孤岛油田聚合物驱抽油机井系统效率分析研究_李清振.docx

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1、 A Dissertation Submitted to China University of Geosciences for Master of Engineering Degree The analysis and study on the systemic efficiency of rod-pumped well for polymer flooding in Gudao oilfield Master Candidate:Qingzhen Li Major:Petroleum and Gas Engineering Study Orientation:Enhance Oil Rat

2、e Dissertation Supervisor: Prof. Chengbiao Wang Associate Supervisor: CH. E. Xuechao Zhang China University of Geosciences (Beijing ) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得中国地质大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签

3、期： 2008.10.20 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国地质大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文 。 摘 要 孤岛油田共有中一区 3复合驱、中一区 Ng3-6、 中二北 Ng3-4等 7个正注聚单元以 及中一区Ng5、 西区 Ng3-4、 中二南 Ng3-4等 10个后续水驱单元，开油井 1016 口（其中 正注聚油井 360 口 ），日油水平 5166t (其中正注聚 2455.6t),占孤岛油田的 51%。随着 注聚采油生产，注聚区块大多数油井采出

4、液中都或多或少含有聚合物，平均聚合物浓度含 量 140mg/L， 有些井由于存在高渗透流，产出液水相中聚合物浓度高达 1000多 mg/L。 而 且油井见聚后，地层供液能力相对变差，抽油机井工作泵效和系统效率降低。本论文针对 我国抽油机井平均系统效率还处于 20 %的较低水平，造成能源浪费，生产成本増加，特别 是虽然目前水驱油藏的工程设计软件较多，现场应用效果较好，但是对于聚合物驱抽油井 系统效率敏感性参数分析与工程设计方面的研究还比较少的实际情况，本着搞好聚合物驱 抽油井管理和提高设计水平，保证油井高产稳定、降低生产成本，实现油田高效生产的目 的，进行了聚合物驱抽油井系统效率敏感性参数分析研

5、究与工程设计。 本论文通过对孤岛油田抽油机井系统效率现状的调 研分析、聚合物溶液在多孔介质中 的流变性实验研究，利用理论分析和现场应用相结合的方法，针对孤岛油田注聚区块抽油 机井的生产特点，研究了见聚油井的 IPR曲线，运用系统工程理论和有杆抽油数学模拟方 法进行了系统效率计算，进行了系统效率敏感性参数分析，生产设备效率状况分析，找出 了具体油井系统效率低的原因，并以经济效益、系统效率、或者产量为目标，提出了提高 系统效率的方法或措施。同时，开发了聚合物驱油井系统效率敏感性参数分析与工程设计 管理软件，并在中一区 Ng3-6单元现场实际运行中取得了良好的效果，有很高的理论 意义 和实际应用价值

6、，对其它聚合物驱区块抽油机井系统效率的敏感性分析、参数优化设计具 有借鉴意义。 关键词：聚合物驱抽油机井系统效率研究敏感性 Abstract There are 7 block (Ng3 and Ng3-6 of Zhong yiqu Ng3-4 of zhong erbei, etc) for polymer flooding and 10 block(Ng5 of Zhong yiquNg3-4 of xiquNg3-4 of zhong ernan, etc) for water flooding after polymer flooding in Gudao oilfield. The

7、 producing wells are 1016 and average daily oil production is 5166 tons (average daily oil production in process of polymer flooding is2455.6 tons)， 51 percent average daily oil production of Gudao oilfield. With polymer flooding, producing wells has more or less polymer in produced liquid, average

8、polymer concentration is 140mg/L, but some producing wells polymer concentration is up to 1 OOOmg/L due to high- permeability flow, causing lower stratum deliverability and efficiency of pump and systemic efficiency of rod-pumped well. Focuse on average systemic efficiency of rod-pumped well is in t

9、he level of 20%, causing energy sources waste and production cost increase, especially now water flooding engineering design software is more and applies well in field, and yet the analysis of sensitivity parameter and engineering design of systemic efficiency of rod-pumped well for polymer flooding

