2022年有杆抽油系统定义 .pdf

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1、有杆抽油系统优化设计的完善及现场应用效果分析杨国锋杨峰薄其利( 东辛采油厂工艺所) 摘要： 有杆抽油系统有地层、井筒、地面设备三部分组成，要保持系统高效工作，三个子系统之间必须相互协调。实践证明，抽油机优化设计软件在有杆抽油系统生产中起到了非常关键的作用，但运行中也暴露出一些问题：首先，软件仅适用于井身轨迹为直井情况，而从生产情况看，定向井在抽油机井中占有的比例越来越大；同时，对部分偏磨严重油井所做陀螺测斜显示，很多直井也存在一定井斜角。因此针对目前深斜井越来越多的现状，有必要进一步完善优化设计软件，解决由于深斜井井下工具配套不完善以及生产参数不合理等造成的检泵周期短、系统效率低等问题。其次，

2、目前软件是针对游梁机设计的，高原机因具有较高冲程使用数量逐年增多，其运动规律与游梁抽油机不同，因此采用目前软件设计高原机运动规律必将导致较大生产误差；第三，发挥油藏最大潜能，提高单井产能，就要准确预测油井流入动态，在此基础上制定合理的工作制度。但是油田经过多年开发，油井井况发生了很大变化，供液不足油井所占比例越来越大，此类油藏由于液面等数据的欠缺，造成预测IPR 困难，制约了合理工作制度的制定。针对目前存在的技术难题，技术人员通过与院厂结合，开展了有杆抽油系统优化设计研究，目的是通过优化设计达到各类油井均能实现“产量、效率、寿命”三者的协调统一。关键词： 游梁机有杆系统优化设计定向井截止到 2

3、007 年底，东辛采油厂共开井1499 口，其中抽油机开井1170 口，占总开井数的 78% 。治理偏磨油井 599 井次，其中定向油井262 口；因自然井斜存在一定井斜位移和方位角的直井155 口，因井斜等原因造成的偏磨倒井占偏磨油井的69% ，其平均检泵周期为 147 天，而东辛采油厂平均检泵周期277 天，这表明：油井偏磨是制约油井稳定生产的主要因素。深斜井有杆抽油系统设计主要根据现场情况凭经验配套治理，无相关理论依据，因此难以适应现场生产需要。同时，针对高原机日益增多的情况，有必要对使用高原机提高泵效及延长检泵周期进行相关研究，针对这种现状， 08年工艺所通过与科研院所多次结合交流，

4、08 年 5 月完成了有杆泵抽油系统优化设计软件的完善，应用结果表明，该软件能够有效指导生产实践。1 有杆抽油系统优化设计软件完善有杆抽油系统是由地层、井筒、地面设备三部分组成，要保持有杆抽油系统高效节能工作，三个子系统必须相互协调工作。深斜井与垂直井相比，由于深斜井井眼轨迹在三维空间上的变化，使得抽油杆的受力、弯曲变形更加复杂，不仅导致杆管、油套管之间的偏磨、抽油杆脱扣更加频繁，而且悬点载荷、最大扭矩等不同程度增加，造成系统稳定性降低。同时在油田开发过程中，地层压力、生产气油比、含水率等生产参数的变化，将导致系统协调工作性变差，因此要对低效井进行重新设计，通过改变抽汲参数及名师资料总结 -

5、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 机杆泵组合，提高系统稳定性，使系统高效节能工作。因此优化设计的目标就是实现抽油机井“产量、效率、寿命”协调统一。1.1 IPR 流入动态拟合，指导仿真优化设计油井流入动态是确定油井合理生产制度的设计的理论基础，对生产油井进行 IPR拟合是确定油井最佳产能和下泵深度的主要依据。根据东辛油田的实际情况建立了适用注水开发油藏、 普通稀油油藏等不同类型油藏油井流入动态(见图 1) 。以数值模拟为基础，结合地

6、层共产协调， 建立以经济指数作为系统优化设计目标函数，确定合理的工作制度，保证系统在满足产量要求的前提下，具有较高的工作效率。1.1.1 增加油藏压力计算模块从产量与流压关系式可以看出，油藏压力在IPR 计算过程中不可缺少：ZBpphKqoofsoo24.86实际上，目前测静压油井数非常少，因此如何利用已知数据进行油藏压力计算成为IPR 预测的关键。软件增加了油藏压力的计算模块：如果油藏压力未知，只要获得油井两种工作制度下的产量及相应的流压，就可利用以下的公式计算油藏平均压力P：AACBBPr242121qqA12212 .0wfwfPPqqB2122218.0wfwfPPqqC1.1.2 增

