螺桿泵井參數優化技術研究及應用

張乃亮 王炳北

（1.大慶油田有限責任公司第六采油廠工程技術大隊；2.大慶油田有限責任公司第三采油廠規劃設計研究所）

目前，喇嘛甸油田共有螺桿泵井2081 口，平均單井日產液49.2 t，平均單井系統效率31.2%，單井日耗電169.84 kWh。針對螺桿泵井能耗較高的問題，現場對系統控制部分、電動機運行效率、沉沒度、流體黏度、桿柱振動、泵轉子轉速等參數進行測試、分析計算。根據分析計算結果可知：泵型的大小、沉沒度水平的高低、泵轉子轉速的快慢、流體黏度的大小以及電動機功率大小都對系統能耗、效率具有較大的影響。

1 工作參數影響情況分析

對不同轉速下載荷、扭矩、泵效變化情況進行了測試，分析能耗及系統效率的變化情況。

1.1 不同轉速下扭矩工況分析

在6-P293 井測試扭矩，對比了低、中、高不同轉速下扭矩。隨泵轉速的增大，扭矩逐漸增大，由于受液體黏度、定轉子摩擦狀態等不斷變化的影響，桿柱系統的扭矩并非平穩的，而是存在一定的振動，這種振動變化綜合反映了井下桿柱、定轉子等設備運行工況的平穩性；從該井扭矩測試看，在較高轉速范圍（200 r/min 左右）和較低轉速范圍（40～50 r/min）下，設備運行工況明顯不 如120～150 r/min 轉速運行范圍平穩。

1.2 不同轉速下油井能耗

現場分別測試從40～210 r/min 不同轉速下的油井有功消耗。隨轉速的增大，螺桿泵的能耗逐漸上升。不同轉速范圍下增加單位轉速的能耗變化表明：在較高轉速范圍內，增加單位轉速而增加的能耗要比較低轉速范圍內的大，說明在滿足生產需要的條件下應在較低范圍內調整抽汲參數，降低運行能耗。

1.3 載荷隨轉速變化

6-P2428井測試數據表明，當轉速低于160 r/min時轉速與扭矩和軸向力基本呈線性關系，當轉速超過160 r/min 時扭矩和軸向力大幅度上升。

1.4 不同沉沒度下能耗、系統效率變化

7-2818 井不同轉速下能耗、液面的測試數據表明，隨轉速的增大產液、能耗、百米噸液耗電等都在逐漸增加，當沉沒度位于310 m 時，此時百米噸液耗電最低為0.55 kWh，系統效率達最高，之后隨著轉速的增加百米噸液耗電隨之增加，而系統效率隨之降低。

2 優化計算模型

2.1 油井產量的確定

取得單井的IPR 曲線。根據油田開發正常生產時的產液量Q，確定井底流壓。并根據油井實際產液能力及參照相關歷史數據，確定油井的最大產液量Qmax。

1）泵入口壓力。以井底為起點，以井底流壓為初值，向上計算，得到壓力與任意下泵深度L 之間的關系：

式中：

p——泵入口壓力，MPa；

L——任意下泵深度，km；

LL——油層中部深度，km；

pwf——井底流壓，MPa。

2）泵出口壓力。取井口出油管處的油管截面和泵出口處所在的截面為緩變流斷面，取泵出口所在的平面為基準面，列寫液體能量方程（伯努力方程）：

式中：

p1——螺桿泵出口壓力， MPa；

Hp——螺桿泵定子長度，m；

h ——液體沿油管向上流動時的沿程阻力損失，m。

2.2 泵型的選擇[2-3]

根據現場經驗，選定nL個不同下泵深度。

對于每一個下泵深度，計算泵吸入口、出口壓力，得到泵的揚程或泵出入口壓差：

式中：

Δp——螺桿泵出口和入口的壓差，MPa。

泵效由下式計算：

式中：

Bo——原油體積系數；

fw——井液含水率，%；

ρo——原油密度，kg/m3；

ρw——水密度，kg/m3；

pb——飽和壓力，MPa；

Rp——生產氣油體積比；

Tp——吸入口處流體溫度，℃；

Z ——天然氣壓縮因子。

螺桿泵的實際理論流量與最大理論流量分別為

根據泵的實際理論排量Qth、最大理論排量Qth,max和泵每轉排量確定螺桿泵的正常生產轉速和最大生產轉速：

式中：

n——螺桿泵轉子轉速，r/min；

nmax——螺桿泵轉子最大轉速，r/min；

qr——螺桿泵轉子每轉理論排量，m3/r。

2.3 功率扭矩計算模型[1]

