潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化

屈文濤，馬加尚，孫艷萍，鄒 偉

（西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安710065）

潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化

屈文濤，馬加尚，孫艷萍，鄒 偉

（西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安710065）

運用節(jié)點分析和最優(yōu)化方法，結(jié)合油井供液能力、螺桿泵工作特性和采油系統(tǒng)的協(xié)調(diào)條件，研究潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)合理的生產(chǎn)參數(shù)。以系統(tǒng)效率為最優(yōu)目標(biāo)，建立潛油直驅(qū)螺桿泵效率優(yōu)化設(shè)計模型，通過Matlab軟件編制潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化程序，從而快速、準(zhǔn)確地確定合理下泵深度和螺桿泵最佳轉(zhuǎn)速。優(yōu)化結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相符，表明所編制的優(yōu)化程序是可行的。

潛油電泵；螺桿泵；效率；優(yōu)化設(shè)計

潛油直驅(qū)螺桿泵是將動力源置于井下，應(yīng)用可無極調(diào)速的永磁同步電動機(jī)，通過保護(hù)器和柔性軸連接來驅(qū)動螺桿泵，從根本上解決了地面驅(qū)動螺桿泵因偏心距引起的桿管偏磨和潛油螺桿泵減速器體積受限、承受轉(zhuǎn)矩大、減速器易出現(xiàn)故障等問題［1-2］。國內(nèi)外還沒有開展?jié)撚椭彬?qū)螺桿泵采油系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)研究工作。本文采用節(jié)點系統(tǒng)分析法和以系統(tǒng)效率為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化方法，從而快速、準(zhǔn)確地確定合理下泵深度和螺桿泵最佳轉(zhuǎn)速。

1 節(jié)點系統(tǒng)劃分

采用節(jié)點系統(tǒng)分析法把潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)劃分為原油入井流動子系統(tǒng)、潛油直驅(qū)螺桿泵子系統(tǒng)、井筒流動子系統(tǒng)和井口子系統(tǒng)［3］。其中4個節(jié)點為井底射流孔中段節(jié)點、泵入口節(jié)點、泵出口節(jié)點和井口節(jié)點，如圖1所示。

油層、井筒和采油設(shè)備的協(xié)調(diào)條件：

1） 質(zhì)量守恒。油層生產(chǎn)的混合液、井筒流動的混合液和潛油直驅(qū)螺桿泵進(jìn)、出口排量的質(zhì)量流量相同。

2） 能量守恒。井底流壓與流體在井筒中的起始壓力相等；由井底到泵入口處流體的剩余壓力與泵的入口壓力相等；泵出口壓力為井口壓力與油管流體的壓降之和；泵入口壓力為井口套壓與油套環(huán)空的流體壓降之和。

圖1 潛油直驅(qū)螺桿泵油井生產(chǎn)系統(tǒng)節(jié)點劃分示意

2 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計模型

潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，是在油井能夠滿足供液能力和符合螺桿泵工作特性曲線的基礎(chǔ)上［4］，以系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)，確定出最優(yōu)的下泵深度和轉(zhuǎn)速。影響系統(tǒng)效率的參數(shù)有很多［5-6］，但就潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性來講，系統(tǒng)效率指螺桿泵泵效與機(jī)械效率的乘積。

2.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)的最大效率為

式中：ηmax為最大系統(tǒng)效率，%；Ql為泵的漏失量，m3；Qt＝5 760enijDT，為螺桿泵吸入泵腔內(nèi)油氣水混合物的體積，m3；Li為不同的下泵深度，m；nij為下泵深度為Li時不同的螺桿泵轉(zhuǎn)速，r／min；e，D，T為螺桿泵自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，m；ηN為電機(jī)額定效率；β為電機(jī)瞬時利用率，β＝Pm／PN；P0，Pm，PN分別是電機(jī)空耗功率、電機(jī)輸出功率和電機(jī)額定功率，k W；pc為套壓，MPa；pwf為井底流壓，MPa；δ為定轉(zhuǎn)子嚙合線間的間隙，m；l為嚙合線處的縫隙長度，m；r為為油管半徑，mm；R為套管半徑 mm；ρ，ρ0，ρw分別是混合液體密度、原油密度和水的密度，ρ＝ρ0（1－fw）＋ρw fw，kg／m3；fw為含水率，%。

在涉及該優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的所有參數(shù)中，基于潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的前提下，需要調(diào)整的參數(shù)有泵漏失量Ql、螺桿泵吸入泵腔內(nèi)油氣水混合物的體積Qt、下泵深度Li和螺桿泵轉(zhuǎn)速nij，其中影響系統(tǒng)效率η最大的參數(shù)為下泵深度Li和螺桿泵轉(zhuǎn)速nij，其余參數(shù)因油井和潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)的選定而成為定值。