10、 is less, this paper has studied on these for improving wells management、 increasing design level ensuring production stability、 lowing production cost to high- efficiency production. Based on current status analysis of systemic efficiency of rod-pumped well in Gudao oilfield and research on rheolog

11、ical property of polymer on porous medium, combining theory analysis with field application, the paper has studied IPR curve of production wells that has more or less polymer in produced liquid and calculated systemic efficiency and analyzed sensitivity parameters and production equipment efficiency

12、 by applying systems engineering theory and mathematical simulation method, finding concretely reasons, advancing measures. At the same time， a software of sensitivity parameter analysis and engineering design management on systemic efficiency of rod-pumped well is programmed and applied in Ng3-6 of

13、 zhong yiqu. It has a good effect and provides reference significance for others polymer flooding block. Key words: polymer flooding； rod-pumped well； systemic efficiency； sensitivity 目 录 1 frW . i 1.1选题依据及意义 . 1 1.2抽油机井系统效率分析现状 . 1 1.3技术路线 . 3 1.4研究内容 . 3 2聚合物溶液在多孔介质中的流变性 . 4 2. 1聚合物驱与水驱产出液性质对比 . 4

14、 2. 2不同流动条件下聚合物溶液流变特性 . 5 2. 3不同浓度聚合物溶液在多孔介质中流变特性 . 6 3抽油机井系统效率理论研究 . 7 3. 1聚合物驱油藏油井流入动态 （ IPR)计算模型 . 7 3. 1. 1聚合物驱油井 IPR曲线的数学模型 . 7 3. 1.2.差分方程及 IPR曲线求解方法 . 10 3. 2聚合物驱抽油机井系统效率分解及各部位效率计算 . 12 3. 2. 1地面部分效率计算 . 12 3. 2. 2抽油系统井下部分效率计算 . 18 3. 3聚合物驱抽油机井系统动态模拟计算数 学模型 . 23 3. 3. 1机 一 杆 一 泵动态模拟方程 . 23 3.

15、 3. 2数学模型的建立 . 23 3. 4系统动态模拟数学模型求解 . 30 3. 4. 1有限差分模型 . 30 3. 4. 2载荷计算 . 31 3. 4. 3计算收敛条件 . 32 3. 4. 4初始条件和边界条件 . 32 3. 5系统效率敏感性分析 . 34 3. 5. 1冲程和冲次对系统效率的影响 . 34 1 3. 5. 2泵径对系统效率的影响 . 35 3. 5. 3泵深对系统效率的影响 . 39 3. 5. 4油压和套压对系统效率的影响 . 42 3. 5. 5采出流体粘度对系统效率的影响 . 43 3. 5. 6气体对系统效率的影响 . 43 4聚合物驱抽油井工程设计及现

16、场试验 . 45 4. 1设计方法 . 45 4. 2流体在垂直管流中压力分布计算 . 47 4. 3油井流入动态 . 48 4. 4确定下泵深度 . 50 4. 4. 1确定沉没压力和沉没度 . 50 4. 4. 2确定下泵深度 . 51 4. 5初选抽汲参数 . 52 4. 5. 1选择原则 . 52 4. 5. 2基本选择 . 52 4. 6抽油杆柱设计 . 54 4. 6. 1抽油杆柱设计原则与准则 . 54 4. 6. 2抽油杆柱载荷计算与杆柱设计 . 54 4. 7现场试验效果 . 57 5金吉 & . 62 猶 . 63 参考文献 . 64 附录软件使用手册 . 67 2 1 前

17、言 1.1选题依据及意义 有杆抽油技术在我国石油开采中占有主导地位，在我国各油田的生产井中大约有 80% 是使用有杆抽油技术。应用有杆抽油系统的目的是将地面的电能传递给井下液体，从而举 升井下液体。整个系统工作时，就是一个能量转化的过程。在能量的每一次传递过程中将 损失一定的能量。从地面供入系统的能量扣除系统的各种损失以后，就是系统的有效能量， 有杆抽油技术的目的就是尽可能的提高能量的利用率，也就是提高有杆抽油系统的系统效 率。目前国内外各工业企业都朝着高效节能方向努力，节约能源，提高效率和管理水平已 经成为石油工业的工作目标之一。作 为反映抽油机井管理水平和经济技术水平的一项重要 指标，目前

