1、,抽油机井系统效率分析及提高措施,2011年4月,薛建泉 15318316667 中国石油大学（华东）石油工程学院,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,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,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。,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 3035左右 资料表明，我国有
2、杆抽油系统效率不足20%。我国在用抽油机近5104台，若每口抽油机井实用功率按10kW计，5104台抽油机一年耗电近4.26109kW.h。若将有杆抽油系统效率提高到30%，每年可节电近14.8108kW.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,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
3、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,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
4、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,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。,一、系统效率分析,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 地地面效率；井井
5、下效率。,一、系统效率分析,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,井下效率：,抽油效率：,一、系统效率分析,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,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
6、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,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,二、抽油机井生产系统设计与分析,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,二、抽油机井生产系统设计与分析,石油工业中的多相流技术研究始于1950年左右,70年
7、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,二、抽油机井生产系统设计与分析,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,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.2.2 井筒气液两相流动的特性,(1)
8、气液两相流动与单相液流的比较,二、抽油机井生产系统设计与分析,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,二、抽油机井生产系统设计与分析,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：,倾斜管流能量平衡关系示意图,二、抽油机井生产系统设计与分析,适合于各种管流的通用压力梯度方程：,则：,令：,二、抽油机井生产系统设计与分析,说明： a. 计算压力分布过程中，温度和压力是相关的； b
9、. 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。,二、抽油机井生产系统设计与分析,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,二、抽油机井生产系统设计与分析,Poettmann-Carpenter方法、Fanch-Brown相关式、Baxendell-Thomas 相关式、Hagedron-Brown 关系式、 Duns-Ros相关式、Orkis
10、zewski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。,二、抽油机井生产系统设计与分析,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