2.2 約束條件

1） 油井產(chǎn)液量必須小于井下地質(zhì)供液能力，大于生產(chǎn)給定的最小產(chǎn)液值，即Q0≤Qt≤Qmax，m3／d，式中，Q0為給定最小產(chǎn)液量。

2） 由螺桿泵特性曲線及其工作區(qū)域可知［7］，盡量將工況點落在螺桿泵高效區(qū)內(nèi)，此時螺桿泵效大于50%，即ηv≥50%。

3） 實際下泵深度Li不大于油層中部深度LL，大于600 m，即600＜Li≤LL，m 。

4） 轉(zhuǎn)速對螺桿泵水力特性的影響至關(guān)重要［8］，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，容積效率也較高，而機(jī)械效率稍低，決定著系統(tǒng)效率的變化。確定合理的轉(zhuǎn)速范圍，應(yīng)選取螺桿泵額定轉(zhuǎn)速范圍，即0＜nij＜nN，式中nN為螺桿泵額定轉(zhuǎn)速，r／min。

3 優(yōu)化設(shè)計程序及具體步驟

根據(jù)上述采油系統(tǒng)節(jié)點劃分，求解出泵吸入口和排出口的壓差。分別以井口和井底射孔中段兩節(jié)點為起始點，結(jié)合多相管流壓降有關(guān)計算公式便可求解出泵進(jìn)出口兩端的壓差，然后推算出在不同下泵深度時不同轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的螺桿泵泵效和機(jī)械效率，從而實現(xiàn)以系統(tǒng)效率為最優(yōu)目標(biāo)，確定合理的下泵深度和螺桿泵轉(zhuǎn)速。優(yōu)化設(shè)計程序框圖如圖2。

圖2 潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)效率優(yōu)化設(shè)計程序框圖

4 應(yīng)用實例

應(yīng)用Matlab軟件編制了潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)效率優(yōu)化程序，結(jié)合某水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。其生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 某水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)

應(yīng)用該優(yōu)化程序?qū)δ乘M(jìn)行優(yōu)化，將程序中螺桿泵轉(zhuǎn)速調(diào)整步長設(shè)置為10 r／min，下泵深度調(diào)整步長設(shè)置為30 m。通過對應(yīng)用程序流程中所記錄下的信息進(jìn)行整理，得到不同下泵深度時不同轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的系統(tǒng)效率曲線，如圖3所示。ZQLB40-40型螺桿泵推介轉(zhuǎn)速為65～266 r／min，各下泵深度起始轉(zhuǎn)速設(shè)置為65 r／min。

圖3 不同下泵深度時轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)效率的關(guān)系曲線

5 結(jié)論

1） 在下泵深度1 356～1 506 m，采油系統(tǒng)效率是逐漸增加的。在下泵深度1 506～1 626 m，采油系統(tǒng)效率逐漸降低。由于受到產(chǎn)液量、泵效、螺桿泵轉(zhuǎn)速等約束條件的制約，下泵深度不同，各轉(zhuǎn)速對應(yīng)的系統(tǒng)效率曲線長度、撓度不相同。

2） 當(dāng)潛油直驅(qū)螺桿泵下泵深度定為1 506 m，轉(zhuǎn)速定為155～175 r／min時，系統(tǒng)效率為最優(yōu)。

3） 現(xiàn)場實測效率值與優(yōu)化結(jié)果的誤差為4%，在工程允許范圍，表明所編制的潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化程序是可行的。

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Production System Parameters Opti mization of Direct-drive Electric Submersible Progressing Cavity Pump

QU Wen-tao，MA Jia-shang，SUN Yan-ping，ZOU Wei
（School of Mechanical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

By using node analysis and opti mization met hod，co mbing t he liquid supply ability，t he progressing cavity pu mp working characteristics and the wor king coor dination of the production system，t he reasonable pr oduction para meters of t he directive-drive electric sub mersible pr ogressing cavity pu mp systemis researched.Based on the opti mal target of the systemefficiency，the efficiency opti mization design model of t he directive-drive electric sub mersible progressing cavity pu mp is built，the procedure f or opti mizing the production parameters of the directive-drive electric sub mersible pr ogressing cavity pu mp pr oduction systemis written by matlab soft ware，which can quickly，accurately deter mine the rational pu mp depth and rotational speed of the progressing cavity pu mp.The result is line with t he field data，which shows t he procedure written is f easible.

electric sub mersible pu mp；progressing cavity pu mp；efficiency；opti mization design

TE933.307

A

1001-3482（2014）06-0042-03

2013-12-18

陜西省自然科學(xué)基金“單螺桿式水力機(jī)械轉(zhuǎn)子線型幾何理論研究”（SJ08A29）

屈文濤（1970-），男，山東臨邑人，教授，現(xiàn)從事螺桿式水力機(jī)械及其配套技術(shù)研究，E-mail：hx991030＠163.co m。