梁式抽油机链条式抽油机宽带传动抽油机液压抽油机节能加大冲程石油工程学院采油工程系超高强度抽油杆玻璃钢抽油杆空心抽油杆电热抽油杆连续抽油杆柔性抽油杆：如钢丝绳抽油杆特种抽油杆抽稠泵防砂卡泵适合高气液比的抽油泵特种抽油泵石油工程学院采油工程系2.4.2抽油机悬点运动规律及载荷分析简谐运动时悬点位移、速度、加速度曲线悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的。石油工程学院采油工程系（1）静载荷抽油杆柱载荷；液柱载荷；沉没压力对悬点载荷的影响；井口回压对悬点载荷的影响（2）动载荷惯性载荷；振动载荷；摩擦载荷石油工程学院采油工程系2.4.3抽油机平衡、扭矩、功率、效率的计算平衡计算：平衡半径和平衡块重量。扭矩计算：曲柄轴扭矩曲线功率计算：电动机功率、光杆功率、水力功率。石油工程学院采油工程系2.4.4泵效计算与分析影响泵效的因素(3)漏失影响(1)抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩SSp入(2)气体和充不满的影响活液VV(4)体积系数的影响lBB1石油工程学院采油工程系%100)1(t%100SSSp%10011RkRSSpg泵效：冲程损失影响：气体的影响：原油体积变化的影响：漏失的影响：所以：%100)1()1))1(((t