11、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。,二、抽油机井生产系统设计与分析,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,二、抽油机井生产系统设计与分析,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
12、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。,2.3 油井生产节点系统分析,二、抽油机井生产系统设计与分析,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,二、抽油机井生产系统设计与分析,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,能量(压力)守恒,热量守恒,二、抽油机井生产系统设计与分析,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。,节点流入曲线,节点流出曲线
13、,协调点,二、抽油机井生产系统设计与分析,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。,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.3.3 抽油机井生产系统节点的设置,1,2,3,4,5,6,求解点的选择：下泵处。,求解点：为使问题获得解决的节点。,二、抽油机井生产系统设计与分析,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
14、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,二、抽油机井生产系统设计与分析,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,二、抽油机井生产系统设计与分析,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,抽稠泵,防砂卡泵,适合高气液比的抽油泵,二、抽油机井生产系统设计与分析,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
15、向是变化的。,二、抽油机井生产系统设计与分析,（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,二、抽油机井生产系统设计与分析,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。,二、抽油机井生产系统设计与分析,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,(2) 气体和充不满的影响,(4) 体积系数的影响,二、抽油机井生产系统设计与分析,泵效：,冲程
16、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：,二、抽油机井生产系统设计与分析,等强度设计方法,不等强度设计方法,2.4.5 常规有杆抽油系统设计,(1) 抽油杆柱设计方法,二、抽油机井生产系统设计与分析,（2）有杆抽油井生产系统设计,有杆抽油系统组成：,(1) 油层,(2) 井筒,(4) 地面出油管线,(3) 采油设备(机、杆、泵等),IPR,井筒多相流规律,运动学和动力学规律,地面多相流规律,二、抽油机井生产系统设计与分析,有杆抽油系统设计内容：,(4) 工况指标预测。,(1) 油井流入动态计算；,(2) 采油设备(机、杆、泵等)选择；,(3) 抽汲参数(冲程、冲次、
17、泵径和下泵深度等)确定；,有杆抽油系统设计目标：,经济、有效地举升原油。,二、抽油机井生产系统设计与分析,(1) 油井和油层数据；,(2) 流体物性参数；,(3) 油井生产数据。,有杆抽油系统设计依据：,有杆抽油系统设计理论基础：,有杆抽油系统设计基础数据：,油藏供液能力,节点系统分析方法,二、抽油机井生产系统设计与分析,有杆抽油井生产系统设计思路：,(1) IPR计算,(3) 温度场计算,(5) 计算,(7) 抽油杆柱设计,(8) 泵效分析,(9) 产量迭代计算,(10) 工况指标计算,二、抽油机井生产系统设计与分析,抽油机井生产系统优化设计技术,（1）设计原则以油藏供液能力为依据，以各子系
18、统协调为基础，采用节点系统分析方法，以经济效益和生产系统效率为目标，使抽油系统高效、安全地工作。,二、抽油机井生产系统设计与分析,（2）设计与分析内容对目前正常生产的抽油机井进行工况分析，以了解油层的生产能力、设备的工作状况，为进一步制定合理的技术措施提供依据。对目前正常生产的，且工况分析认为只需进行地面生产参数调节、不动管杆柱的抽油机井进行地面生产参数对举升效率或经济效益的敏感性分析，并以高效为目标，制定参数调节方案，预测参数调节后的生产指标和设备工况指标。,二、抽油机井生产系统设计与分析,对新井或措施井（所谓的动管杆柱的油井），通过优化设计，确定合理的生产参数和采油设备配置（如抽油机、泵型