7、加 IPR 曲线显示模块，指导油井下步措施通过直观的 IPR 曲线图，了解油井的最大产能， 为下步工作制度制定提供直观检测方法。盐 22 断块油井饱和压力高、产能低、液面深，为使油井实现较高产能，对该区块油井进行了 IPR 预测，从预测结果看出（见图1） ，YJN22X12 最大产能仅 7.49m3/d ，加名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 深泵挂对产能增加效果不大。09 年 9 月该井加深泵挂至3000 米，日液

8、仅 5.1m3/d 与泵挂在 2300 米时基本相同，有效验证了IPR 预测情况。DXY45X11生产沙一 3，地面原油密度0.90g/cm3，原油粘度231mPas ，饱和压力10.5MPa 。油井流入动态拟合表明该井适合提液，09 年 4 月采用 70 泵替代 56 泵提液。从运行情况看该井提液后产能和效率均有较大幅度提高。图 1 YJN22X12 流入动态拟合曲线图 2 DXY45X11油井产能预测曲线表 1 DXY45X11提液前后生产情况时间工作制度日液日油含水动液面系统效率09.2 56*5*2 36.3 31.4 13.5 79 24.5 09.3 70*5*3 63 32.6

9、42.3 462 27.8 1.2 完善高原机等塔架机运动模型并对平衡进行分析计算根据皮带长冲程抽油机的几何结构特点，在考虑了轴向力、扭矩、弯矩、正压力、机械摩擦力、重力、粘滞阻力、惯性力的影响情况下，采用矢量分析方法，对各类抽油机机构进行运动学建模和计算，得出了抽油机悬点位移、速度、加速度、扭矩因数等运动学参数，根据抽油机动力学分析，结合最优化理论，建立平衡调节目标函数。在悬点的一个运动周期内，电动机转子的运动规律按加速运动、匀速运动与减速运动的控制模式，其中加速运动段转子瞬时转速按正弦规律加速，减速运动段转子瞬时转速按正弦规律减速。在分析悬点运动规律时，需要考虑皮带厚度对胶带工作半径的影响

10、。在皮带缠绕设计时，为了改善胶带固定端的工作条件，第一层胶带不打开参与工作，则任意时刻（也即任意滚筒转角 ）时，胶带与滚筒脱离切点处的曲率半径为：IhrRPRL式中， I 为胶带在滚筒上所缠绕的层数。I 由下式计算：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - )2i n t (1I悬点运动位移、速度、加速度为：1.3 油井井身轨迹拟合指导偏磨配套采用圆柱螺旋线法处理油井的斜深、井斜角和方位角等数据，对油井井身轨迹进行拟合，实

11、现油井井身轨迹的可视化( 图 5) 。通过直观的井身轨迹与油井偏磨位置进行对比分析，掌握油井偏磨规律，从而为下步偏磨油井治理打下基础。图 5 油井井身轨迹曲线1.4 斜井抽油杆受力分析基于抽油杆柱在深斜井三维空间的受力状态，深入开展了抽油杆柱载荷分析，建立了抽油杆柱的二维和三维空间的节点载荷计算数学模型(图 6)，为抽油杆柱组合设计、杆管偏磨和抽油杆断脱分析等提供了理论依据。PRLAPRLAIiRaRnvhIrIhrx602)1()(2(221名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

12、- 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 图 6 单井受力曲线1.5 偏磨油井扶正器数量及位置设计在分析抽油杆柱在弯曲井眼中受力的基础上，提出了斜井抽油杆柱的设计计算方法。通过研究抽油杆柱在三维井眼中的弯曲变形，以梁弯曲理论为基础，设计抽油杆组合及扶正器的合理配置间距，防止抽油杆柱与油管之间的偏磨(表 1-2) 。表 1 DXX1X28油井杆柱组合优化设计杆 径 （ mm）杆 长 （ m ）最 大 应 力 ( MPa)最 小 应 力 ( MPa )应 力 范 围 ( % )25. 00722. 601 75. 711 12. 7155. 6022. 00928. 021

13、56. 4779. 3559. 0019. 00299. 381 14. 1718. 2359. 00表 2 DXX1X28杆柱扶正器设计序 号杆 径 ( mm)井 段 ( 斜 深 ( m) )间 距 ( m)扶 正 器 个 数 ( 个 )119. 0 01 792. 00 1656. 004. 0034. 00219. 0 01 440. 00 1400. 008. 005. 00319. 0 01 312. 00 1296. 008. 002. 00422. 0 0616. 00 600. 008. 002. 00522. 0 0560. 00 552. 008. 001. 00622.

