電泵井實(shí)時(shí)系統(tǒng)效率與損耗構(gòu)成計(jì)算

袁 輝，楊 柳

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江，524057） ①

電泵井實(shí)時(shí)系統(tǒng)效率與損耗構(gòu)成計(jì)算

袁 輝，楊 柳

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江，524057）①

隨著油井?dāng)?shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)的廣泛實(shí)施，針對(duì)電泵井能耗問題，開發(fā)了利用實(shí)時(shí)采集的電泵井電參數(shù)、液量、井口壓力、井筒測(cè)壓等參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)效率及能耗構(gòu)成指標(biāo)的計(jì)算模型。在油田應(yīng)用20井次，基本明確了油井的系統(tǒng)損耗構(gòu)成及油井的實(shí)時(shí)系統(tǒng)損耗構(gòu)成，可為油田節(jié)能降耗提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐。

電動(dòng)潛油泵；效率；實(shí)時(shí)；計(jì)算方法

近年來，電潛泵井系統(tǒng)模擬分析與優(yōu)化決策技術(shù)［1］得到了提升，隨著數(shù)字油田的建設(shè)以及油田的自動(dòng)化水平的進(jìn)步，以及近兩年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)走上舞臺(tái)，油田的自動(dòng)化技術(shù)得到廣泛的重視。隨著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的廣泛化，為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的利用提供了可能，也產(chǎn)生了電泵井井下安全控制技術(shù)［2］和油藏動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控技術(shù)［3］。海洋電泵井的地面采集數(shù)據(jù)主要有嘴前壓力、嘴后壓力、溫度、三相電壓、三相電流、平均功率因數(shù)、液量等數(shù)據(jù)；而部分允許的井可能采用井下電泵伴侶（Centrilift）采集泵入口的壓力、泵出口壓力、出入口溫度、電機(jī)溫度、振動(dòng)參數(shù)等數(shù)據(jù)。井下電泵伴侶有選擇安裝泵上泵下傳感的不同，近年國內(nèi)的井下實(shí)時(shí)測(cè)壓、測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)也得到了一定程度的發(fā)展。本文在海上實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究電泵井實(shí)時(shí)系統(tǒng)效率計(jì)算的模型，為實(shí)時(shí)系統(tǒng)效率與損耗分解計(jì)算提供技術(shù)支撐。

1 工況指標(biāo)計(jì)算分析方法

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：泵深Hp（m）、原油相對(duì)密度γo（小數(shù)）、原油粘度μ（cp）、油管內(nèi)徑d（mm）、電機(jī)額定功率Pe（kW）。

實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)：瞬時(shí)日產(chǎn)液量Q（m3／d）、油壓pt（MPa）、套壓pc（MPa）、三相電壓U1、U2、U3（V）、三相電流I1、I2、I3（A）、平均功率因數(shù)cosφ。

定期采集數(shù)據(jù)：動(dòng)液面Hd（m）或毛管測(cè)壓數(shù)據(jù)

1.2 模型思路

地面電控柜節(jié)點(diǎn)主要采集三相電壓、三相電流、功率因數(shù)，很多電參數(shù)采集硬件直接算出了有功功率和無功功率。井口節(jié)點(diǎn)主要采集流量Q（產(chǎn)液量）、油壓、套壓、回壓等參數(shù)，應(yīng)用多相流計(jì)算可以獲得泵排出壓力。環(huán)空壓力可以通過回聲儀獲得動(dòng)液面或者應(yīng)用毛管測(cè)壓獲得環(huán)空泵入口的壓力數(shù)據(jù)?？梢圆捎庙樞蛴?jì)算法，電泵采油系統(tǒng)能耗模型框架如圖1所示。圖1中，實(shí)心節(jié)點(diǎn)為實(shí)時(shí)參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)；空心為普通節(jié)點(diǎn)；空心三角節(jié)點(diǎn)為井下伴侶采集節(jié)點(diǎn)；虛線方框?yàn)閷?shí)時(shí)采集參數(shù)。