18、我国抽油机井系统效率还很低，平均效率为 20 %左右，因此，提高不同条件 下抽油机井系统效率，不仅可以节约大量的能源，降低生产成本，而且还能缓解国家用电 紧张状况，如何提高抽油机井系统效率是当前经济条件下油田生产的重要研究课题。 截至到 2006年底，孤岛油田共有中一区 Ng3复合驱、中一区 Ng3-6、 中二北 Ng3-4等 7个正注聚单元以及中一区 Ng5、 西区 Ng3-4、 中二南 Ng3-4等 10个后续水驱单元，开油 井 1016 口（其中正注聚油井 360 口）， 日油水平 5166t (其中正注聚 2455.6t)， 占孤岛油 田的 51%。随着注聚采油生产，注聚区块大多数油井

19、采出液中都或多或少含有聚合物，平 均聚合物浓度含量 140mg/L， 有些井由于存在高渗透流，产出液水相中聚合物浓度高达 1000 多 mg/L。 随着油井见聚过程的出现，地层供液能力相对变差，抽油机井工作泵效和系统效 率降低，因此对孤岛油田聚合物驱抽油井系统效率进行敏感性参数分析研究与工程设计研 究，对于搞好该油田聚合物驱抽油井管理和提高设计水平，保证油井高产稳定、降低生产 成本具有重要作用，也是油田高效生产的重要途径之一。 1.2抽油机井系统效率分析现状 在油井条件一定的情况下，抽油机井的系统效率主要受到以下三种因素的影响： 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

20、率的重要基础。要想 1 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。 油 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。 随着采油工艺技术的不断发展，国内外对提高有杆抽油系统效率的研究非常重视，就 抽油机井的系统效率低（平均 20%左右）的问题进行了一些研究，开发的水驱油藏的工程设 计软件较

21、多，在现场应用及提高机抽系统效率方面取得了明显的经济效果。尽管如此，有 杆抽油系统仍存在许多问题， 诸如电机不匹配、抽油机平衡程度欠佳、工作参数不匹配等， 所有这些都在不同程度上影响着机抽系统的高效运行。特别是对于聚合物驱抽油井系统效 率敏感性参数分析与工程设计方面的研究还比较少。由于水驱和注聚驱油井的驱替方式和 采出液性质的不同，因此无法使用水驱油藏的工程设计软件对注聚驱油井的生产参数进行 优化。 抽油机一深井泵装置系统效率的理论上限在 40%左右，把油井实测系统效率与油井理 论系统效率相比较可以看出，一般相差一倍以上，有很大的节能増效潜力，只要采取相应 的措施，合理优化设计参数，加强管理，

22、系统效率会有较 大幅度的提高，也会节约大量的 能源。通过对孤岛采油厂 2006年抽油机井系统效率测试情况进行统计分析（表 1-1)，全 厂抽油机井实测系统效率为 28.76%，虽然在胜利油田分公司各采油厂处于较高水平，但 与油井理论系统效率相比较相差较大 ,特别是注聚区块油井系统效率仅为 25. 78%(表 1-2) 与理论系统效率比较相差更大，有很大的提高空间和潜力。 表 1-1 孤岛采油厂 2006年抽油机井系统效率统计表 单位 测试 井数 平均单井 泵深 (m) 平均单 井动液 面 (m) 平均单 井日液 _ 平均 功率 因数 平均输 入功率 (kW) 平均 光杆 功率 (kW) 平均水

23、 力功率 (kW) 地面 效率 (%) 井下 效率 (%) 系统 效率 (%) 孤一区 284 699. 39 380. 51 74. 65 0. 55 8. 22 5. 57 2.41 67. 70 43. 28 29. 30 孤二区 207 552. 93 271. 97 45. 72 0.44 4. 32 2. 39 1. 35 55. 41 56. 21 31. 15 孤三区 273 835. 45 438. 48 64. 74 0.49 7. 91 4. 93 2.40 62. 39 48. 74 30. 41 孤四区 359 793. 86 434. 70 78. 90 0. 60

