電潛泵井舉升優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉黎剛，江厚順

（長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100）

隨著油田進(jìn)入高含水期，電潛泵由于具有排量大、地面設(shè)備及井下傳遞能量方式簡單等優(yōu)點(diǎn)而得到比較廣泛的應(yīng)用。如何全面掌握電潛泵井的工況，挖掘油井潛力、保證設(shè)備有效工作，提高生產(chǎn)管理的技術(shù)水平就顯得非常重要。電潛泵與其他舉升方式相比具有舉升揚(yáng)程高、排量范圍廣、管理簡便、泵效相對較高、檢泵周期長等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)油田提潛液力的需要，從而以最快的方式、最好的經(jīng)濟(jì)效益來開發(fā)油田，減少油田開發(fā)過程中的投入成本。

1 電潛泵舉升系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

電泵舉升系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法分為定產(chǎn)量設(shè)計(jì)、不定產(chǎn)量設(shè)計(jì)和供排協(xié)調(diào)分析設(shè)計(jì)。

定產(chǎn)量設(shè)計(jì)：以地層供液能力為基礎(chǔ)，畫出IPR曲線，選取設(shè)計(jì)產(chǎn)量，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)分析方法，可以自動或人工優(yōu)選電潛泵、電動機(jī)、電纜、變壓器等設(shè)備。

不定產(chǎn)量設(shè)計(jì)：以地層供液能力為基礎(chǔ)，繪制出不同Pr或J時下泵深度與產(chǎn)量關(guān)系，自動或人工優(yōu)選電潛泵、電動機(jī)、電纜、變壓器等設(shè)備。

供排協(xié)調(diào)分析設(shè)計(jì)：是以地層供液能力為基礎(chǔ)，畫出IPR曲線，選取設(shè)計(jì)產(chǎn)量，自動優(yōu)選出電潛泵泵型，繪制出產(chǎn)量功率級數(shù)關(guān)系曲線，根據(jù)設(shè)計(jì)產(chǎn)量計(jì)算泵的工作參數(shù)，進(jìn)而自動或人工優(yōu)選電動機(jī)、電纜、變壓器等設(shè)備。

2 舉升設(shè)備選擇

2.1 泵掛深度和泵型確定

要確定合理的泵掛深度，首先必須確定泵吸入口壓力，由于電動潛油泵是離心泵類，要求有足夠的泵口沉沒壓力，泵吸入口壓力可以根據(jù)含水率來確定。

根據(jù)沉沒壓力可求得折算沉沒度：

式中：hs—折算沉沒度，m；γl—井液重度，N/m3；ps—沉沒壓力，Pa。

由開發(fā)方案所要求流壓的折算動液面：

式中：Lfc—折算動液面深度，m；H—油層中部深度，m；Pwf—轉(zhuǎn)抽方案所要求的泵抽生產(chǎn)時的流壓，Pa。

泵深等于動液面加沉沒度，即：

由離心泵的特性可知，泵在額定流量工作時葉輪流道內(nèi)的水力損失最小，泵效最高。選擇泵型時，應(yīng)使所選泵型的額定排量與產(chǎn)液量差值最小，且產(chǎn)液量應(yīng)在高效范圍之內(nèi)。

2.2 確定泵級數(shù)和泵功率

在電泵入口到出口之間，泵內(nèi)流體的體積、密度隨壓力改變，因此需將泵吸入口到排出口之間的壓力分成多段，分別進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 級數(shù)確定 當(dāng)液體和氣體同時泵送時，泵的排量及相應(yīng)產(chǎn)生的每級壓頭和梯度會隨著流體從吸入值P1升高到排出值P2而發(fā)生變化。泵所產(chǎn)生的壓力微分形式如下：

式中：dp—泵所產(chǎn)生的壓差的微分；h（V）—每級壓頭；Gf（V）—泵送流體的梯度；d（St）—泵級數(shù)的微分。

在一定溫度、壓力點(diǎn)處的油、氣、水總體積為：

式中：Qsc—產(chǎn)液量；VF（p，t）—在溫度、壓力下的體積系數(shù)。

在一定溫度、壓力點(diǎn)處的油、氣、水總質(zhì)量為：

式中：GIP—進(jìn)泵氣體分?jǐn)?shù)；Rsi—泵入口處溶解油氣比；在一定溫度、壓力點(diǎn)處的壓力梯度為：

總的級數(shù)可以通過下式積分求得：

級數(shù)計(jì)算步驟：

（1）確定泵吸入口和排出口之間的壓力差，Δp=poutpin；

（2）選擇壓力增值 dp=Δp/n；

（3）從泵吸入口開始，計(jì)算第i（0≤i≤n）段的油氣水體積V（i）、總質(zhì)量Gm（i）、壓力梯度Gf（i）通過在所選泵特性曲線中插值求出對應(yīng)體積下的單級揚(yáng)程h（V（i））；