圖1 順序計(jì)算法程序流程

本模型中存在3個(gè)計(jì)算單元：①應(yīng)用多相流向下逐級(jí)計(jì)算可以獲得泵排出點(diǎn)壓力；②應(yīng)用電纜、電機(jī)的電耗模型向下逐級(jí)計(jì)算并最終獲得泵的輸入點(diǎn)參數(shù)；③應(yīng)用毛管測(cè)壓數(shù)據(jù)計(jì)算沉沒壓力，進(jìn)而計(jì)算各項(xiàng)舉升綜合指標(biāo)。本模型中的順序計(jì)算分別推到了泵輸入點(diǎn)和泵輸出點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)參數(shù)，泵本身的能耗構(gòu)成沒有再加以細(xì)分；同時(shí)，無電泵伴侶時(shí)的油管流動(dòng)計(jì)算誤差和電纜電機(jī)模型系統(tǒng)誤差會(huì)傳遞到泵的損耗當(dāng)中。

1.3 井筒多相流計(jì)算

混合液密度應(yīng)用多相流方法［4］來計(jì)算，已知液量和含水、飽和壓力、氣油比，計(jì)算沿程的壓力梯度、持液率等數(shù)據(jù)，迭代到泵出口壓力，可以根據(jù)需要選擇多相流計(jì)算模型，如定向井應(yīng)用Beggs－brill方法［4］。計(jì)算時(shí)需要分別計(jì)算重力壓差和摩阻壓差，分別求和，獲得摩阻壓差和總壓差，根據(jù)泵深Hp設(shè)置迭代步長ΔH和迭代次數(shù)n，迭代i＝1～n。

通常，多相流計(jì)算模型中的壓降計(jì)算模型均包括摩阻壓差Δp1i、重位壓差Δp2i和加速壓差Δp3i這3個(gè)部分［5］；多相流方法的壓力梯度的計(jì)算迭代也存在摩阻壓差Δp1i、重位壓差Δp2i和加速壓差Δp3i的計(jì)算。則可以計(jì)算出泵排出壓力ppout（MPa）、全井筒的總摩阻壓降p1（MPa）、油管摩阻損失功率Pit（kW）、泵輸出功率Ppo（kW）等井筒流動(dòng)參數(shù)。

如果采用了井下伴侶采集泵出口壓力，則由泵出口壓力直接得出揚(yáng)程、舉升高度、摩阻損失等參數(shù)。并通過多相流模型更換氣液比Rs，采用氣液比Rs迭代，實(shí)現(xiàn)壓力的收斂，通過收斂條件反推出實(shí)際氣液比。

沉沒壓力ps（MPa）是影響電泵舉升的重要指標(biāo)參數(shù)，對(duì)于液面測(cè)試的井，則

如果采用毛管測(cè)壓，ps即為泵深處的毛管壓力，如果測(cè)試深度不在泵深，則需要折算成泵深度。對(duì)于套管環(huán)空放氣井，環(huán)空中的壓力折算采用環(huán)空放氣多相流模型進(jìn)行計(jì)算［6］。

1.4 電纜部分損耗計(jì)算

地面電控柜節(jié)點(diǎn)輸入有功功率Pwi（kW）和輸入無功功率PK（kVA）為

無功功率是電纜和電機(jī)共同作用的結(jié)果，代表電纜電機(jī)系統(tǒng)的無功電輸入量，反饋回電網(wǎng)后產(chǎn)生諧波污染，并部分被電網(wǎng)的其他用電設(shè)備吸收，視在功率對(duì)變壓器的選擇和負(fù)載分析有一定的作用。

依據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)電纜型號(hào)，Centrilift公司提供了每304.8m（1 000ft）電纜的電阻和電感參數(shù)［7］，除以304.8就得到每米電阻率Rwm和電感xk。對(duì)于部分只提供電纜截面積的電纜數(shù)據(jù)，可用電纜的每米電阻Rwm來計(jì)算，即

式中，ρ為銅導(dǎo)線電阻率；S為導(dǎo)體截面積。

電纜壓降為

電阻系數(shù)kw是依據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)電纜電阻系數(shù)與溫度之間關(guān)系［8］回歸出的相關(guān)式，式（10）中的是攝氏溫度，可以用井口、井底溫度的平均值計(jì)算。

