1、扬州江苏油田瑞达公司二00八年四月,能耗最低机采系统设计方法专利技术及其软件介绍发明人：郑 海 金,公司地址：扬州市文汇西路1号联系人：郑海金联系电话：13601442750,目 录,一、概 述二、有杆泵抽油系统输入功率计算理论三、能耗最低机采系统设计方法及软件 四、现场应用及效果五、主要技术成果六、推广前景,一、概述,由于有杆泵抽油装置简单、操作方便、综合成本低，所以全世界有80%的油井采用这种方式进行生产。但是在采用有杆泵抽油方式的油井中，其机采系统效率一直较低，导致机采能耗成本在采油变动成本中所占比例较大,根据中国石油天然气总公司1997年统计结果，中国陆上各油田有杆泵抽油井开井数为72
2、047口，平均机采系统效率26.7%。国内外一直很重视提高机采系统效率研究，其研究方向主要集中在机械改造方面并取得了长足进展。,通过立项研究，发现造成机采系统效率低的原因除机械因素外，还有一个重要原因是机采参数设计不尽合理（它在技术上可行，但在经济上不够合理）。造成机采参数设计不科学的主要原因是缺少有杆泵抽油系统输入功率计算理论，没能找到经济的设计方法。,存在的主要问题,经过几年的试验及理论研究,我们建立了输入功率计算理论体系；提出了各种功率的具体 计算方法；发明了以产量为目标、以能耗最低或以机采成本最低为准则的机采系统设计方法。,实践表明，与常规设计方法相比，该技术的应用效果显著，不仅可大幅
3、度提高有杆泵抽油井的系统效率，降低能耗成本，而且会大幅度延长油井检泵周期，降低作业成本。,机采系统设计经历了三个阶段：,第一阶段：为生产同一目标产量，按投资最少为准则进行设计第二阶段：为生产同一目标产量，按载荷最轻为准则进行设计第三阶段：为生产同一目标产量，按能耗最低（输入功率最低）为准则进行设计,目 录,一、概 述二、有杆泵抽油系统输入功率计算理论研究 三、能耗最低机采系统设计方法及软件 四、现场应用及效果五、主要技术成果六、推广前景,二、有杆泵抽油系统输入功率计算 理论研究,重新划分了有杆泵抽油系统输入功率的构成找出了影响各部分功率的因素提出了各部分功率的计算公式,1、输入功率构成,通过开
4、展能量分析，首次将有杆泵抽油系统输入功率划分为以下五部分,输入功率,有效功率,粘滞损失功率,滑动损失功率,溶解气膨胀功率,地面损失功率,2、地面损失功率,定义：深井泵生产过程中，地面抽油机和电机所损耗的功率称作地面损失功率。,通过研究，找出了地面损失功率影响因素： 电机空载功率 井下负荷 冲程 冲次 传输功率传导系数k1 光杆功率传导系数k2确定了其函数关系式：,Pu=Pd+(F上+F下) s n k 1 +(F上F下) s n k 2,分界点,PU：地面损失功率 Pd：电机空载功率F上：光杆在上冲程中的平均载荷F下：光杆在下冲程中的平均载荷S：冲程 n：冲次,3、粘滞损失功率,定义：深井泵生
5、产过程中，被举升的液体因与油管、抽油杆发生磨擦而损耗的功率称作粘滞损失功率。,通过研究，找出了粘滞损失功率的影响因素： 杆速 管径 杆径 泵挂 原油粘度确定了其函数关系式：,ui：在li段油管中的液体的平均粘度li：第i段油管长度 m:管径杆径比 ui li：反映油管中液体粘度随深度变化对粘滞损失功率的影响,4、滑动损失功率,定义：因井斜造成的抽油杆与油管之间发生的磨擦以及泵柱塞与泵筒间发生的磨擦而损失的功率称作滑动损失功率。,通过研究，找出了滑动损失功率的影响因素： 杆速 单位长度杆重 井斜轨迹水平投影长度 杆与管的摩擦系数确定了其函数关系式:,Pk=2fkq杆l水平Sn,fk：杆与管的摩擦
