抽油机井沉没度优化分析与治理

熊雪（大庆油田有限责任公司第五采油厂）

在油田生产管理和方案优化中，油井沉没压力及其所对应的沉没度是机采系统性能评价的重要指标。有杆泵系统在抽汲油气水混合流体时，需要保持一定的沉没度。油井的沉没度过低，抽油泵处于供液不足状态，供排不合理，而且容易发生液击现象，降低地面设备使用寿命。如果沉没度过高，一些薄差油层出液受到抑制，增大层间矛盾，降低油井产量，最终影响系统效率和经济效益。

沉没度影响因素包括油藏物性参数、流体性质、地层污染程度、泵深、抽油机抽汲参数以及生产工作制度等等，需要综合考虑和优化。针对抽油机井不合理沉没度优化方法和治理措施开展了综合分析和评价，给出了合理的使用范围和建议。

1 油井沉没度优化方法

1.1 井底流压最优

井底流压与沉没度存在以下对应关系：

式中：Pwf为井底流动压力，MPa；Pc为套压，MPa；ρg为气体密度，kg/m3；Hf为动液面深度，m；ρo为气体密度，kg/m3；ρm为油气水三相混合密度，kg/m3；Hpump为下泵深度，m；Hr为油层平均中部深度，m；g为重力加速度，m/s2。

根据井筒内油气两相流的渗流规律来看，满足Vogel方程[1]。

根据Vogel 方程绘制油井产量与井底流压关系曲线，如图1所示。随着沉没度的降低，井底流压随之降低，油井产量不断增大。当沉没度降到一定程度时，井底流压等于饱和压力，原油产量达到最大值。沉没度继续降低，井底流压低于饱和压力，油井产量反而降低。即这一流压值对应的沉没度即为最佳沉没度。王俊魁等[1-2]综合考虑了地层压力、饱和压力和原油物性参数及含水率等因素，给出了油气水三相存在时的井筒渗流规律，从而确定了油井产量最佳时对应的合理沉没度。

图1 油井产量与井底流压的关系曲线

以合理流压为目标的沉没度优化方案，最终目标函数是实现理论产量最大化，并未考虑系统能耗、泵效和增加投资等其他因素，适用于油藏定性分析，为规划方案编制提供参考。

1.2 泵效最优

沉没度表示动液面距泵吸入口的距离，可以反映出泵吸入口压力大小。沉没度对泵效有正面和负面的影响，一方面，随着沉没度的增加，泵吸入口压力增大，气体影响减小，增加泵效；另一方面，沉没度增大，流压增大，抑制地层出液，反而降低泵效。总的来说，对于气体影响较小的情况，适当提高沉没度，是有利于提高泵效的。

长庆油田杨晓辉等[3-4]人考虑了不同含水级别情况下泵效随沉没度的变化规律，发现泵效随着沉没度的增加而增加，当沉没度增至某值时，泵效曲线不再上升，油井最佳沉没度为250～300 m；相同沉没度情况下，泵效随着含水率的增加而增加。

刘汉成[5]在认定地层供液能力与生产能力相匹配前提下，从冲程损失、充满系数与沉没度的关系入手，推导出了泵效与沉没度的计算表达式，对机采系统的沉没度给出了最优选择。

国外油田以泵效和产量最大化为机采井的优化目标， 美国lufkin 公司针对低产井开发了“Pump-off Control Technology”，主要是通过抽油机井下功图分析处理，自动监测抽油泵充满度，通过泵效最优化来控制沉没度，可有效提高设备使用寿命和油井运行效率[6-8]。

以泵效为目标的沉没度优化方案，综合考虑了抽汲参数、气影响、沉没压力等因素，对于低沉没度油井治理具有很好的借鉴意义，便于开展以动液面和合理沉没度为目标的自动变速优化运行，智能化程度较高[9-10]。

1.3 系统效率最优

有杆泵抽油机系统效率等于举升井液过程中消耗的有效功率与系统输入功率的比值。

式中：ηs为有杆泵系统效率，%；Pw为举升井液过程中消耗的有效功率，kW；Pin为系统输入功率，kW；Q为油井产液量，m3/d；ρ为油井产出液密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2；Hpump为下泵深度，m；Hls为沉没度，m；Po为油压，MPa；Pc为套压，MPa。

有杆泵系统效率取决于损失功率与输入功率之比，即损失功率越大，系统效率越低，反之系统效率越高。损失功率由电动机、皮带、减速箱、换向机构、盘根盒、抽油泵和管柱八个部分损失组成[11]。有杆泵抽油系统设计是一个混合离散变量最优化问题，变量有沉没度、泵径、冲程、冲速等，其中沉没度(泵深)为连续变量，泵径、冲程、冲速为离散变量。建立优化目标函数：

林日亿等[12]发现随着沉没度增加，抽油机泵效和系统效率先增大后减小，但是，泵效和系统效率对应的沉没度是不同的，这表明最高的泵效不是最经济有效的采油参数，为了降本增效，需要牺牲个别设备环节效率来达到整体效率最优。王喜梅等[13]以系统效率最高为优化目标，给出了含水率低于40%、含水率40%～70%、含水率高于70%三个级别下最佳沉没度的计算方法。

在满足生产工艺和设备的条件下，机采井系统效率最高为目标函数，优化设计沉没度是提高机采系统效率行之有效的方法。

1.4 经济效益最优

在油井生产过程中，气体存在对泵效影响很大，为减少气影响，需要增加沉没度。有效手段之一是增加泵挂深度。一方面增达泵深，可以减少自由气的影响，提高产量。另一方面增加下泵深度还消耗了多余的抽油杆和油管，提高了抽油机悬点载荷和电动机的容量，还增加了抽油杆的断脱事故和井下维修成本，因此，需要综合考虑投入产出来确定最佳沉没度。