根據井液物性參數、泵的轉速、泵進出口壓差和產液量等參數，計算光桿扭矩、光桿功率、電動機輸出輸入功率。

1）光桿扭矩

式 中： M1，M2，M3，M4，M5——分 別 為 螺 桿的有功扭矩、襯套與螺桿間的摩擦扭矩、抽油桿與井液的摩擦扭矩、抽油桿與油管間的摩擦扭矩、抽油桿的慣性扭矩，N·m。

螺桿泵工作時通過螺桿—襯套副的作用，將螺桿的機械能轉化成流體的壓能，每轉的能量轉化關系為：

式中： Mo，Mr，Ms——分別為襯套與螺桿間的初始過盈所產生的摩擦扭矩、由襯套熱脹而產生的摩擦扭矩、由襯套溶脹而產生的摩擦扭矩。

式中：

μ——流體黏度，mPa·s；

r1——抽油桿半徑，m；

r2——油管內半徑，m。

式中：

Dr——抽油桿接箍直徑，m；

ρr—抽油桿材料的密度，kg/m；

Dp—螺桿轉子截面直徑，m；

f —摩擦系數；

α—井斜角。

式中：

dout——抽油桿外徑，m；

din——抽油桿內徑，m；

m——單位長度抽油桿柱質量，kg/m；

t——啟動或停泵時間，s。

2）光桿功率

式中：

Ppr——光桿功率，kW；

Ppr,max——最大轉速下的光桿功率，kW。

3）電動機功率

式中：

Prc——實際轉速下所需電動機額定功率，kW；

ηr——電動機額定效率，kW；

k——動力儲備系數。

2.4 系統效率

1）系統輸出功率

式中：

Nout——螺桿泵采油系統輸出功率，kW。

2）系統輸入功率

計算系統效率時，應根據實際產量計算系統輸入功率

式中：

Nin——電動機輸入功率，kW；

ηm——電動機工作效率。

3）系統效率

式中：

η——螺桿泵井系統效率。

2.5 數學模型的驗證

根據所建立的數學模型，對25 口井進行了有功功率、系統效率的預測計算，并將計算結果與現場實測數據進行了對比。對比數據表明有功功率的實測與計算相對誤差在±10%以內，個別井如F0050170、F0080111 相對誤差為-0.1%；絕大多數油井系統效率誤差值在±5%以內，因此理論分析所建立的數學模型具有較高的預測計算準確度。

3 參數優化設計軟件開發

設計條件（已知參數) ：產液量、含水率、動液面、油層中深、原油密度、流壓、油層溫度、地面流體溫度、溶解系數。

設計參數(求解參數）：電動機功率、管徑、泵掛、泵型、桿柱鋼級、桿柱組合、轉速。

根據所建立的數學模型，編制了螺桿泵井參數優化設計軟件。根據優化設計軟件計算出不同泵型、不同下泵深度、不同抽油桿直徑組合方案下螺桿泵井裝機功率、系統效率、有功功率等優化結果，選出最優的設計方案。

4 現場實施及應用效果

根據現場測試數據，應用優化軟件對50 口螺桿泵井進行了參數優化設計。措施后測試數據表明，單井有功功率下降了0.58 kW，百米噸液耗電下降了0.29 kWh，系統效率提高了7.25%，見表1。

表1 優化效果統計

5 結論及認識

1）根據現場測試數據以及優化計算結果分析總結了轉速、下泵深度等參數對能耗、系統效率的影響規律、影響程度。

2）根據現場測試及理論分析計算，建立了以系統效率最高為目標函數的螺桿泵工作參數優化設計方法，具有較高的預測與計算準確度。

3）螺桿泵井參數優化技術可有效降低電能消耗，提高系統效率水平，取得較好的應用效果，為螺桿泵井節能降耗提供了技術支持。

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[2]奚國志,宋廣俊,白振冰.螺桿泵生產允許最低沉沒度的確定[J].油氣田地面工程,2007:35-36.

[3]晏祥慧,齊明俠.螺桿泵井抽油桿泵優選及分析系統[J].石油礦場機械,2005:40-41.