19、、泵径、冲程、冲次、下泵深度、抽油杆柱组合、扶正器安装位置、加重杆长度、规格等），预测相应抽汲参数下的工况指标（如载荷、应力、扭矩、功率、效率、产量、泵效及其组成分析等）。,二、抽油机井生产系统设计与分析,（3）优化设计思路利用数值模拟（仿真）的思路，对油井生产设备和技术可行的各种生产配置的可能性进行全面计算分析，使得优化结果具有很强的可操作性，同时具有敏感性分析作用。,四点条件：,油井流入动态 抽油设备抽汲参数 优化目标,二、抽油机井生产系统设计与分析,有杆抽油井生产系统设计框图,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.4.6 加重杆的设计计算,抽油杆柱设计中为了避免抽油杆下部出现受压弯曲而产生
20、弯曲应力导致抽油杆下部断脱，应考虑使用加重杆。造成抽油杆下部受压的载荷主要包括： (1) 惯性载荷：抽油杆柱下冲程的上半冲程存在有向下的加速度，产生向上的惯性力，使得杆柱的某些部位可能受动载作用引起受压。由于惯性载荷对产生的抽油杆受压分析、计算比较复杂，且一般影响很小，可以忽略； (2) 抽油杆柱所受的摩擦阻力； (3) 抽油杆下端面所受的液体压强产生的上托力； (4) 柱塞与衬套间的摩擦力； (5) 采出流体通过游动阀孔所产生的阻力。,二、抽油机井生产系统设计与分析,为了保证抽油杆在中位点以下的弹性稳定一般有两种方法：一是使用加重杆，以避免抽油杆受压为目的，使得加重杆在井液中的重量等于抽油杆
21、柱下部的压载荷；二是使用抽油杆扶正器，防止抽油杆弯曲。使用加重杆的目的主要是克服上述五种力对抽油杆所产生的压力，避免抽油杆受压弯曲，即使得中位点位于加重杆的顶部，而最下一级抽油杆在整个抽油过程中均受拉应力作用。,二、抽油机井生产系统设计与分析,受力平衡方程为：,加重杆的长度：,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.4.7 扶正器间距的设计方法,抽油杆柱上安装扶正器以避免杆管偏磨。扶正器间距设计影响扶正器使用效果。为了分析和研究的方便，作如下的假设：(1)抽油杆为均质细长杆；(2)扶正器与抽油杆的连接处视为铰支；(3)抽油杆柱变形发生在垂直平面内；(4)不考虑转动对弯曲变形的影响。,二、抽油机井生
22、产系统设计与分析,抽油杆受力模型,扶正器间距计算模型：,扶正器间距计算原理：抽油杆弯曲变形能与外力所作的功相等。,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.4.8 有杆抽油系统工况分析,(1) 了解油层生产能力及工作状况，分析是否已发挥了油层潜力，分析、判断油层不正常工作的原因；,(2) 了解设备能力及工作状况，分析设备是否适应油层生产能力，了解设备潜力，分析判断设备不正常的原因；,(3) 分析检查措施效果。,分析目的：油层与抽油设备协调，油井高效生产。,分析手段：液面、功图测试与分析，根据生产资料计算分析。,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.4.9 抽油机井工况诊断技术,计算抽油杆柱断面上的应力
23、分布和示功图；,估算泵口压力；,判断油井潜能；,计算活塞冲程和泵效；,检验泵及油管锚的机械状况；,计算和绘制扭矩曲线，并进行平衡和功率的计算与分析。,抽油井计算机诊断的内容：,光杆示功图,井下示功图,抽油设备工况,二、抽油机井生产系统设计与分析,(1)诊断技术的理论基础,应力波,设备工况,信号记录,二、抽油机井生产系统设计与分析,应力波在抽油杆柱中传播过程可用带阻尼的波动方程描述：,用以截尾傅立叶级数表示的悬点动负荷函数D(T)及光杆位移函数U(T)作为边界条件：,二、抽油机井生产系统设计与分析,抽油杆柱系统的阻尼力：粘滞阻尼力、非粘滞阻尼力。,粘滞阻尼力：(1) 杆、接箍与液体之间的粘滞摩擦
24、力；,非粘滞阻尼力：(1) 杆、接箍与油管之间的非粘滞性摩擦力；,阻尼系数确定,(2) 泵阀的流体压力损失等。,(2) 光杆与盘根之间的摩擦力；,(3) 泵柱塞与泵筒之间的摩擦损失等。,二、抽油机井生产系统设计与分析,(2)诊断技术的应用,a.判断泵的工作状况及计算泵排量,b.计算各级杆柱的应力和分析杆柱组合的合理性,c.计算和分析抽油机扭矩、平衡及功率,d.估算泵口压力及预测油井产量,e.判断油管锚或封隔器固定油管的有效性,二、抽油机井生产系统设计与分析,(3)诊断技术的发展状况,a. Gibbs S G.一维带阻尼的波动方程(1966年）,b. Doty D R. & Smith Z.二维