6、系数 q杆：单位长度杆柱重量l水平：抽油杆在斜井段的水平投影长度,5、膨胀功率,定义： 原油在举升过程中，溶解气因所受压力的降低而不断从原油中析出，从液态转化为气态。一方面导致物质本身的能量降低，即内能降低；另一方面，这部分能量转化成体积膨胀能而作用于举升系统。这一功率称作溶解气膨胀功率。,通过研究，找出了膨胀功率的影响因素： 日产油量 饱和压力 井口压力 沉没压力 溶解系数确定了其函数关系式：A ：当P沉PbP井口时 B：当P沉Pb且P井口Pb时，P膨=0C：当P井口P沉Pb时D：当P沉Pb且P井口 P沉时，P膨=0,6、井口油温的影响因素及其计算公式 从井底到井口各深度点所对应的地层温度是
7、逐渐降低的，原油粘度也必然随着温度的变化而变化。要确定温度变化对粘滞损失功率的影响需要确定井口油温。,通过研究，找出了井口油温的影响因素： 油层温度 地表温度 产液量 含水率 动液面 膨胀功率确定了函数关系式:T井口=K1Q当（T地层-T地表）+K2Q当H动+K3P膨+C Q当 =Q液+（CW/CO-1）Q液fw = Q液+0.72 Q液fw,7、iLi的影响因素及其函数关系式iLi为各段油管中的液体的平均粘度与对应油管长度的乘积之和，它反映油管中液体粘度随深度变化对粘滞损失功率的影响，为了确定粘滞损失功率就须明确iLi的量值,通过研究，找出了iLi的影响因素: 油层温度 井口温度 原油析蜡温
8、度 产液量 含水率 50脱气原油粘度确定了其函数关系式: iLi = K10（T地层T析）+K20Q油（T析T口） +K30（-f2w+1.2fw）+C,8、有效功率,定义：在一定扬程下,将一定排量的井下液体提升到地面所需要的功率称为有效功率。,因 素： 产液量 液体密度 动液面深度,9、输入功率、机采系统效率同各种功率的关系,P入 = P地+P粘+P滑+P有-P膨 = P有/ P入 = P有/（P地+P粘+P滑+P有-P膨）,10、输入功率计算理论的实践检验,为了检验输入功率计算理论的正确性和对不同油藏条件的适应性，我们首先实测了江苏油田28个油藏的428口油井的实际输入功率，然后用理论计算
9、公式逐井计算了各井的理论输入功率，其结果为：,检验结果,检验井数：428口实测功率：3362 Kw理论计算功率：3327Kw实测效率：26.0%理论计算效率： 26.3%功率相对误差：1.1%,对产液量、含水率、动液面 、油层温度、饱和压力、气油比、溶解系数、析蜡温度、地表温度、原油密度、50脱气原油粘度、地层原油粘度、油层中深、井斜14个参数分别按从大到小顺序，将实测功率与计算功率逐一进行功率对比分析，发现功率相对误差大多呈随机分布状态，且误差较小，说明输入功率计算理论对具有不同物性特征的28个油藏，及这些油藏中不同生产参数的428口油井具有普遍适用性。,陈2块输入功率实测值与理论值比较图,
10、实测功率 理论功率 有效功率 实测效率理论效率 功率相对误差133.9 138.3 39.1 29.2% 28.2% -3.2 %,富民输入功率实测值与理论值比较图,实测功率 理论功率 有效功率 实测效率理论效率 功率相对误差121.0118.6 42.2 34.8% 35.5% 2.0 %,花、联、纪 输入功率实测值与理论值比较图,实测功率 理论功率 有效功率 实测效率理论效率 功率相对误差96.7 90.2 26.9 27.8% 29. 8% 7.2 %,沙埝输入功率实测值与理论值比较图,实测功率 理论功率 有效功率 实测效率理论效率 功率相对误差151.5 151.2 43.2 28.5