24、 8. 49 3. 82 2. 60 44. 99 68. 10 30. 64 孤五区 367 857. 34 567. 45 45. 18 0. 52 8. 23 3. 87 2. 14 46. 99 55. 31 25. 99 孤六区 311 816. 45 395. 27 56. 11 0. 54 6. 72 4. 14 1. 86 61. 63 45. 02 27. 75 垦利区 78 1049. 23 680. 85 45. 01 0. 50 11. 55 7. 29 2. 96 63. 15 40. 58 25. 63 采油厂 1879 785. 22 436. 9 60. 8 0

25、. 53 7. 67 4. 29 2. 20 55. 94 51.41 28. 76 2 表 1-2孤岛油卜 注聚单元 2006年抽油 in L卯系统效率统计表 单元名称 测试 井数 可对 比井 数 平均单 井泵深 (m) f均 单井 动液 而 (in) 平均单 井日液 (t/d) f均 功率 因数 平均 输入 功率 (kW) f均 光杆 功率 (kff) f均 有效 功率 (kw) 地 面 效 率 (%) 井 下 效 率 (%) 系统 效率 (%) 中一区 Ng3-4 220 184 763. 7 241. 0 99. 9 0. 59 7.49 3. 64 2. 07 48. 61 56.

26、78 27. 60 中一 R Ng5-6 135 111 1235. 0 564. 4 111. 0 0. 61 11. 65 5. 88 3. 32 50.41 56. 46 28. 46 中一区 Ng3-6 54 49 839. 3 368. 2 72. 6 0. 43 7. 02 4. 06 1. 85 57. 83 45. 55 26. 34 中二南 52 40 703. 5 241. 9 84. 2 0. 78 7.41 2. 86 1. 91 44. 61 66. 72 25. 74 中二中 128 104 788. 3 295. 9 82. 9 0. 87 7. 16 3. 51

27、 1. 69 48. 94 48. 27 23. 62 西区 103 94 723. 3 253. 2 89. 4 0. 515 8. 34 5.47 2. 55 65. 59 46. 57 30. 54 中二北 Ng3-4 81 73 554. 6 69. 2 88. 6 0. 49 8. 22 1. 05 0. 98 20. 14 93. 58 11. 97 合计 773 655 820.4 296. 7 93. 3 0. 616 8. 31 3. 96 2. 14 47. 61 54. 14 25. 78 1.3技术路线 针对孤岛油田注聚区块抽油机井的生产特点，研究见聚油井的 IPR曲线

28、，运用系统工 程理论和有杆抽油数学模拟方法进行系统效率计算，通过系统效率敏感性参数分析，生产 设备效率状况分析，找出具体油井系统效率低的原因，并以经济效益、系统效率、或者产 量为目标，提出提高系统效率的方法或措施。通过研究开发聚合物驱油井系统效率敏感性 参数分析与工程设计管理软件。 1.4研究内容 孤岛油田聚合物驱区块抽油机井系统效率状况分析； 聚合物驱区块抽油机井系统效率计算模型和方法研究； 聚合物驱油藏抽油机井系统效率敏感性参数分析模型和方法研究； 聚合物驱油藏油井系统效率敏感性参数分析与工程设计软件开发； (5) 现场应用。 3 2聚合物溶液在多孔介质中的流变性 聚合物驱油藏，在聚合物驱

29、油及提升过程中，驱替相及提升相是聚合物水溶液，其流 体的粘度表现出明显的非牛顿特性，因此其流变特性与水驱油井产出液的牛顿流体流变性 有很大不同，其粘度随剪切速率的改变而改变。聚合物溶液的这种非牛顿流变性，不仅与 聚合物本身性质有关，同时也与溶液中聚合物的浓度以及多孔介质的性质等因素有关。在 研究油井流入动态时，必须考虑聚合物溶液在多孔介质中的这种特殊渗流特征。 2. 1聚合物驱与水驱产出液性质对比 聚合物驱与水驱之间最主要的区别在于采出液的性质发生了变化，水驱采出液是水和 原油的混合物，是牛顿流体；而聚合物驱采出液是聚合物溶液与原油的混合物，是非牛顿 流体。并且聚合物驱采出液的粘度要高于水驱采