25、预测模型(1981年),主要特点：考虑了抽油杆的惯性，而忽略了液柱的惯性；,目前计算机诊断技术的理论基础。,主要特点：同时考虑了抽油杆和液柱的惯性。,二、抽油机井生产系统设计与分析,d. 示功图识别技术的发展,c. 余国安等三维振动预测模型(1989年),主要特点：同时考虑了杆、液、管的惯性与振动。,人工智能(AI)技术。使用模式识别技术、专家系统及神经网络技术来判断泵的工作状况。,二、抽油机井生产系统设计与分析,一、软件功能框图,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,二、软件特点,（1）数据管理数据管理模块是利用数据库对抽油设备特性数据、油井结构数据、油井生产资料等进行维护与管理，为软件
26、运行提供必要的数据准备，包括记录的编辑、浏览、添加、修改和删除等功能，操作方便。 （2）产能分析 产能分析模块可根据油井不同类型的测试资料，利用Petrobras油气水三相综合IPR模型，建立反映油层工作特性的油井流入动态关系（IPR），它是油井工作状况分析和优化设计的基础。,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（3）系统选项 在进行油井工作状况分析和优化设计之前，可以通过系统选项模块，结合操作人员的经验，选择更适合油田现场和油井条件的设计计算方法、设备性能指标和抽汲参数的范围。通过一系列的选择，一方面可使得软件与具体油井的实际情况更好地结合起来，使得设计结果具有很强的可操作性，另一方面
27、由于介入了设计人员的经验优势，可剔除不可操作方案的设计，提高软件的运行速度。,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（4）油井工作状况分析 根据目前油井的生产资料和应用设备的数据以及测试资料，利用油井工况分析模块可对抽油机井的工作状况进行分析，包括检查当前杆柱的安全状况、泵效及其影响因素的影响程度计算、系统效率的分析以及抽油机井地面工况指标的校核（如平衡计算、扭矩和功率的计算等）。同时，由于油井工作状况分析模块所采用的主要计算模型与油井生产系统优化设计中所采用的模型相同，因此可通过对目前生产油井的工况校核结果与实测资料的对比，检验模型的准确性。,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（
28、5）油井生产系统优化设计 油井生产系统优化设计模块具有油井不动杆柱和地面设备的抽汲参数的调整、措施井或新井的抽油设备的选择与抽汲参数的设计两大计算功能，更好地满足了现场要求。同时对技术上可行的各项方案提供计算结果，用户可根据自己的需要确定优化设计的目标（如产量、泵效、系统效率等）选择合适的方案，也可在剔除不可实施方案后，对其它方案通过人工决策确定实施方案。 （6）结果输出 该模块可输出目前生产情况的分析报告、优化设计结果报告和重要的指标图表（如油井流入动态关系曲线、井筒能量协调曲线、抽油杆柱受力分布曲线和泵效组成分析图、速度曲线、扭矩曲线、瞬时效率曲线、加速度曲线等）。,应用示例,二、抽油机井
29、生产系统设计与分析,（一）井下举升效率影响因素分析,三、抽汲参数的敏感性分析,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（二）示例井计算分析,（1）已知条件,示例井数据表,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,示例井数据表,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（2）计算分析数据范围,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（3）油井产能分析,示例井流入动态曲线,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（4）油井生产系统优化设计的必要性,根据示例井的已知数据和所提供的设备（机、杆、泵）及设计分析数据范围。共有1400个组合方案，其中706个方案具有技术可行性。,应用示例,二、抽油机
30、井生产系统设计与分析,在示例井依据所提供的设备和工作制度的技术可行的模拟方案中：油井产液量的变化范围为7.47t/d，56.06t/d 产油量的变化范围为1.05t/d，7.90t/d举升效率的变化范围为28.99%，67.04% 泵效的变化范围为62.92%，87.16% 无论是从产量，还是从举升效率考虑，均有必要以油井和油层的性质状态为基础，优化配置抽油设备及其工作，使得油井经济高效生产。,（4）油井生产系统优化设计的必要性,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（5）油井产液量与举升效率的关系,油井产液量与举升效率的关系,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（6）冲程、冲次与举
