抽油机井的降载提效的方法.pdf

本发明提供了一种抽油机井的降载提效的方法，包括：分析影响抽油机井的悬点载荷的多个组成因素，以确定所述组成因素对所述悬点载荷影响程度；根据所述组成因素对所述悬点载荷影响程度，优化相应的所述组成因素以降低所述悬点载荷。应用本发明的技术方案，通过分析影响抽油机井的悬点载荷的多个组成因素，以确定所述组成因素对所述悬点载荷影响程度，并根据所述组成因素对所述悬点载荷影响程度，优化相应的所述组成因素以降低所述悬点载荷，有效地降低悬点载荷，有利于开发低渗透油藏成本高的问题。

1.一种抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，包括：
分析影响抽油机井的悬点载荷的多个组成因素，以确定所述组成因素对所述悬点载
荷影响程度；
根据所述组成因素对所述悬点载荷影响程度，优化相应的所述组成因素以降低所述
悬点载荷。
2.根据权利要求1所述的抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，所述优化相应的组成
因素包括降低杆柱载荷和/或降低液柱载荷。
3.根据权利要求2所述的抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，所述优化相应的组成
因素包括降低杆柱载荷，所述降低杆柱载荷包括降低抽油杆的重量。
4.根据权利要求3所述的抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，所述降低抽油杆的重
量的方法包括提高所述抽油杆的材质的强度。
5.根据权利要求3或4所述的抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，在所述降低抽油
杆的重量后，运用API修正古德曼方法确定所述抽油杆的使用界限。
6.根据权利要求5所述的抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，所述确定抽油杆的使
用界限包括：
通过与原有抽油杆组合及使用安全系数进行对比，确定所述抽油杆强度校核时安全
系数和计算出所述抽油杆不同杆径的最大下入深度。
7.根据权利要求2所述的抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，所述优化相应的所述
组成因素包括降低液柱载荷，所述降低液柱载荷包括合理选择抽油泵泵径以使油井供排
协调。
8.根据权利要求7所述的抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，所述选择抽油泵泵径
包括：考虑低渗透油藏特征，结合流入动态曲线，绘制不同产液量下供排协调图，在供
排协调点处，合理选择抽油泵泵径。
9.根据权利要求1所述的抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，所述分析影响抽油机
井的悬点载荷的多个组成因素的方法包括：
将实测的所述悬点载荷与常用的多种悬点载荷计算公式计算载荷结果进行对比，优
选出计算误差最小的一种计算方法；
然后对影响悬点载荷因素进行权重分析，确定出影响权重，进而对悬点载荷计算公
式进一步进行优化。
10.根据权利要求1所述的抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，还包括确定抽油机合
理初期负载率。
11.根据权利要求1所述的抽油机井的降载提效的方法，其特征在于，所述确定抽油机合理
初期负载率包括：
根据历年投产油井产液量变化规律以及悬点载荷和含水变化情况，计算载荷变化率
η_w，从而确定油井投产初期抽油机负载率。

抽油机井的降载提效的方法

技术领域

本发明涉及油田开发领域，具体而言，涉及一种抽油机井的降载提效的方法。

背景技术

调查数据显示，全国石油剩余资源量799亿吨，其中低渗透资源为431亿吨，占剩余石
油资源总量的60％，因此低渗透油藏也就成了今后油田开发的主体，生产规模也会日趋增大。
由于低渗透油藏具有“低渗、低压、低产”特点，所以为节约油田建设投资成本，油藏多采
用丛式定向井组开发，与早期投产的中高渗油藏直井开发相比，采油井井眼轨迹、井身结构、
渗流产液规律均发生了较大的变化，原有的“三抽”设备优化选型方法就呈现出诸多的不适
应，采油井泵效低、抽油机负载过剩、系统效率低等问题也日趋凸显。同时由于物价上涨等
因素，油田开发投资运行成本也日益增大，因此必须寻求一种适合低渗透油藏特点的“三抽”
设备优化选型方法，达到降载提效的目的。