张彦廷等[14]以系统效率和经济效益为目标函数探讨了沉没度的优化方案，研究认为，以系统效率为目标函数确定泵的合理下泵深度（或沉没度），有利于节约电能，虽然整套抽油设备系统效率最高，其经济效益却并没有达到最高值。以经济效益为目标函数确定的沉没度和合理的下泵深度，可较明显地提高经济效益。韩文琼[15]综合考虑了优化泵挂后节省产液单耗、节约杆管材料等因素，实现以经济效益为目标的沉没度优化。

以经济效益为目标开展沉没度优化，评价方法考虑因素和评价过程十分繁琐复杂，不适合于现场单井实际操作。

2 抽油机井沉没度治理措施

2.1 抽油机参数调整

2.1.1 抽汲参数调整

抽油机参数调整主要通过冲程、冲速、泵径三方面开展。常规游梁式抽油机冲程调节需要人工调整曲柄销位置，以CYJY-10-37HB型抽油机为例，冲程范围为3 m、2.5 m、2 m，调整范围较窄。泵径调整，在检泵作业过程中，根据油井出液能力和沉没度大小，实施换大泵径或者换小泵径调整方案。传统的冲速调节方式是更换皮带轮，但操作复杂，工作量大，而且冲速范围有限。近年来，抽油机变频装置得到广泛应用，可实现冲速无级变速，同时配套动液面和示功图等监测手段，可实现自动变速运行，可靠性和智能化程度高。

理论分析和现场经验表明，“长冲程、大泵径、低冲速”能够有效改善悬点最大载荷和交变载荷，提高油井泵效和系统效率[16-17]。因此，在油井参数调整过程中，建议选取较大冲程、较大泵径，尽量调整冲速来进行沉没度优化。

2.1.2 工作制度调整

对于低产机采井，地层供液能力不足，常规抽油机抽汲参数偏大，经常发生沉没度过低和抽油泵供液不足情况，造成泵效和系统效率低、地面设备冲击大和机采能耗高等问题。因此，间歇采油的工作制度被广泛采用，例如停机16 h，运行8 h。虽然这种大间隔间歇采油的方式能够一定程度缓解沉没度过低和供液不足情况，但人为执行困难，动液面波动过大，影响产量。近年来，大庆油田先后开展了“小间隔”智能间抽技术的研究[18-19]，现场取得了较好的效果，为抽油机动液面优化调整提供了新思路。

2.2 油藏改造措施

油藏改造措施包括补孔、压裂、堵水等。其中，补孔目的是为了完善注采关系，提高薄差层的动用程度，提高油井油压和动液面水平。堵水治理对象是高含水层，可减缓平面及层间矛盾，降低流压和沉没度，改善低含水层出液，实现油井降水提油的目的。当地层某些层位由于渗透率低或油层堵塞导致不出油，而该层又有较可观的采油效果时，可考虑对油井进行压裂。油井压裂后，可明显提高供液能力，在提升产量的同时，也可使沉没度升高。

2.3 油水井对应调压

对应调压技术就是油井根据井层含水率情况采取调整沉没度，水井根据注水压力调整情况调整注水方案，达到提高动用厚度，改善层间及平面矛盾，实现油井优化运行的目的[20]。对应调压技术以井组为基本调整单元，以井组整体开发现状分析为条件，在确定区块及单井合理流压的前提下，对“低含水井”开展调整泵深、调参、换泵等手段降低流压，增大生产压差，改善低含水薄差油层的动用程度；同时，对“高含水井”开展间抽措施增大流压，降低生产压差。通过“提压”与“降压”相结合的手段，最大限度抑制高含水层出液，增强低含水、薄差油层平面及层间动用程度，实现井组整体增油、降水的目的[21]。

该技术以井组为治理对象，以油水井压力对应调整作为治理手段，综合考虑了平面和层间矛盾，提高了薄差层的动用程度，改变了以往通过调整油井抽汲参数来进行沉没度优化的单一手段，具有很好的借鉴作用。

3 现场应用情况

在某油田某区块选取28 口油井，分别开展油井调参、油井措施和油水井对应调压三种治理措施的沉没度优化试验。如表1所示，以系统效率作为沉没度优化指标，调参效果最差，系统效率仅提高了0.94%，油井措施效果最佳，提高系统效率4.72%，油水井对应调压技术介于两者之间，提高了2.59%。但是，补孔、压裂等措施必须满足一系列苛刻的选井条件，而且措施成本较高，而油水井对应调压适应性较广，几乎没有措施成本，因此，油水井对应调压技术具有较强的适应性，可在现场应用推广。

4 结论及认识

1）通过分析整理，总结了抽油机井沉没度优化方法主要有四种：合理流压、最佳泵效、最佳系统效率和最佳经济效益。以经济效益为优化目标最全面客观，但考虑因素过于繁琐，建议采用最佳泵效和最佳系统效率的优化方法，易于操作和评价，可靠性高。

2）在油井不合理沉没度治理措施中，对应调压技术以井组为治理对象，以油水井压力对应调整作为治理手段，综合考虑了平面和层间矛盾，是一种油水井综合治理手段，具有很好的借鉴意义。

表1 沉没度不同调整措施应用效果

3）对比评价了调参、油井措施和油水井对应调压三种措施的现场应用效果，综合考虑系统效率、投资成本和适应性等因素，结果表明油水井对应调压技术在沉没度优化方面适应性最强，可应用推广。