31、升效率的关系,泵径为44mm、下泵深度为800m、冲程为1.8时冲次与举升效率的关系曲线,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（6）冲程、冲次与举升效率的关系,泵径为56mm、下泵深度为1200m、冲程为2.1时冲次与举升效率的关系曲线,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（7）泵径与产液量和举升效率的关系,泵径与产液量的关系曲线,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（7）泵径与产液量和举升效率的关系,泵径与举升效率的关系曲线,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（8）下泵深度与产液量和举升效率的关系,下泵深度与油井产液量关系曲线,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分
32、析,（8）下泵深度与产液量和举升效率的关系,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,（8）下泵深度与产液量和举升效率的关系,下泵深度与油井举升效率的关系曲线,应用示例,二、抽油机井生产系统设计与分析,在我国，稠油和高凝油分布广、储量大。 稠油油藏开发主要存在三方面的问题：油层渗流阻力大，粘滞指进严重，水驱后残余油饱和度高；井筒流体粘度高，造成严重摩擦阻力，影响采油设备工作；地面管线中输送困难。目前提高稠油油藏开发效果、油井举升效率以及解决稠油管输问题主要采取热力、化学和掺轻烃稀释等方法。,2.5 井筒降粘举升工艺设计,二、抽油机井生产系统设计与分析,改善井筒流体流动条件的举升工艺技术是指通过
33、热力、化学、稀释等措施使得井筒中的流体保持低粘度，达到改善井筒流体的流动条件，缓解抽油设备的不适应性，提高稠油及高凝油的开发效果等目的的采油工艺技术。该技术主要应用于原油粘度不很高或油层温度较高，所开采的原油能够流入井底，只需保持井筒流体有较低的粘度和良好的流动性，采用常规开采方式就能进行开采的油藏。,二、抽油机井生产系统设计与分析,改善井筒流体流动条件的举升技术,化学降粘技术,热力降粘技术,掺轻烃降粘技术,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.5.1化学降粘技术,定义：通过向井筒流体中掺入化学药剂，从而使流体粘度降低的开采稠油及高凝油的技术。 作用机理：在井筒流体中加入一定量的水溶性表面活性剂
34、溶液，使原油以微小油珠分散在活性水中形成水包油乳状液或水包油型粗分散体系，同时活性剂溶液在油管壁和抽油杆柱表面形成一层活性水膜，起到乳化降粘和润湿降阻的作用。,二、抽油机井生产系统设计与分析,（1）乳化剂的选择条件,乳剂比较容易与原油形成水包油型乳状液，具有好的流动性和一定的稳定性；乳化剂用量少，经济合理；油水采出后重力分离快，易于破乳脱水。,二、抽油机井生产系统设计与分析,（2）化学降粘工艺技术,油套环空掺化学剂工艺管柱结构,空心抽油杆掺化学剂工艺管柱,二、抽油机井生产系统设计与分析,(3)主要设计参数活性剂溶液的浓度、井下掺液器深度、化学剂掺入量、井口的掺入温度和压力。 活性剂溶液的浓度确
35、定要适当，过低不能形成水包油型乳状液，过高时乳状液粘度进一步下降幅度不大，采油成本提高，经济上不合算，而且有些化学药剂(如烧碱、水玻璃等)，在高浓度时易形成油包水型乳状液，反而会造成原油粘度的升高。温度对已形成的乳状液粘度影响不大，但它影响乳化效果。实验证明，随着温度的提高，乳化效果变好。,二、抽油机井生产系统设计与分析,水液比（掺入量）的确定水液比：活性水与产出液总量的比值，它直接影响乳状液的类型、粘度和油井产油量。活性剂浓度和水液比的确定一般根据油井实际情况和实验结果而定。,二、抽油机井生产系统设计与分析,井下掺液器深度确定主要取决于井筒中的流体粘度分布及其对举升设备工作状况的影响程度，要
36、综合考虑抽油杆柱的受力状况。例如空心抽油杆掺化学剂工艺管柱，下入深度过大，井筒流体降粘段长，其与杆管的总摩擦阻力减少幅度大，但抽油杆重量增加；反之，下入深度过小，降粘后井筒流体与杆管的摩擦阻力没有得到有效地减少，所以均不利于举升设备的工作。,二、抽油机井生产系统设计与分析,井口注入压力的确定化学剂掺入量必须满足降粘的最佳效果，可通过实验确定；同时掺入量还受到井口注入压力的制约，在一定掺入量的条件下，井口注入压力必须能保证化学剂掺入循环的顺利进行；相反在地面限定井口注入压力的情况下，为满足循环的压力平衡要求，掺入量的多少也受到限制。泵下掺化学剂降粘工艺的注入压力会影响生产压差的建立；掺入量影响抽
37、油泵有效举升地层产液。,二、抽油机井生产系统设计与分析,井口注入温度的确定相对于常规抽油机井采油工艺，掺化学剂降粘举升工艺井筒多了一个流体流动通道，存在油层采出液流动通道与掺化学剂通道间的传热问题，同时稠油具有粘度对温度敏感的特性，所以掺入化学剂对井筒流体的温度影响不容忽视。当掺入化学剂温度较低吸收油层采出流体的热量时，原油的粘度升高，特别是在掺化学剂初期，化学剂还没有与井筒流体混合乳化降粘形成循环之前(启动状态)，井筒流体的降温增粘可能导致油井生产困难，甚至不能正常生产，因此在工艺计算中要考虑掺入化学剂的温度影响，合理确定化学剂的井口掺入温度。,二、抽油机井生产系统设计与分析,油套环空掺化学
38、剂降粘工艺计算结果,油井不采用降粘工艺生产时，抽油机悬点最大载荷为84.80kN，最小载荷为3.48kN,二、抽油机井生产系统设计与分析,空心抽油杆掺化学剂降粘工艺计算结果,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.5.2掺轻烃降粘技术,目前采用的掺轻烃降粘技术在工艺上与化学降粘技术相似。,二、抽油机井生产系统设计与分析,2.5.3热力降粘技术,井筒热力降粘技术是利用高凝油、稠油的流动性对温度敏感这一特点，通过提高井筒流体的温度，使井筒流体粘度降低的工艺技术。目前常用的井筒热力降粘技术根据其加热介质可分为两大类：即热流体循环加热降粘技术和电加热降粘技术。,二、抽油机井生产系统设计与分析,热流体循环加
39、热降粘技术应用地面泵组，将高于井筒生产流体温度的油或水等热流体，以一定的流量通过井下特殊管柱注入井筒中建立循环通道以伴热井筒生产流体(开式循环时还有稀释降粘作用)，从而达到提高井筒生产流体的温度、降低粘度、改善其流动性目的的工艺技术。,（1）热流体循环加热降粘技术,二、抽油机井生产系统设计与分析,开式热流体循环工艺管柱结构,反循环 正循环,二、抽油机井生产系统设计与分析,闭式热流体循环工艺管柱结构,加热管同心安装 加热管同心安装 加热管平行安装加封隔器 加封隔器,二、抽油机井生产系统设计与分析,空心杆热流体循环工艺管柱结构,开式 闭式,二、抽油机井生产系统设计与分析,热流体循环加热降粘技术的关
40、键在于确定循环流体的量、循环深度、井口循环流体的温度和注入压力四个参数这四个参数主要受油层采出流体的物性，如凝固点、粘度、含蜡量等的制约以及流体在循环通道中流动时与管壁、井筒及地层岩石换热的影响。,二、抽油机井生产系统设计与分析,循环深度的确定主要取决于油层采出流体沿井筒的温度和粘度分布，循环深度确定后要求通过措施使得井筒中的流体具有足够低的粘度和较好的流动性，满足油井正常生产的要求。热流体循环量和井口温度的合理确定，必须建立在原油的物性和流体与各部分换热过程研究的基础上，这两个参数是影响加热效果的主要因素，同时热流体循环量往往会受到井口注入压力的限制，在一定循环量的条件下，井口注入压力必须能
41、保证循环的顺利进行，相反在地面限定井口注入压力的情况下，循环量将受到制约。,二、抽油机井生产系统设计与分析,热流体循环量与原油混合后的降粘。因此要保证达到降粘效果，应根据油井的条件在优化井筒管柱结构的基础上，合理选择热流体循环的四个关键参数。,二、抽油机井生产系统设计与分析,油水混合物粘度随含水率和温度的变化规律曲线,二、抽油机井生产系统设计与分析,二、抽油机井生产系统设计与分析,在相同掺入深度和相同掺入温度时，随着掺入量增加,其原因：当掺入量较小时，随着掺入量的增加，井筒中混合物粘度降低，油管中杆液、管液摩擦变小，因而悬点最大载荷变小，最小载荷变大，载荷差变小，举升效率提高；当掺入量较大时，
42、虽然随着掺入量变大，井筒中混合物粘度进一步降低，杆液和管液摩擦对悬点载荷的影响变小，而井筒中混合物流量变大，混合物流动速度变快，井筒多相管流压力梯度中速度对摩擦损失影响所占份额变大，导致悬点最大载荷变大、最小载荷变小，载荷差变大，而水力功率保持不变，所以举升效率呈现下降的趋势,二、抽油机井生产系统设计与分析,（2）电加热降粘技术,利用电热杆或伴热电缆，将电能转化为热能，提高井筒生产流体温度，以降低其粘度和改善其流动性。,电热杆 伴热电缆,二、抽油机井生产系统设计与分析,在电加热降粘技术的工艺设计中关键是确定加热深度和加热功率两个主要的参数。加热深度根据井筒中生产流体的温度、粘度分布及流动特性等
43、为基础确定。加热功率的大小取决于所需的温度增值，要通过设计使得井筒内的生产流体具有低粘度和较好的流动性，同时考虑到节省材料和节约能源。因此要根据油井的具体情况确定合理的加热深度和经济的加热功率。,二、抽油机井生产系统设计与分析,提高地面效率的方法,抽油机井生产系统设计与分析,系统效率分析,抽油机井系统效率分析及提高措施,新型长冲程抽油机。长冲程抽油机采用长冲程、低冲次抽油方式，改善了抽油机的运动特性、动力特性和平衡特性，有利抽油机井的地面效率和井下效率。如皮带抽油机和链条抽油机等。 改进抽油机的结构。主要是通过对抽油机四杆机构的优化设计和抽油机平衡方式的完善来改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和
44、大小，使其波动平坦，减少负扭矩，从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到节能的目的。如异相曲柄平衡抽油机和二次平衡抽油机等。,三、提高地面系统效率的方法,改变动力机的工作特性。由于抽油机所用的动力机绝大部分是电动机，所以改变动力机工作特性的主要办法是用高转差率电动机（转差率8%13%）和超高转差率电动机代替常规转差率电动机（转差率小于5%）。与普通电动机相比，在同样油井工况下，使用超高转差率电动机的电流和功率曲线平均值明显减小，曲线波动明显平坦。 增加抽油机的转动惯量。抽油机节能的另一个方法是增加抽油机的转动惯量，充分发挥其动能均衡作用，降低电动机承受扭矩的波动量，达到节能的目
45、的，如节能蓄能器。,三、提高地面系统效率的方法,1、长冲程抽油机,*皮带抽油机,皮带机示意图,l天车轮；2皮带端板；3钢丝绳；4悬绳器；5负荷皮带；6光杆；7平衡柜；8平衡重；9盘根盒；10电动机；11减速箱；12底座,特点: (1)大负荷，可进行大泵深下代替电泵生产、小泵深抽。 (2)泵效高。 (3)工况好。 (4)节电。需电机功率小，省电30%-50%。 (5)总机效率高。因抽油机节电、泵效高、机器磨损小等，所以总机效率高，经测试其系统效率比普通游梁机高5%。,3.1 抽油机,三、提高地面系统效率的方法,*普通链条抽油机,链条抽油机结构示意图,1底座；2电动机；3减速箱；4光杆；5悬绳器；
46、6钢丝绳；7天车轮；8机架；9轨道； 10上链轮；11往返架；12滑块；13特殊链节；14轨迹链条；15主动链轮；16皮带轮； 17柱塞；18平衡链条；19平衡链轮；20油底壳；2l平衡缸,特点 运动性能好。 整机重量小。 调平衡容易，节约电能。链条机采用气平衡系统，调节系统方便，效果好，调整平衡度可达95%左右。 结构紧凑，减速器小。,三、提高地面系统效率的方法,*采用MON式主传动系统的新型链条抽油机,链条抽油机MON式主传动系统,l平衡重；2天轮；3减速器；4承载链；5大天轮；6主传动链；7主动链轮； 8循环链；9链结子；10悬绳器；11从动链轮；12地轮箱；13地轮,工作原理：主传动链
47、、循环链和承载链等三组链条按不同方式分别绕相关轮系导向和传动。传动顺序是：电动机驱动减速器输出轴上的主动链轮带动循环链作循环运动，经链结子转换为主传动链的往复运动，最终带动其前端的悬绳器及光杆和后端的平衡重作交替上下往复运动。,三、提高地面系统效率的方法,*链条皮带抽油机,目前，现场应用中较为广泛的是LPJl250型链条皮带抽油机和LPJl2型链条胶带抽油机。,新机型的改进点：(1) 采用新设计链条。 (2) 采用柔性胶带。 (3) 纯机械平衡。采用纯机械平衡解决了气平衡失效问题。(4) 改进导向轮结构和增加导向轮数量。 (5) 综合措施。,三、提高地面系统效率的方法,新机型的特点 (1)可靠
48、性高。 (2) 润滑简单可靠。 (3) 加装失载保护装置。 (4) 主动链轮安装在减速器输出轴上。 (5) 盘式刹车。 (6) 换向机构与平衡箱一体化。 (7) 纯机械平衡。 (8) 将原来的天车轮换成2个滚筒。 (9) 优化设计。 (10) 新机型保持了原机型的特点。 (11) 保养维修方便。 (12) 顶部平移式滚筒。,三、提高地面系统效率的方法,*长冲程抽油机的优点,高采油效率，增加石油产量：抽油泵柱塞的实际冲 程长度减少的比率较小，提高了抽油泵的排量系数和充 满系数； (2) 提高抽油杆和抽油泵的使用寿命； (3) 排量稳定、动载荷小、事故少； (4) 抽油机运转平稳，疲劳应力与循环次
49、数减少； (5) 抽油机平衡效果较好； (6) 抽油机具有较好的技术经济指标； (7) 抽油机具有较高的适应性能；,三、提高地面系统效率的方法,*长冲程抽油机技术发展方向,(1)增大冲程游梁抽油机是常规游梁抽油机的发展方向；(2)增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向；(3)长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向。,三、提高地面系统效率的方法,2、常规游梁式抽油机改造,*异相曲柄平衡偏置式抽油机,改进型抽油机的结构原理分析图,对四连杆机构实现悬点运动和 动力特性的优化，改变抽油机曲柄 轴净扭矩曲线的大小，使其波动平 坦，减小负扭矩，从而减小抽油机 的周期载荷系数，提高电动机的工 作效率，达到节能降耗的目的。,三、提高地面系统效率的方法,*游梁偏置复合平衡,游梁偏置复合平衡简图,CYJ104.253HB抽油机改造前后扭矩曲线,三、提高地面系统效率的方法,*游梁偏置复合平衡,改造后抽油机扭矩曲线 ，可以看出其曲线的波动平 缓，且消除了负扭矩。同时连杆受力下降20%，横梁连杆 曲柄销受力均下降20%，受力明显改善，可靠性提高。上 下行电流峰值更加接近，抽油机平衡度提高28.4%，系统 效率提高17%。抽油机工况变得更好 。,