众所周知，抽油机悬点负荷越大，则抽油机机型及拖动电机的功率越大，从而耗用钢材
多、能耗高，投资及运行成本增加。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种抽油机井的降载提效的方法，以解决开发低渗透油藏成
本高的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种抽油机井的降载提效的方法，
包括：分析影响抽油机井的悬点载荷的多个组成因素，以确定所述组成因素对所述悬点载荷
影响程度；根据所述组成因素对所述悬点载荷影响程度，优化相应的所述组成因素以降低所
述悬点载荷。

进一步地，所述优化相应的组成因素包括降低杆柱载荷和/或降低液柱载荷。

进一步地，所述优化相应的组成因素包括降低杆柱载荷，所述降低杆柱载荷包括降低抽
油杆的重量。

进一步地，所述降低抽油杆的重量的方法包括提高所述抽油杆的材质的强度。

进一步地，在所述降低抽油杆的重量后，运用API修正古德曼方法确定所述抽油杆的使
用界限。

进一步地，所述确定抽油杆的使用界限包括：通过与原有抽油杆组合及使用安全系数进
行对比，确定所述抽油杆强度校核时安全系数和计算出所述抽油杆不同杆径的最大下入深度。

进一步地，所述优化相应的所述组成因素包括降低液柱载荷，所述降低液柱载荷包括合
理选择抽油泵泵径以使油井供排协调。

进一步地，所述选择抽油泵泵径包括：考虑低渗透油藏特征，结合流入动态曲线，绘制
不同产液量下供排协调图，在供排协调点处，合理选择抽油泵泵径。

进一步地，所述分析影响抽油机井的悬点载荷的多个组成因素的方法包括：将实测的所
述悬点载荷与常用的多种悬点载荷计算公式计算载荷结果进行对比，优选出计算误差最小的
一种计算方法；然后对影响悬点载荷因素进行权重分析，确定出影响权重，进而对悬点载荷
计算公式进一步进行优化。

进一步地，还包括确定抽油机合理初期负载率。

进一步地，所述确定抽油机合理初期负载率包括：根据历年投产油井产液量变化规律以
及悬点载荷和含水变化情况，计算载荷变化率η_w，从而确定油井投产初期抽油机负载率。

应用本发明的技术方案，通过分析影响抽油机井的悬点载荷的多个组成因素，以确定所
述组成因素对所述悬点载荷影响程度，并根据所述组成因素对所述悬点载荷影响程度，优化
相应的所述组成因素以降低所述悬点载荷，有效地降低悬点载荷，有利于开发低渗透油藏成
本高的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实
施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了载荷与悬点运行关系图；

图2示出了修正古德曼(Goodman)图；

图3示出了H级φ16mm抽油杆强度校核；

图4示出了H级φ19mm抽油杆强度校核；

图5示出了H级φ22mm抽油杆强度校核；

图6示出了5m³左右供排协调曲线图(泵效45％)；

图7示出了三叠系X长8油藏生产曲线；

图8示出了三叠系A油田长6油藏生产曲线；

图9示出了A油田某区悬点载荷随含水变化曲线；

图10示出了侏罗系M油田延9油藏生产曲线；

图11示出了侏罗系Y油田延10油藏生产曲线；

图12示出了Y油田延9悬点载荷随含水变化曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例中，抽油机井的降载提效的方法包括：分析影响抽油机井的悬点载荷的多个组
成因素，以确定所述组成因素对所述悬点载荷影响程度；根据所述组成因素对所述悬点载荷
影响程度，优化相应的所述组成因素以降低所述悬点载荷。

本实施例中，通过分析影响抽油机井的悬点载荷的多个组成因素，以确定所述组成因素
对所述悬点载荷影响程度，并根据所述组成因素对所述悬点载荷影响程度，优化相应的所述
组成因素以降低所述悬点载荷，有效地降低悬点载荷，有利于开发低渗透油藏成本高的问题。

