電潛泵井舉升優化設計研究

劉黎剛，江厚順

（長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100）

隨著油田進入高含水期，電潛泵由于具有排量大、地面設備及井下傳遞能量方式簡單等優點而得到比較廣泛的應用。如何全面掌握電潛泵井的工況，挖掘油井潛力、保證設備有效工作，提高生產管理的技術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程高、排量范圍廣、管理簡便、泵效相對較高、檢泵周期長等優點，能夠適應油田提潛液力的需要，從而以最快的方式、最好的經濟效益來開發油田，減少油田開發過程中的投入成本。

1 電潛泵舉升系統設計方法

電泵舉升系統設計方法分為定產量設計、不定產量設計和供排協調分析設計。

定產量設計：以地層供液能力為基礎，畫出IPR曲線，選取設計產量，應用節點分析方法，可以自動或人工優選電潛泵、電動機、電纜、變壓器等設備。

不定產量設計：以地層供液能力為基礎，繪制出不同Pr或J時下泵深度與產量關系，自動或人工優選電潛泵、電動機、電纜、變壓器等設備。

供排協調分析設計：是以地層供液能力為基礎，畫出IPR曲線，選取設計產量，自動優選出電潛泵泵型，繪制出產量功率級數關系曲線，根據設計產量計算泵的工作參數，進而自動或人工優選電動機、電纜、變壓器等設備。

2 舉升設備選擇

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含水率來確定。

根據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—轉抽方案所要求的泵抽生產時的流壓，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的水力損失最小，泵效最高。選擇泵型時，應使所選泵型的額定排量與產液量差值最小，且產液量應在高效范圍之內。

2.2 確定泵級數和泵功率

在電泵入口到出口之間，泵內流體的體積、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，分別進行計算。

2.2.1 級數確定 當液體和氣體同時泵送時，泵的排量及相應產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而發生變化。泵所產生的壓力微分形式如下：

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

在一定溫度、壓力點處的油、氣、水總體積為：

式中：Qsc—產液量；VF（p，t）—在溫度、壓力下的體積系數。

在一定溫度、壓力點處的油、氣、水總質量為：

式中：GIP—進泵氣體分數；Rsi—泵入口處溶解油氣比；在一定溫度、壓力點處的壓力梯度為：

總的級數可以通過下式積分求得：

級數計算步驟：

（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，計算第i（0≤i≤n）段的油氣水體積V（i）、總質量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體積下的單級揚程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，計算第i（0≤i≤n）段的油氣水體積V（i）、總質量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體積下的單級揚程h（V（i））；

2.3 選擇電動機

用上述方法計算出的泵功率為電動機在正常工作下要求的輸出軸功率。電動機的選擇取決于泵所需要的功率和套管尺寸。在最終選擇電動機功率時，要考慮分離器和保護器的機械損耗功率，每級分離器的機械損耗功率為1～1.5 kW，每級保護器的機械損耗功率為1 kW，同時還要考慮到電動機在對壓井液卸載時的工作情況。套管的規定決定了泵和電動機的最大外徑。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。

2.4 選擇電纜

潛油電纜的規格直接關系到潛油電泵機組能否在最佳狀態和最經濟條件下運行。電纜型號可以根據井底溫度、電機功率、電壓和電流進行選擇。電纜的壓降損失和功率損失與電纜的截面積和長度有關，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 現場實例

XX區塊電潛泵采油井中應用的電潛泵有2種泵型，一種泵的額定排量為60 m3/d，應用于M3井；另一種泵的額定排量為80 m3/d，應用于M2井、M1井及M4井。電泵生產參數（見表1）。根據該區塊電泵井的生產情況，計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區塊電泵生產參數表

表2 XX區塊部分電泵井計算結果

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

4 優化設計結果

這里使用了PIPESIM軟件，建立M4油井簡單井模型，設計產量分別為50 m3/d、60 m3/d，通過調節不同含水率，得出M4井的單井設計（見表3）。

本次設計主要選用Reda公司的D400和DN675兩種泵型，通過分析得出，當設計產量為50 m3/d時，剛好處于D400泵合理上下限31.8～87.44 m3/d范圍內；當設計產量為60 m3/d時，剛好處于DN675泵合理上下限50.88～131.96 m3/d范圍內。與原來泵相比，設計的電潛泵在受產液量、泵效、含水率等因素影響上達到了舉升優化要求。

5 結論及認識

（1）利用電潛泵井生產宏觀控制圖中可以篩選出XX區塊潛力井，即在工況欠合理區的井。對這些電泵井優化設計，可以達到提高電泵井系統效率，降低電能損耗的目的。

（2）通過電泵井優化設計，在泵效，排量等參數的合理值范圍內，電泵井都達到了提液的目的。

表3 電潛泵井設計表

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

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