14、0 0544. 00 536. 008. 001. 00722. 0 0136. 00 120. 008. 002. 00合 计4 72 有杆抽油系统综合配套技术深斜井由于井身结构的井斜角和方位角在三维空间变化和井下工况的复杂性，使得抽油杆柱受力状况更加复杂，与垂直井相比，深斜井具有杆柱交变载荷增加、抽油杆柱名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 节点和悬点载荷增加、杆柱更易发生弯曲产生螺旋变形，泵阀漏失等特点，由于深斜

15、井有杆泵采油的复杂性，使得抽油杆柱更容易发生扭曲断脱、抽油机过载、杆柱和油管之间发生偏磨，使检泵周期缩短，因此必须针对有杆抽油系统的生产特点，按照“优化设计与综合配套相结合”的原则，在油井优化设计基础上，开展井下工具研究，优化偏磨井的配套工艺，实现在产能、效益最优化目标下提高深抽井有杆抽油系统的稳定性。2.1 油管锚定技术在油井生产能力一定情况下，随着泵挂深度的加深，油管弹性伸缩量同步增加，造成冲程损失增加。针对深井油管冲程损失对深抽排液的影响，采用了深井油管锚定技术。2.2 管柱旋转由于抽油杆柱在斜井中呈弯曲状态，抽油杆、管在斜井中的磨损很难避免，其摩擦主要是点、段摩擦，即在生产过程中持续磨

16、损的部分是相对不变的，对杆管而言产生单向摩擦，加剧了杆的破坏速度，应用旋转井口，通过井下油管定时旋转，使油管由径向单向点式磨损改为均匀周向磨损，可有效延长偏磨井生产周期。如DXX11X18 井是偏磨严重的多轮次作业井， 平均检泵周期在两个月左右。 2008年 6 月 30 日 在原来应用的防偏磨技术上使用了油管旋转器，至2009 年 1 月 3 日管漏作业，生产了187天。2.3 优化内衬管配套技术针对应用内衬管后管径变小，杆柱运动阻力加大，偏磨点上移，限制了D44mm 以上抽油泵的应用的现状；进行了配套技术完善与优化：采用D38加重杆代替 D42加重杆实施底部加重，增加杆管间过流面积，并优先

17、采用全部内衬管配套的模式，避免偏磨点上移；应用 D50mm 非 API 标准的配套泵代替56mm 抽油泵，减少产量损失。2.4 连续抽油杆抽油工艺目前应用的连续杆有钢质连续抽油杆和碳纤维复合材料连续抽油杆。具有抗拉强度高、重量轻、耐疲劳、耐腐蚀等特点。 在偏磨井中应用， 可以显著降低抽油机悬点载荷。由于没有接箍，消除了接箍的活塞效应，解决了接箍的断脱问题。连续抽油杆在胜利油田应用，见到了良好的应用效果。3 完善后的优化设计技术现场应用情况按照“产量、效率、寿命”协调统一的原则，深斜井配套治理采取两步走方式：倒井前，采取不动管柱方式进行优化设计，通过参数优化对低液井、低泵效进行治理；倒名师资料总

18、结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 井后，采取优化设计与综合配套工艺相结合原则，对油井进行相应治理。3.1 典型低效井优化设计结合地层产能预测和油井供产协调原理，综合考虑机、杆、泵工况特性对抽油系统的影响，应用深斜井有杆抽油系统设计软件对低效井DXX1X28 进行了优化设计。油井 DXX1X28 井斜角 1418.4*50/2049.53*30.60(见图 5) ，动液面测深 1600 米，日液 4.6m3/d 、 含水 78

19、% 、 日产气量 12m3/d ， 泵径 D44mm， 泵挂深度 1850米， 采用 CYJ10-3-53HB型游梁抽油机生产。该井 06 年 10 月配套以前平均检泵周期为67 天， 06 年 10月对偏磨井段采用防磨扶正杆措施进行了配套治理，生产115 天后因管漏倒井。倒井后将普通油管更换为HDPE内衬油管，即使在管杆均配套情况下07 年平均检泵周期仅145天，针对该井短命问题，利用完善后的优化软件对该井进行了相应的设计，设计结果见表1、表 2、表 3。表 3 DXX1X28 抽汲参数优化设计结果全部优化结果序号冲程(m) 冲次(min-1) 泵径(mm) 泵深(m) 动液面(m) 产液量