11、% 28.6% 0.2 %,用大庆油田数据进行检验,在全国各油田推广应用的过程中，实测了近万口油井对新设计方法进行了进一步的检验，结果表明，新设计方法理论对国内具有不同物性特征的油藏及这些油藏中不同生产参数的油井具有普遍适用性。,11、机采系统效率同各种影响因素间的关系 杆速(冲程冲次) P损 载 荷 P损 电机空载功率 P损 粘 度 P损 管径杆径比 P损,降低杆速 即增大泵径或提高泵效 减少载荷 即减轻杆柱及液柱重量 降低电机空载功率 降低粘度 增大管径杆径比 优选抽油机种类并合理匹配电机 减小油杆在井斜段的单位长度的重量,提高机采效率的主要手段：,提高机采系统效率各种手段之间的矛盾,提高
12、机采系统效率各种手段之间的矛盾,在不同泵径条件下，杆柱系数对泵效的影响程度是不同的。在不同杆柱钢级条件下，同一泵挂及泵径所对应的杆柱系数及其经济效益是不同的。,目 录,一、概 述二、有杆泵抽油系统输入功率计算理论研究 三、能耗最低机采系统设计方法及软件 四、现场应用及效果五、主要技术成果六、推广前景,三、能耗最低机采系统设计方法及软件,针对以上矛盾，我们发明了以产量为目标、以能耗最低或以成本最低为准则的机采系统设计方法，从而使提高机采系统效率的各种手段之间的矛盾得到了解决。,1、设计条件 （已知参数) (1)产液量 (2)含水率 (3)动液面 (4)油层中深 (5)原油密度 (6)油气比 (7
13、)饱和压力 (8)溶解系数 (9)油层温度 (10)析蜡温度 （11) 地表温度 (12) 50脱气原油粘度 (13)地层原油粘度 (14)井斜参数2、设计参数 (求解参数） (1)抽油机机型(2)电机机型 (3)管径 (4)泵挂 (5)泵径 (6)杆柱钢级 (7)杆柱组合 (8)冲程 (9)冲次,3、设计步骤 (求解过程) ：,在同一目标产量前提下：将管径分别按内径大小依次排序；将杆柱钢级分别按强度大小依次排序；将泵径按尺寸大小依次排序；将泵挂从动液面始，按某一步长（如10米）依次加深排序直到油层中部为止。,各种管径、各种杆柱钢级、各种泵径、各种泵挂（对应科学的杆柱组合）、各种冲程、各种冲次
14、一一组合，每一种组合对应着一种机采系统效率，即对应着一种能量消耗和一种管、杆、泵的投入与年度损耗。,根据输入功率计算公式分别计算出每一种机采参数组合所对应的输入功率。,以能耗最低者为所选择的机采参数（管径、管长、杆柱钢级、泵径、泵挂深度、杆柱组合、冲程、冲次）,根据输入功率计算公式分别计算出计算出每一种组合相应的年度耗电费用；根据各种管柱、各种杆柱、各种泵的价格，计算出每一种组合相应的年度机械损耗值，并考虑一次性投资的年利息，合计出每一种机采参数组合所对应的机采年耗成本。,以年耗成本最低者为所选择的机采参数（管径、管长、杆柱钢级、泵径、泵挂深度、杆柱组合、冲程、冲次）,或者：,4、新设计方法与
15、常规设计方法的区别,设计准则上的区别 优化目标：产量常规方法：以载荷、扭矩、泵效为约束条件 能耗最低机采系统设计方法：以载荷、扭矩、系统输入功率为约束条件,设计时所需基础参数上的区别常规设计： 1.产液量 2.含水率 3.动液面 4.油气比 5.原油粘度 6.油层中深,1.抽油机2.电机 3.管径 4.泵挂5.泵径6.杆柱钢级7.杆柱组合 8.冲程9.冲次,新设计： 1.油层中深 2.产液量 3.含水率 4.动液面 5.油层温度 6.饱和压力 7.油气比 8.溶解系数 9.析蜡温度 10.原油密度 11.50脱气原油粘度 12.地层原油粘度 13.地表温度 14.井斜参数 15.经济参数,1.