30、出液的粘度。对于混合液的粘度，采用 加权法进行计算，艮P: 队 + (1_ 2-1) 式中：为采出液的粘度， Pa. s; &为采出液中的油相粘度， Pa. s; 乂 ,，为含水率， ; 为采出液中的物相粘度， Pa. s， 对水驱采出液，为水的粘度，对于聚合物驱 采出液，则为聚合物溶液的粘度。 聚合物溶液是一种典型的非牛顿流体，其粘度不但与聚合物的浓度有关，而且受剪切 速率的影响，在相同的浓度、不同的剪切速率情况下，溶液表现出不同的粘度；同时，聚 合物溶液又是一种特殊的非牛顿流体，它的特殊性在于它的粘弹性。聚合物溶液的粘度包 括粘性粘度和弹性粘度，在剪切速率较低时，粘性粘度占主导地位，而 a

31、剪切速率超过一 定值时，它就要表现出粘弹性。当剪 切速率达到 200 时，溶液的复合粘度上升，溶液表 现出粘弹性（图 2-1)，所以对聚合物溶液的粘度确定，一定要综合考虑不同剪切速率下溶 液表现出的性质。与水驱采出液的油相不同，聚合物驱采出液中的油相也是非牛顿流体， 且符合幂律模式。从一口水驱乳化很严重的抽油井采出液和典型聚合物驱井的油相流变性 4 11,1,11,1 1 10 剪切速率 Y (s-1) 图 2-3聚合物在流变仪中的流变曲线 图 2-4聚合物在多孔介质中的流变曲线 (t=63 , K=129. 3um2) (t=63 , K=129. 3um) 在温度 =63 、多孔介质渗透率

32、 1(=129.3111112的条件下，取相同浓度的聚合物溶液进 行不同流速的流变性试验，聚合物溶液在流变仪中表现为剪切变稀特征，溶液粘度随流速 升高而下降。当聚合物溶液在多孔介质中渗流时，溶液粘度在较低速度范围内，表现出剪 切变稀特征；而当流速超过一定值时，溶液粘度则表现出剪切增稠特性，即粘度随流速升 测试曲线（图 2-2)可以看出，聚合物驱的油相粘度随剪切速率的变化而变化，而水驱米 出液的油相粘度不随剪切速率的变化而变化。在计算聚合物驱采出液的粘度时，取值必 须考虑剪切速率的变化。 可见，油田采用聚合物驱后，抽油机油井的产出液的性质发生了变化，主要表现在含 聚产出液的粘弹性，这将对杆柱受力

33、产生影响。 图 2-1 GD1-5-61井水相粘度曲线 剪切速率， s4 图 2-2聚合物驱与水驱油相流变性对比 2. 2不同流动条件下聚合物溶液流变特性 5 局而升局。 0 - 1 - 1 10 100 渗流速度 V(10_4cm/S) 聚合物在多孔介质中的流变曲线 （ t=63 , K=1.023um2) 图 2-5不同浓度聚合物溶液在多孔介质中流变特性 取 1300、 600、 300mg/L的不同浓度聚合物溶液在不同的渗透率 K、 相同流速下进行流 变性实验，通过实验发现： 随着聚合物浓度増加，流变曲线上移，视粘度增高。 聚合物浓度升高，弹性临界流速 Vc稍有下降。 2. 3不同浓度聚