2.2.2 功率的確定 由于每級功率、流體的相對密度和級數(shù)取決于不同的排量V，所需功率的微分公式可寫成：

其中：γf（V）＝Gmg/V

式中：g—重力加速度。

總的功率通過下式積分求得：

計(jì)算步驟：

（1）確定泵吸入口和排出口之間的壓力差Δp=poutpin；

（2）選擇壓力增值 dp=Δp/n；

（3）從泵吸入口開始，計(jì)算第i（0≤i≤n）段的油氣水體積V（i）、總質(zhì)量Gm（i）、壓力梯度Gf（i）并通過在所選泵特性曲線中插值求出對應(yīng)體積下的單級揚(yáng)程h（V（i））；

2.3 選擇電動機(jī)

用上述方法計(jì)算出的泵功率為電動機(jī)在正常工作下要求的輸出軸功率。電動機(jī)的選擇取決于泵所需要的功率和套管尺寸。在最終選擇電動機(jī)功率時，要考慮分離器和保護(hù)器的機(jī)械損耗功率，每級分離器的機(jī)械損耗功率為1～1.5 kW，每級保護(hù)器的機(jī)械損耗功率為1 kW，同時還要考慮到電動機(jī)在對壓井液卸載時的工作情況。套管的規(guī)定決定了泵和電動機(jī)的最大外徑。在套管允許的情況下，要盡可能地選擇具有合適排量的最大直徑的電動機(jī)。

2.4 選擇電纜

潛油電纜的規(guī)格直接關(guān)系到潛油電泵機(jī)組能否在最佳狀態(tài)和最經(jīng)濟(jì)條件下運(yùn)行。電纜型號可以根據(jù)井底溫度、電機(jī)功率、電壓和電流進(jìn)行選擇。電纜的壓降損失和功率損失與電纜的截面積和長度有關(guān)，其電力損失直接影響采油成本。所以在選擇電纜時，盡可能選用截面積比較大的電纜。

3 現(xiàn)場實(shí)例

XX區(qū)塊電潛泵采油井中應(yīng)用的電潛泵有2種泵型，一種泵的額定排量為60 m3/d，應(yīng)用于M3井；另一種泵的額定排量為80 m3/d，應(yīng)用于M2井、M1井及M4井。電泵生產(chǎn)參數(shù)（見表1）。根據(jù)該區(qū)塊電泵井的生產(chǎn)情況，計(jì)算出相對流壓和排量效率（見表2），并繪制出宏觀控制圖（見圖1）。

表1 XX區(qū)塊電泵生產(chǎn)參數(shù)表

表2 XX區(qū)塊部分電泵井計(jì)算結(jié)果

可知落在工況欠合理區(qū)的井有2口，是M2、M4，其實(shí)工況不合理區(qū)也可以叫潛力區(qū)；落在供液不足區(qū)的有2口，是M1、M3，供液不足區(qū)也可以叫欠載區(qū)。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

這里使用了PIPESIM軟件，建立M4油井簡單井模型，設(shè)計(jì)產(chǎn)量分別為50 m3/d、60 m3/d，通過調(diào)節(jié)不同含水率，得出M4井的單井設(shè)計(jì)（見表3）。

本次設(shè)計(jì)主要選用Reda公司的D400和DN675兩種泵型，通過分析得出，當(dāng)設(shè)計(jì)產(chǎn)量為50 m3/d時，剛好處于D400泵合理上下限31.8～87.44 m3/d范圍內(nèi)；當(dāng)設(shè)計(jì)產(chǎn)量為60 m3/d時，剛好處于DN675泵合理上下限50.88～131.96 m3/d范圍內(nèi)。與原來泵相比，設(shè)計(jì)的電潛泵在受產(chǎn)液量、泵效、含水率等因素影響上達(dá)到了舉升優(yōu)化要求。

5 結(jié)論及認(rèn)識

（1）利用電潛泵井生產(chǎn)宏觀控制圖中可以篩選出XX區(qū)塊潛力井，即在工況欠合理區(qū)的井。對這些電泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以達(dá)到提高電泵井系統(tǒng)效率，降低電能損耗的目的。

（2）通過電泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)，在泵效，排量等參數(shù)的合理值范圍內(nèi)，電泵井都達(dá)到了提液的目的。

表3 電潛泵井設(shè)計(jì)表

（3）根據(jù)油井不同含水率，不同的產(chǎn)量要求，可以選擇最合理的電潛泵來提高采油系統(tǒng)效率。

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