优选地，所述优化相应的所述组成因素包括降低杆柱载荷和/或降低液柱载荷。

优选地，所述优化相应的所述组成因素包括降低杆柱载荷，所述降低杆柱载荷包括降低
抽油杆的重量。

优选地，所述降低抽油杆的重量的方法包括提高所述抽油杆的材质的强度。

通过分析抽油机井悬点载荷组成因素，确定降低抽油机负荷的最有效途径。通过对油田
不同井深下抽油机井悬点载荷组成进行计算统计分析，得出抽油机悬点载荷大小主要受杆柱
载荷和液柱载荷影响，确定出降低杆柱重量和降低抽油泵泵径是降低抽油机负荷的最有效途
径。

确定降低载荷的思路与方法。充分考虑目前各种类型抽油杆的力学性能，确定出运用应
用H级抽油杆高强度抽油杆代替原有的D级杆，降低抽油杆直径的设计思路。

优选地，在所述降低抽油杆的重量后，运用API修正古德曼方法确定所述抽油杆的使用
界限。

优选地，所述确定抽油杆的使用界限包括：通过与原有抽油杆组合及使用安全系数进行
对比，确定所述抽油杆强度校核时安全系数和计算出所述抽油杆不同杆径的最大下入深度。

运用API修正古德曼方法确定H级抽油杆的使用界限，通过对原有的D级杆组合及使用
安全系数进行对比，确定H级抽油杆强度校核时安全系数，同时计算出H级抽油杆不同杆径
的最大下入深度。

所述优化相应的所述组成因素包括降低液柱载荷，所述降低液柱载荷包括合理选择抽油
泵泵径以使油井供排协调。

所述选择抽油泵泵径包括：考虑低渗透油藏特征，结合流入动态曲线，绘制不同产液量
下供排协调图，在供排协调点处，合理选择抽油泵泵径。只有在供排协调点处，合理选择抽
油泵泵径，油井供排情况才能达到协调一致，获得油井最大举升产量。

所述分析影响抽油机井的悬点载荷的多个组成因素的方法包括：将实测的所述悬点载荷
与常用的多种悬点载荷计算公式计算载荷结果进行对比，优选出计算误差最小的一种计算方
法；然后对影响悬点载荷因素进行权重分析，确定出影响权重，进而对悬点载荷计算公式进
一步进行优化。

优化抽油机井悬点载荷计算公式。将实测载荷与常用的几种载荷计算公式计算载荷结果
进行对比，优选出计算误差最小的一种计算方法；然后对影响悬点载荷因素进行权重分析，
确定出影响权重，进而对悬点载荷计算公式进一步进行优化。

优选地，抽油机井的降载提效的方法还包括确定抽油机合理初期负载率。

优选地，所述确定抽油机合理初期负载率包括：根据历年投产油井产液量变化规律以及
悬点载荷和含水变化情况，计算该区块载荷变化率ηw，从而确定油井投产初期抽油机负载率。

确定抽油机合理初期负载率。以开发时间较长的侏罗系和三叠系油藏区块为例，根据历
年投产油井产液量变化规律以及悬点载荷和含水变化情况，计算该区块载荷变化率η_w，从而
确定油井投产初期抽油机负载率。

本实施例中提出的抽油机井降载提效的方法是利用采油工程计算理论，结合油田开发实
际，通过分析悬点载荷的组成以及影响悬点载荷的主要因素，从抽油泵选择、抽油杆组合、
悬点载荷计算优化、抽油机井初期负载率的确定几个方面进行优化，从而达到减小抽油机井
悬点载荷、降低抽油机型号，提高油井泵效和系统效率，最终实现降低油井投资和生产运行
成本的目的。