電纜消耗功率為

1.5 電機(jī)效率計(jì)算

電機(jī)輸入功率Pmi和電機(jī)輸入電壓Umi分別為

電機(jī)部分的損耗構(gòu)成計(jì)算有2種數(shù)據(jù)方法：①地面參數(shù)測(cè)試沒有功率因數(shù)cosφ數(shù)據(jù)的情況，可以應(yīng)用電機(jī)額定功率Pe來估算，如表1所示；②有實(shí)時(shí)功率因數(shù)cosφ的情況，應(yīng)用實(shí)時(shí)功率因數(shù)來計(jì)算，如表2所示。

表1 應(yīng)用電機(jī)負(fù)載率Fm計(jì)算電機(jī)效率ηm分段計(jì)算式

1.5.1 應(yīng)用電機(jī)負(fù)載率Fm計(jì)算電機(jī)效率ηm

根據(jù)美國Centrilift標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)特性曲線［9］和國內(nèi)一般電泵電機(jī)的特性曲線［10］，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，形成所代表的電機(jī)負(fù)載率與電機(jī)效率之間的關(guān)系給出，該方法具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，電機(jī)負(fù)載率定義為Fm（%），已知電機(jī)額定功率Pe，則有

1.5.2 應(yīng)用實(shí)時(shí)功率因數(shù)計(jì)算電機(jī)效率（如表2）

表2 應(yīng)用實(shí)時(shí)功率因數(shù)cosφ計(jì)算電機(jī)效率ηm分段計(jì)算式

則電機(jī)損耗功率ΔPm和泵的輸入功率為

對(duì)于井場(chǎng)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)［11］，由于補(bǔ)償后功率因數(shù)提高，計(jì)算的相關(guān)指標(biāo)也相應(yīng)的變化，達(dá)到節(jié)能的效果。

1.6 舉升指標(biāo)計(jì)算

有效舉升高度Hef（m）、有效功率Pef（kW）、電泵的機(jī)械效率ηp（%）、方液日耗電量Wdq（kW·h）、系統(tǒng)效率η（%）等指標(biāo)計(jì)算式為

電潛泵效率是指電泵的機(jī)械效率，代表泵節(jié)點(diǎn)的能耗指標(biāo)，與傳統(tǒng)的泵效不同，泵效是指泵的實(shí)際排液量和理論排量的比值，泵效不代表泵節(jié)點(diǎn)的能耗指標(biāo)。

2 結(jié)語

依據(jù)以上模型，可以實(shí)時(shí)獲得系統(tǒng)效率與各個(gè)節(jié)點(diǎn)的損耗構(gòu)成分解計(jì)算數(shù)據(jù)。應(yīng)用本模型編制的軟件在油田應(yīng)用20井次。雖然該方法具有一定的經(jīng)驗(yàn)性，但是能夠達(dá)到實(shí)時(shí)獲得電泵舉升系統(tǒng)的能耗構(gòu)成指標(biāo)及動(dòng)態(tài)，基本確定油井的系統(tǒng)損耗構(gòu)成，確定油井的實(shí)時(shí)系統(tǒng)損耗構(gòu)成狀況，為油田的節(jié)能降耗提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

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Calculate Method of Real Time Efficiency and Energy Offshoot of ESP

YUAN Hui，YANG Liu
（Zhanjiang Company，CNOOC Ltd.，Zhanjiang524057，China）

Along with real time attaining of data automatism of wells，aim at reduce electricity consumption，the paper establish a model used electricity parameter，flow rate，tubing pressure，pump pressure，to calculate efficiency and energy offshoot in real time.The model had been used in 20 wells and help the oilfield make clear energy offshoot of ESP wells and sustain decision－making of economizing energy.

electric submersible pump；efficiency；real time；caculation method

1001－3482（2011）12－0045－04

TE928

A

2011－06－15

袁 輝（1977－），男，湖北潛江人，工程師，碩士，主要從事采油工程計(jì)算與管理工作，E－mail：yuanhui＠cnooc.com.cn。pd（MPa）、含水率fw（小數(shù)）、氣油比R5（m3／m3）。