16、抽油机2.电机 3.管径 4.泵挂5.泵径6.杆柱钢级7.杆柱组合 8.冲程9.冲次,新方法与常规方法在机采效率及经济效益方面的差别,机采系统设计软件功能：进行能耗最低机采系统（机采参数）设计进行成本最低机采系统（机采参数）设计对原机采系统测试数据进行计算处理对设计的新系统进行后评估评价软件的主要功能：对机采系统的能耗、系统效率、成本现状进行评价分析。,5、根据能耗最低机采参数设计方法，研制了机采系统设计软件及系统效率评价软件,主窗口,数据输入,数据输入,数据输入,数据输入,数据输入,显示全结果第1页,显示全结果第2页,显示全结果第345页,显示全结果第462页,结果优选,结果输出,效果对比,
17、目 录,一、概 述二、有杆泵抽油系统输入功率计算理论研究 三、能耗最低机采系统设计方法及软件 四、现场应用及效果五、主要技术成果六、推广前景,四、现场应用及效果,1、江苏油田实施效果 99年4月-99年12月，共在江苏油田老区推广应用了133口井。由开发处、采油厂从中抽取18口井，技术监督处对这18口井进行了测试验收。,1、江苏油田实施效果,系统效率,输入功率,9.882kW,5.806kW,24.58%,44.15%,平均节电率,41.25%,单井年节电,35706kWh,在江苏油田的应用效果,抽样测试18口井优化前后功率对比图,预测与实测对比,预测节电率42.67%,实测41.25,2、全
18、国各油田推广应用效果,截止到2006年12月，该项发明技术已在大庆、胜利、辽河、大港、中原、新疆、华北、江苏、河南、长庆、江汉、广西十二个油田55个采油厂的8569口（不含已安装软件单位自行设计实施的井）抽油机井上进行了现场应用，年节电2.36亿度，检泵周期也得到了相应的延长。,全国各油田推广应用,辽河油田,自2002年已连续六年将其列为规模实施项目（累计实施3672口井）。2007年技术服务1000口井，并配备软件35套,胜利油田,大庆油田,至今已完成小型试验（11口井）和中型试验性推广（771口井），2007年7月配备软件90套，开始全面推广,2004年率先买断了该项发明技术在该油田的实施
19、许可，至今推广3321口井。,全国各油田推广应用效果,截止到2006年12月，全国十二个油田55个采油厂的8569口抽油机井的现场应用效果：,系统效率,输入功率,9.38kW,6.60kW,17.08%,30.71%,平均节电率,29.6%,单井年节电,28088kW.h,在大庆油田的试验效果（六厂11口井）,输入功率从15.71kW降至10.11kW，降低5.6kW，节电率35.6%，平均机采系统效率提高了17.35个百分点,在大庆油田的推广应用,实施井数：771口输入功率：从10.14kW降至7.03kW，降低3.11kW节电率 ：30.68%系统效率：从22.26%提高到38.70%，提
20、高16.44个百分点,在辽河油田的试验效果：欢喜岭采油厂22口井,输入功率从9.80kW降至6.62kW，降低3.12kW，节电率31.8% ；平均机采系统效率提高了12.12 个百分点。,在辽河油田的推广应用,实施井数：3672口输入功率：从9.30kW降至6.50kW，降低2.80kW节电率 ：30.08%系统效率：从13.56%提高到26.01%，提高12.45个百分点,在大港油田的推广应用,实施井数：454口输入功率：从10.47kW降至7.75kW，降低2.72kW节电率 ：26.01%系统效率：从22.46%提高到38.77%，提高16.31个百分点,在长庆油田的推广应用,实施井数
21、：155口输入功率：从3.73kW降至2.61kW，降低1.12kW节电率 ：30.06%系统效率：从14.09%提高到21.89%，提高7.8个百分点,在新疆油田的推广应用,实施井数：15口输入功率：从6.44kW降至4.34kW，降低2.1kW节电率 ：32.6%系统效率：从17.66%提高到29.14%，提高11.48个百分点,在胜利油田的试验效果：桩西20口井,输入功率从12.09kW降至7.95kW，降低4.14kW， 节电率34.2%，平均机采系统效率提高了16.7个百分点。,实施优化设计前后油井检泵周期对比,欢喜岭采油厂实施效果(2000年-2001年),评价井数：17口平均检泵
22、周期延长40.7%，因此节约作业成本40.7%。,实施优化设计前后油井检泵周期对比,评价井数：42口平均检泵周期延长37.6%，节约作业成本37. 6%。,江苏油田部分油井资料,全国各油田推广应用经济效益分析,延长检泵周期,平均单井投入,平均单井节约,1.3倍,单井年节电,28088kW.h,0.5万元,电费1.4万元，作业成本约1万元,投入产出比,1：4.8,年创效,已实施8409口井，约2.0亿元,中石油推广情况,2007年，中石油购买300套软件，在所辖国内所有油田推广此项发明专利技术,中石化推广情况,已安装27套软件2008年将在所辖8个油田分公司安装150套软件，开始全面推广。,目
23、录,一、概 述二、有杆泵抽油系统输入功率计算理论研究 三、能耗最低机采系统设计方法及软件 四、现场应用及效果五、主要技术成果六、推广前景,五、主要成果,第一，建立了抽油井机采系统输入功率计算理论,本项目系统地分析了深井泵采油过程中各种能耗，在四个方面实现了机械采油工艺技术理论及方法的创新：,第二，发明了以能耗最低或成本最低为目标的机采系统（机采参数）设计新方法； 中国发明专利号：ZL99109780.7 美国发明专利号：US6640896B1,第三，根据所发明的设计方法成功地研制了“能耗最低机采系统设计软件”及“系统效率现状评价软件”；,第四，为适应新的设计方法，提出了对常规装备的改进办法并予
24、以实施。,2005年该项发明获得中石化技术发明奖。,2006年能耗最低机采参数设计软件被科技部评为“国家重点新产品”。,能耗最低机采参数设计软件被认定为江苏省高新技术产品。,2007年能耗最低机采系统设计软件获得江苏省创新基金及江苏省软件及集成电路发展资金支持。,2006年入选国家发改委“十一五”高耗能行业节能技术重点推广目录,2007年入选信息产业部63个国家第一批节能降耗电子信息技术、产品与应用方案推荐目录项目。,目 录,一、概 述二、有杆泵抽油系统输入功率计算理论研究 三、能耗最低机采系统设计方法及软件 四、现场应用及效果五、主要技术成果六、推广前景,六、推广前景,国内共有在用抽油机井约
25、12万口，若全面应用该技术，每年可节电约30亿kWh（度）。同时，检泵作业周期也将得到相应的延长，检泵作业成本可降低1/3 。 在全世界范围内共有93万口抽油机井，市场应用前景巨大。,中国石油预测结果,系统效率,输入功率,9.12kW,5.34kW,21.66%,36.98%,平均节电率,41.42%,单井年节电,31738kW.h,总井数,99517口,总年节电,25.03亿kW.h,开井数,78861口,降低3.78kW,提高15.32%,中国石化预测结果（2005年）,系统效率,输入功率,9.89kW,6.51kW,24.33%,36.96%,平均节电率,34.2%,单井年节电,28392kW.h,总井数,2.29万口,总年节电,5.12亿kW.h,开井数,18021口,降低3.38kW,提高12.63%,End,