34、合物溶液在多孔介质中流变特性 聚合物在多孔介质中的流变曲线 (t=63 , K=3.046 Mm2) 聚合物在多孔介质中的流变曲线 （ t=63 6 3抽油机井系统效率理论研究 3.1聚合物驱油藏油井流入动态 （ IPR)计算模型 假设油藏均质等厚，油藏厚度与渗透率为常数，忽略重力和毛管力的影响，地层流体 的流变性符合幂律定律。利用连续性方程、状态方程及运动方程，推导出一组描述压力与 产量关系的偏微分方程。由给出的边界条件及推导出的偏微分方程，用有限差分的方法， 把该偏微分方程化成线性方程组的形式，构成三对角矩阵，用追赶法解出在一定产量下， 油井的井底压力及各个不同网格半径的压力。改变不同的产

35、量值，得到一组流压与产量的 关系曲线，即 IPR曲线。 3. 1. 1聚合物驱油井 IPR曲线的数学模型 基本微分方程可以应用液体的质量守恒方程得到： 流入单元体质量 一 流出单元体质量 + 注入单元体质量 =单元体内 质量的变化 量 dAPvx) Asm 8x 8t 对平面径向流 A=2m/r代入上式中 lnpvA = lm_m dr 8t 即 1 d(rpVr) d_ r dr dt 上式即平面径向流的连续性方程。 运动方程： , K dP K = ( r dr (3-1) (3-2) (3-3) (3-4) 流体状态方程 : 7 (3-5) 孔隙度状态方程： 小二小 /-。 (3-6)

36、有效粘度方程： =?(9 + |r 1, /2 (3_7) 因为聚合物流变性参数与聚合物浓度有关，又根据数值模拟研究可知，从注入井到生 产井聚合物浓度呈指数递减，因此，任意径向位置 r处的稠度系数和流性指数 )分 别用下式计算： k(r) = kpea(1-lr) (3-8) nr) = nvep1/,r) (3-9) 已知注入井在其注入聚合物浓度下的稠度系数 A： ,和流性指数生产井在其采出聚合 物浓度下的稠度系数 和流性指数 ，从而可以求出和夕值： In k； i-l- kP 厂 , P ln- 厂 , 式中， d是注入井与生产井间的距离。 由（ 3-5)式，得 0 ec p-p c dt

37、 _ p0 dt 还得到： p = Pc dr dr 把 （ 3-4)代入 （ 3-3)， 得 1 5 K 8P - 8 -rP y = -m r or or dt 将式 （ 3-14)展开，并结合 （ 3-12)和 （ 3-13)得 : (3-10) (3-11) (3-12) (3-13) (3-14) 8 R 心 mi r cL 5;： ) + (juetf dr dr dt+ Pdt 进一步展开，得 pT, K dP r ( - 1-) +_ r Peff dr n ( r( or K -n )n K - rw dr dr2 K dP - dP dP ypc0 = Mc0 + cf)

38、/ueff or or ct 两 边 同 除 以 得 & dr r a r ,dP._x d2P - + -( )_1 r n rw n dr dr i+ +- ( r -Y+CO =Co+cf) ( dP_ dr 8P . K 8P- St /ueff dr 两祕知 f，得 l r 8P a 8P 8-P1 dP、， K dP -n + r + r + nC0( y = n(C0 + Cf) ( )n r or rw or or or ot /ueff or 在液体压缩系数 q很小，且径向压力梯度也较小的情况下， cjg) dr 又因， = (&彳 Q- dr K K 2m， h 所以，式

39、（ 3-15)可简化为 d2P dr2 、 12 正弦交流电的电压与电流的相位差 0称为功率因数角，所以瞬时功率为 : p = ui = J2U sin() = UI cos() - UI cos,(2at + (/) 在一个周期内，交流电的瞬时功率不是一个恒定值，在一个周期内功率的平均值（又 叫有功功率），它是指在电路中电阻部分所消耗的功率。当供电电压的周期为 T时，在一 个周期内有功功率的平均值（简称有功功率）为： T Jt/cos() -1/ cos(2 伽 + = t/ cos 0 功率因数角的余弦值称为功率因数。所以，上式表明在不同的供电系统中，当电源电 压和电流大小相同时，有功功率的大小由电压和电流 之间的相位角决定。 功率因数角的正弦值 Sin0和电压 U、 电流 I的乘积，称为无功功率，其表示为： 0 = UI sin 在具有电阻和电抗的