下面结合实际的生产实例对本发明的技术方案进行详细描述：

如已知某产建区三叠系长6储层完钻井深1500m，单井地质配产2t/d，含水40％，合理流
压4.0Mpa。一种抽油机井降载提效的方法，包括如下步骤：

(1)分析抽油机井悬点载荷组成，确定降低抽油机负荷的最有效途径

通过对油田不同井深下抽油机井悬点载荷组成进行计算统计分析(见附图1和表1)，得
出抽油机悬点载荷大小主要受杆柱载荷和液柱载荷影响，确定出降低杆柱重量和降低抽油泵
泵径是降低抽油机负荷的最有效途径。

表1不同井深下各类载荷所占比例统计表

(2)确定降低载荷的思路与方法

分析对比各种类型抽油杆的力学性能(见表2)，确定出运用应用H级抽油杆高强度抽油
杆代替原有的D级杆，同时降低抽油杆直径的设计思路。

表2D级抽油杆与H级抽油杆力学性能对比表

(3)确定H级抽油杆的使用界限

运用API修正古德曼方法(见附图2)确定H级抽油杆的使用界限，通过对原有的D级
杆组合及使用安全系数进行对比，确定H级抽油杆强度校核时安全系数，同时计算出H级抽
油杆不同杆径的最大下入深度。图2中，线1为取安全系数为4时抽油杆等疲劳寿命曲线；
线2为取安全系数为2时抽油杆等疲劳寿命曲线。

API修正古德曼方法确定H级抽油杆的使用界限。其计算公式为:

$\left[{\mathrm{\σ}}_{\max }\right]=(\frac{1}{4}{\mathrm{\σ}}_b+0.5625{\mathrm{\σ}}_{\min })\mathrm{SF}$

$\mathrm{PL}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\max }-{\mathrm{\σ}}_{\min }}{\left[{\mathrm{\σ}}_{\max }\right]-{\mathrm{\σ}}_{\min }}\×100\%$

式中：SF是抽油杆使用系数，σ_b是抽油杆的最小抗拉强度，σ_min是最小应力，σ_max是最
大应力，[σ_max]是许用最大应力，PL是应力范围比。

上式中抽油杆使用系数是根据抽油杆工作环境决定的，一般介质无腐蚀时取1，介质为地
层水时取0.9(高含盐时取0.7)，含H₂S时取0.5。抽油杆许用最大循环应力强度条件为：

σ_max≤[σ_max]

通过对比以往D级杆组合下的使用安全系数，结合油田目前投产井下泵深度(泵挂
1600-1800之间，泵径多为φ28mm和φ32mm，D级杆安全系数基本在1.3左右)，确定H级抽
油杆强度校核时安全系数为1.3(见表3)。

表3H级抽油杆不同泵径、泵挂强度下校核表

经计算得出：

当杆柱组合为φ16mm×100％，考虑安全系数1.3，采用φ38mm抽油泵最大下深为1600m
(见附图3)。

当杆柱组合为φ19mm×100％，考虑安全系数1.3，采用φ38mm抽油泵最大下深为1800m
(见附图4)。

当杆柱组合为H级φ22mm×100％，考虑安全系数1.3，采用φ38mm抽油泵最大下深为2400m
(见附图5)。

考虑到低渗透油藏定向井、井筒状况复杂，确定在下泵深度≤1600m油井采用H级抽油杆
代替D级抽油杆，同时降低抽油杆径，降低抽油机井悬点载荷；下泵深度＞1600m时沿用以前
H级抽油杆三级组合设计。

表4抽油杆组合优化设计

依据油井合理流压4.0Mpa，按照流压与动液面的关系式

$L_P=H-\frac{P_{\mathrm{wf}}-P_s}{{\mathrm{\ρ}}_{L}g}$

式中：L_P为下泵深度，单位为m；H为油层中深，单位为m；P_wf为流压，单位为Pa；P_s
为沉没压力，单位为Pa；ρ_L为井液平均密度，单位为kg/cm₃。

计算油井动液面深度为950m，按照经验值沉没度200m按设计，下泵深度为1150m，考虑
区块油井开采中后后期可能会加深泵挂，在计算油井最大悬点载荷时，结合储层完钻井深，
泵挂深度按照1300m进行计算，依据下泵深度按照表4中优化后的杆柱组合选用H级抽油杆
φ16mm×60％+φ16mm×40％二级组合。

(4)考虑低渗透油藏特征，结合流入动态曲线，绘制不同产液量下供排协调图，合理选
择抽油泵，提高油井泵效。

抽油机井供排协调是地层的供液能力与抽油泵的排液能力之间的关系，通过供排协调图
直观的反映。供液能力曲线即IPR曲线反映了油井当前的生产潜力，抽油泵排出曲线反映了
泵的排液能力，然后把两条曲线叠合在一起，使两者有机的结合起来，构成了油井的“供排
协调图”，只有在供排协调点处，油井供排情况才能达到协调一致，获得油井最大举升产量。

通过绘制长庆低渗透油藏日产液低于5m³的采油井供排协调曲线图(见附图6)，结果表
明对于日产液低于5m³以下的采油井，只有与φ28mm抽油泵存在有供排协调点，能达到供排
协调；而对于日产液2m³以下的油井，Φ28mm抽油泵也无供排协调点，需选用更小直径的抽油
泵(Φ25mm)达到供排协调，最大程度的发挥油井的产能。

依据该区块单井配产2t/d和含水40％，计算得出单井日产液为3.94m³，按照油井45％的
泵效进行选型设计，因此选用φ28mm抽油泵即可。

(5)优化抽油机井悬点载荷计算公式

将实测载荷与常用的几种载荷计算公式计算载荷结果进行对比，优选出计算误差最小的
一种计算方法；然后对影响悬点载荷因素进行权重分析，确定出影响权重，进而对悬点载荷
计算公式进一步进行优化。

一是优选确定评价指标体系。其影响因素主要受井身控制，优选确定出六大因素包括：
泵深、杆柱组合、泵径、冲程、冲次、含水。

二是权重系数计算分析。采用层次分析方法，在权重系数满足一致性条件下，求得不同
因素归一化后的权重系数结果，得出泵挂深度的影响权重最高。

表5悬点载荷影响因素灰色关联分析表

三是通过因素权重分析，确定出以泵挂为依据，运用线性回归法将不同泵挂深度的实测
载荷与确定的计算公式计算载荷进行回归，回归方程的系数即为不同泵挂下的计算系数。

表6以泵挂为依据计算系数对比表

综上所述，优化出定向井抽油机悬点载荷计算公式：

①当泵挂＜1200m时：

悬点最大载荷：$P_{\max }=1.02(W_r+W_1)(1+\frac{{\mathrm{sn}}^2}{1790})---\left(1\right)$

悬点最小载荷：$P_{\min }=0.94(W_r^{/}-\frac{W_r{\mathrm{sn}}^2}{1790})---\left(2\right)$

②当1200m≤泵挂＜1600m时：

悬点最大载荷：$P_{\max }=1.01(W_r+W_1)(1+\frac{{\mathrm{sn}}^2}{1790})---\left(3\right)$

悬点最小载荷：$P_{\min }=0.90(W_r^{/}-\frac{W_r{\mathrm{sn}}^2}{1790})---\left(4\right)$

③当1600m≤泵挂＜2000m时：

悬点最大载荷：$P_{\max }=1.00(W_r+W_1)(1+\frac{{\mathrm{sn}}^2}{1790})---\left(5\right)$

悬点最小载荷：$P_{\min }=0.90(W_r^{/}-\frac{W_r{\mathrm{sn}}^2}{1790})---\left(6\right)$

④当泵挂≥2000m时：

悬点最大载荷：$P_{\max }=0.98(W_r+W_1)(1+\frac{{\mathrm{sn}}^2}{1790})---\left(7\right)$

悬点最小载荷：$P_{\min }=0.87(W_r^{/}-\frac{W_r{\mathrm{sn}}^2}{1790})---\left(8\right)$

式中：P_max是悬点最大载荷，P_min是悬点最小载荷，W_l是作用在柱塞环形面积上的液柱载荷，
Wr是上冲程中作用在悬点上的抽油杆柱载荷，W_r^/是下冲程中作用在悬点上的抽油杆柱载荷，
s是冲程，n是冲次。

由于产建区块最大下泵深度确定为1300m，因此应按照公式(3)和公式(4)分别计算悬
点最大载荷为33.1kN，最小载荷19.8kN。将最大和最小载荷带入扭矩计算公式：
M_max＝1800S+0.202S(P_max-P_min)，计算得出最大扭矩为8.1kN·m(按经验，计算悬
点最大载荷、减速箱最大扭矩按额定值的70～90％选取，实际抽油机选型时通常按按额定值的
90％选取)。

(6)确定抽油机合理初期负载率

现场的经验认为，抽油机载荷利用率小于95％时即可安全使用。但随着油井开发时间延长，
抽油机悬点载荷也将发生变化。则油井投产初期与开采期最大悬点载荷变化可表示为：

${\mathrm{\η}}_w=\frac{P_{\max 1}-P_{\max 0}}{P_{\max 1}}=1-\frac{P_{\max 0}}{P_{\max 1}}=1-\frac{P_{\max 0}}{\left[P_{\max }\right]}---\left(9\right)$

式中：η_w为悬点最大载荷变化率，单位为％；P_max0为投产初期悬点最大载荷，单位为kN；
P_max1为开采期悬点最大载荷，单位为kN；[P_max]为抽油机额定最大载荷，单位为kN。

于是，投产时抽油机负载率：$\frac{P_{\max 0}}{\left[P_{\max }\right]}=1-{\mathrm{\η}}_w---\left(10\right)$

三叠系油藏：通过对三叠系X长8、A长6区油藏开发状况进行了统计分析(见附图7～
附图8)，结果表明随着开采时间的延长，含水后期逐渐上升，但日产液量先呈下降趋势后基
本趋于稳定，变化幅度不大。以开发时间较长的A油田某区为例进行计算，根据历年投产油
井的悬点载荷及含水变化情况(见附图9)，用公式(9)计算得出该区块载荷变化率η_w为6％，
代入公式(10)求得初期负载率为89.6％，考虑一定复杂工况，悬点最大载荷变化率定为10％。
因此，三叠系油井投产初期抽油机负载率按90％选取。

侏罗系油藏：通过对侏罗系Y油田的Y10和马岭油田Y9统计表明，该油藏日产液量大，
大约是三叠系3～5倍，随着开采时间的延长，含水逐渐上升，日产液呈一定程度上升后趋于
平稳(见附图10～附图11)。以开发时间较长的M油田Y9油藏为例进行计算，根据历年投产
油井的悬点载荷及含水变化情况(见附图12)，用公式(9)计算得出该区块载荷变化率η_w为
24％，代入公式(10)计算得到初期负载率η_wup为76.6％。考虑一定复杂工况，悬点最大载荷
变化率定为30％。因此，侏罗系油井投产初期抽油机负载率按70％选取。

由于产建区属于三叠系油藏，抽油机井按照初期负载率和最大扭矩利用率均按照90％进行
选取，抽油机额定载荷应不小于36.8kN，最大扭矩为应不小于9kN·m，而目前4型抽油机
额定载荷为40kN，最大扭矩为9kN·m，因此该区块选用4型抽油机即可满足生产需求。

2012年产建新投油井5683口，通过该技术的应用，与2010年应用该技术前产建新投井
相比，泵效由37.0％提高至47.7％；抽油机额定载荷下降了10.0kN(相当于降了一个型号)，
新井负载率从61.3％上升至66.8％，平均单井投资降低0.7万元，年节约投资近4000万元；实
测井均日耗电量减少9.2kW·h，年节约电能约1570万度，节约成本1250万元以上。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员
来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等
同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。