20、(t/d) 系统效率(%) 杆柱组合1 3 2 44 1950 1718.8 4.95 23.96 25 722.60 + 22928.02 + 19299.38 2 3 2 38 1950 1638.5 4.7 23.5 25 649.45 + 22861.97 + 19438.58 3 2.1 3.11 44 1922 1657.1 4.8 21.01 25 761.31 + 22886.17 + 19274.74 4 2.5 3.11 38 1950 1708.7 4.88 20.63 25 653.20 + 22807.06 + 19489.74 5 2.5 3.11 44 1950

21、1758.9 5 20.25 25 696.10 + 22876.65 + 19377.24 6 2.1 4.22 38 1950 1718.8 4.89 18.2 25 654.01 + 22773.38 + 19522.61 目前生产参数预测结果0 3 2 44 1850 1600 4.6 22.98 25 610.00 + 22560.00 + 19630.00 推荐优化参数设计结果1 3 2 44 1950 1718.8 4.95 23.96 25 722.60 + 22928.02 + 19299.38 08 年 7 月对该井按优化设计结果进行了管杆配套治理，并在1800 米处增加了

22、M115-62FY油管锚。该井 09年 4 月杆断倒井，现场发现第 118根 D19mm 抽油杆本体腐蚀断，D19mm、 D22mm抽油杆杆本体腐蚀均较严重；仅部分抽油杆有轻微偏磨，上部60 根 D76mmHDPE内衬油管结蜡。 DXX1X28 经优化设计配套后检泵周期274 天比以前延长了 125 天，因此从治理效果可以看出优化设计起到了非常好的指导作用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 3.2 有杆抽油优化设计

23、效果分析自 08 年 5 月开始对深斜井进行了整体优化设计及配套治理，首先在油井正常生产过程中实施参数优化调整，截止到09 年 7 月共调参 156 井次；其次对动管柱油井在优化设计基础上，根据油井井况进行相应的工艺配套治理，截止到09 年 6 月共动管柱治理 432 井次。通过优化设计治理，油井平均泵效由45.2%提高到 61.8%， ；平均系统效率由 22.3%提高到 26.5%。通过优化设计软件的优化设计与油井的配套工艺结合，我厂深斜井治理取得了非常好的效果：首先，通过整体治理油井维护工作量大幅下降。08 年 6 月-09 年 6 月深斜井油井维护 432 井次，与去年同期516 井次相

24、比减少了 84 井次。其次，偏磨井生产周期延长。统计了2008年 6 月 30 日之前治理的 362井次的生产时间，治理前平均生产时间为141.4 天，治理后平均生产时间已延长到201.8 天，并继续有效。以治理前生产时间小于90 天的偏磨井为例，治理前平均生产时间为62.2 天，治理后已延长到 203.2天(表 4)。表 4 偏磨治理效果统计表按治理前生产周期分类治理井数口平均生产周期，天治理前治理后延长180 天91 247.4 209.2 -38.2 总平均362 141.4 201.8 60.4 4 问题及建议4.1 目前存在问题1)陀螺测斜油井仅占总井数的47% ，由于缺少测试数据部

25、分油井优化设计仅能按直井进行，影响了优化设计的施工效果；2)下井工具种类越来越多，不论是油管还是杆柱均可能有井下工具，由于井下工具不规范给优化设计带来了计算难题；4.2 建议1)多油层油井流入动态 迭加型 IPR。从相关文献中了解到，多油层同时开发时各油层因含水及油藏压力不同，其迭加后的 IPR 曲线与单层有很大区别。 从目前东辛生产情况看，很多油井已采用多油层同时开发以增加产能，而软件还没有开展此方面工作，因此建议进行多油层同时开发的IPR 迭代研究，为制定合理的工作制度打好基础。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -

26、 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 2)对偏磨油井进行陀螺测斜，从而为优化设计提供数据保障；落实下井工具，尽可能完善工具系列标准，使优化设计有据可查。参考文献1 张琪 . 采油工程原理与设计M. 第一版 . 石油大学出版社，2003： 94180. 2 苗 长 山 , 黄 源 琳 , 王 旱 祥 , 等 . 杆 管 偏 磨 三 维 力 学 模 型 的 建 立 与 分 析 J.石 油 机械,2007,35(12):2831. 3 杨 海 滨 , 狄 勤 丰 , 王 文 昌 . 抽 油 杆 柱 与 油 管 偏 磨 机 理 及 偏 磨 点 位 置 预 测 J.石 油 学报,2005,26(2)： 100103. 4 杨海滨 . 三维井眼抽油杆力学研究D. 东营 : 中国石油大学 ( 华东 ),2005. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -