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回压对抽油机井能耗影响研究

发表时间：2020/11/23 来源：《基层建设》2020年第22期作者：王小玲高尚武赵宝奇

[导读] 摘要：抽油机采油是国内外大多数油田的主要举升方式，占机械井数量的90%以上，且能耗很大。

        长庆油田第一采油厂陕西延安 717408
        摘要：抽油机采油是国内外大多数油田的主要举升方式，占机械井数量的90%以上，且能耗很大。因此，降低抽油机井的能耗，对降低采油成本，提高石油企业的经济效益具有重要意义。回压是地面集输对举升的不可避免的影响，但如何在保证地面集输的基础上尽量减少回压对举升的影响是石油科学家必须面对的课题。“回压”是指地面集输管道在油井将采出液提至地面时产生的阻力。场地分布是否合理，集输半径是否合理，集输工艺是否合理，都决定了井回压的高低。
        关键词：抽油机；回压；附加能耗；附加耗电量；
        抽油机采油是国内外大部分油田的主要举升方式，其能耗很大。降低抽油机井的能源消耗，对降低采油成本，提高石油企业的经济效益具有重要意义。计算额外的能源消耗的泵与不同泵直径不同反压下，计算出更多的权力和更多的电能消耗的抽油机由于反压力的解除梗阻，并分析变化趋势的影响，反压力在油井能耗上升。
        一、回压对抽油机封堵效果分析
        能量的单位，kJ，是一个国际单位，人们还没有明确的概念。因此，利用日用电量增加值来分析反压对抽油井能耗的影响是最直接的方法。从横向上看，随着泵径的增大，泵的附加能耗大大增加。当回压为0.1mpa时，标准38泵仅为0.18kW•h，标准95泵为5.10kW•h。当回压0.5mpa时，标准38泵为4.08kW•h，标准95泵为25.50kW•h。在1.0mpa的回压下，标准38泵为8.16kW•h，标准95泵为51.01kW•h。图1显示了反压为0.2mpa时附加功率消耗随泵径变化的趋势，直接反映了上述趋势。

        图1回压为0.2MPa时，不同抽油泵所做的附加功
        因此，泵径越大，反压的控制就越要重视。从纵向上看，随着回压的增加，油井能耗和动力消耗也急剧增加。以能耗增量最小的准38泵为例。回压为0.50mpa时，日增加量为4.08kW•h。当回压为1.00mpa时，日用电量增加到8.16kW•h，增加2倍；回压为2.00mpa时，日增加量为16.32kW•h，增加4倍。因此，虽然回压对小泵功耗的影响很小，但当回压高时，其影响不可低估，仍应密切关注。回压（油压）在0.2 ~ 0.5mpa是比较常见的情况。根据此范围对XB油田系统的泵径效率数据进行统计，相关数据见表1。
        表1不同泵径抽油机井能耗数据

        表1中的“比例”指的是平均额外工作占平均无用功率的比例。从表中可以看出：随着泵直径的增大，附加功在无用功率中所占的比例也在增大。因此，泵的体积越大，井口反压的控制就越应受到重视。
        二、油井合理回压的计算
        原油集输的基本过程是：根据残余压力，油井生产出的液体先流入测量室，由单井进行测量。整个站的输出液体进入歧管在测量室取决于剩余压力，然后流到换乘站，最初进行脱水，原油含水率降低到小于5%，然后运送到联合站通过油泵进行进一步的治疗。当然，当单口井的输出流体从单口井收集管线流入管汇时，每口井的残余压力是不同的，因此必须在这里重新分配压力，以平均残余压力流到中转站。从上述过程可以看出，采出液的平均残余压力必须保证所有采出液都能流向中转站，才能保证生产的正常运行。当然，由于两段管道的流量和直径不同，流量的水力参数也不同，需要分阶段计算。许多科学家在管道阻力的计算方面做了大量的工作，其中最著名，他对液体在粘性砂管中流动的能量损失进行了研究，形成了较为完整的理论体系。通过测量液体以不同流速流过粘性砂管时粘性砂管起始和结束的压差，研究了液体在粗管中流动时所需能量与流速的关系。这一关系如下：

式中，ht为水稻压头损失和水柱损失；λ是沿路径的无量纲阻力系数；L为管道长度，m；V为管道平均速度，m/s。在此基础上，根据实验数据，绘制了求解电阻系数的图。图为二维图，横坐标为雷诺数Re常用的对数，纵坐标为系数。不同流速下的点分布在不同的曲线上，△/R的相对粗糙度不同。因此，可以根据雷诺数Re和相对粗糙度不同△/R就可以确定出其流动的阻力系数λ值了。然而，他的理论是基于相同大小的粘砂管，不适合机构管的实际应用。通过对机制管的研究，人们对通过对机制管的研究。修正了理论。这些努力集中在路径阻力系数λ的确定上，通过对机理管的研究，该系数得到了修正，如表2所示。
表2沿程阻力系数λ的计算公式

1.计算从井口流向计量所需要的能量。11月，某油田共开抽井6200口。根据井数加权平均，可得到泵的平均直径、平均冲程、平均冲程、平均背压和平均产油量如表3所示。
表3 某油田抽油机井平均泵径、冲程、冲次、回压、产液统计表

        目前某油田的平均集油半径为381.37m，地面集油管线的内径为60mm。平均流速为：v=Q/[86400π•（D1/2）2]=33/[86400×3.14×（0.06/2）2]=0.14
        （m/s）。当前，抽油井的平均含水率为95.1%。水是连续相，油是分散相，因此混合物的粘度近似等于水的粘度。该区域集油温度约为38℃，38℃时水的运动粘度为0.685×10-6m2/s。Re1=D1V1/=0.06×0.14/（0.685×10-6）=12263，即Re1>2000。当Re>2000时，液体的流动是湍流的。因此，集油管道中油水混合物的流动是湍流的。根据水利，一般输油管道的粗糙度为0.15mm，所以直径为60mm的管道的相对粗糙度为：ε=0.1×10-3/0.03=0.005。将相对粗糙度ε代入表2，即得到该粗糙度管路的λ确定方法。
        2.计算从计量站到转运站所需的能源。截至2019年11月，某油田共有计量亭469个，计量亭与中转站的平均距离为1124m，计量亭均为D200管线。全厂日均产液量为207914.6吨，日均计量液运输量为443.3吨。2019年11月，全厂平均含水率为95.12%。发现该含水率下的产液密度为0.9915t/m3，因此体积流量Q2=443.3/0.9915=448.1（m3）。油管内平均流速为：V2=Q2/[86400π•（D2/2）2]=448.1/[86400×3.14（0.2/2）2]=0.17（m/s）；Re2=D2V2/ν=0.2×0.17/（0.685×10-6）=49635，Re > 2000。因此，该段的流动状态也是紊流的。根据水利，一般输油管道的粗糙度为0.15mm，所以直径为200mm的管道的相对粗糙度为：ε=0.1510-3/0.1=0.0015。将粗糙度代入表2，得到粗糙度线的确定方法。雷诺数49635表明该段的流动状态仍处于水力光滑区，因此lambda =0.021。因此，本节所需的压力能为：ht2=λ2L2V22/2D2g=0.021×1124×0.172/（2×0.2×9.8）=0.17（米水柱）=0.0017（MPa）。因此，井口输出液量取决于剩余压力，即所需的背压为：ht=ht1+ht2=0.0219+0.0017=0.024（MPa）。这是某油场合理的反压。某油田抽油井平均背压为0.43mpa。这个值与上面计算的0.024mpa相比太大了。按泵平均直径、平均冲程和平均冲程计算，背压为0.024mpa时，增加日耗电量0.432kW•h；当背压为0.43mpa时，与最低背压相比，每口井的附加能耗（7.325kW•h）增加到平均6.893kW•h，是最低背压的17倍。该地区平均月开抽井数为6090口。在此基础上计算，年额外用电量为1511.22×104kW•h，这是一个非常惊人的数字，说明了对抽油井背压的控制不容忽视。
        总之，抽油机回压对抽油机的提升有一定的影响。当回压为0.5mpa时，最大准95mm泵每天增加功率91816.74kj，相应的日功率消耗增加25.50kW•h，导致油井能耗和能源成本增加，影响原油企业的经济效益。泵径越大，回压对抽油机能耗的影响越大。当回压较高（0.5mpa以上）时，各抽油井能耗均有较大增加。即使对于小型泵，这也是非常重要的，特别是对于大型泵。对于最小准38泵，当回压为0.5 ~ 1.0MPa时，抽油机的附加功率也由14690.68增加到29381.36kJ，日耗电量由4.08增加到8.16kW•h。由于目前井数较多，即使回压不是很高，总体数值影响仍然很大，必须引起重视。
        参考文献：
        [1]张钧祥，关于回压对抽油机井能耗影响.2019.
        [2]陈宏宇.探讨回压对抽油机井能耗影响研究.2019.