Sop-PGP 氣體處理器方案研究

郉厚偉，郝 杰，宋詩光，吳 頻

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

潛油電泵的應用為原油的快速開采提供了非常有效的途徑，實際使用過程中由于氣體影響，使潛油電泵的應用受到限制。石油是一種復雜的碳氫化合物的混合物，在井下高溫、高壓狀態下，是以油、氣、水三相混合的狀態存在，當地層環境壓力低于泡點壓力時，氣體從原油中游離出來，以游離氣體的方式存在。

潛油電泵運轉時，吸入口處壓力降低，自由氣體游離出來，進入潛油電泵。由于氣體和液體的密度差別，液體在葉輪離心力的作用下獲得能量，進入下一級葉輪；而離心力對氣體的作用很小，氣體從井液中分離出來，在泵中存留，在葉輪入口處占據一定空間，直接影響進入泵的液體量。隨著氣體不斷積累，嚴重時會導致氣鎖，使泵失效。另外，當液體流過葉輪時，壓強會發生變化，引起氣蝕。氣蝕不僅會降低泵效，而且會使葉片受損，使泵過早失效。

目前潛油電泵氣體處理方法是使用油氣分離器，氣體分離效果有限，可處理油氣井氣體最高含量為30%。當氣體含量超過30%，分離器的作用會變得微乎其微，潛油電泵的應用受到限制。

1 氣體處理器研究方向及目標

氣體處理器（Powerlift Gas Pump，PGP）軸流式扭曲葉片設計、葉導輪輪轂變徑結構設計，以及采用反向鎖緊螺母技術的泵的整體壓緊式結構設計；氣體處理器可處理油井中最高氣體體積分數（Gas Volumetric Fraction，GVF）達到70%。

2 技術研究方法及原理

應用環境決定了Sop-PGP 系列氣體處理器具有類似潛油泵的外形。它的處理對象性質決定了其具體結構。與油氣分離器完全相反的設計理念使它成為一種新的泵類產品。

環境變化使得井液中氣體逸出。潛油泵運轉時，井液壓力沿著泵入口到葉輪入口而下降，在葉片入口井液壓力最低。此后由于葉輪對液體做功，液體壓力很快上升。當葉輪葉片入口附近壓力低于泡點壓力時，溶解在井液中的氣體逸出，形成許多氣泡，氣化的區域阻礙了液體流動，限制了泵的排量。當氣泡隨液體流到流道內壓力較高處時，由于此時壓力高于泡點壓力，氣泡急劇凝結消失。因氣泡消失產生局部真空，周圍的液體就以極高的速度沖向氣泡中心，瞬間產生了極大的局部沖擊力，局部溫度驟升，造成葉輪氣蝕，并且使泵產生振動，發出噪聲。

潛油泵發生氣蝕時，葉輪內井液的能量交換受到干擾、破壞，表現為流量-揚程曲線、流量-功率曲線、流量-效率曲線下降。潛油泵最易發生氣蝕的部位有：①第一級葉輪；②葉輪曲率最大的前蓋板處，靠近葉片進口邊緣的低壓側（從旋轉方向看）；③導輪靠近進口邊緣低壓側。

解決潛油泵氣蝕產生的關鍵在于提高葉輪的攜氣能力，氣體處理器的葉導輪采用軸流式設計，攜氣能力較好。當井液進入葉輪，沒有離心力的作用，液體和氣體不會分離，液體將氣體包裹起來。因葉輪的軸向舉升而向上運動，葉輪的軸面流線采用變徑形式，由入口到出口逐漸收縮，流經的氣液受到壓縮。使部分游離出的氣體重新溶入井液，通過導輪整流進入下一級葉輪。通過氣體處理器多級葉導輪的遞送，井液中的氣體含量逐漸減少，進入潛油泵的井液含氣量更少且壓力高于泡點壓力，避免了氣蝕或氣鎖的發生。當井液通過潛油泵加壓，進入油管時，在流動過程中，壓力逐漸減小，當低于泡點壓力時，大量氣泡逸出，起到氣舉作用，加快井液舉升。

3 參數設計

經過計算比對現有各型號葉導輪水力參數，得出若泵軸輸入功率在55.125 kW（75 HP），葉導輪總體級高不超過4 m，可試驗各系列泵。

泵出口壓力不會超過20 MPa。因此，選用電機功率不低于55.125 kW（75 HP），泵長約為5 m，出口壓力表壓力承載大于20 MPa。結合實際使用的潛油電機情況，最終電機選擇Y280S-2型三相異步電機，額定功率75 kW，同步轉速3000 r/min，滿載轉速2970 r/min、電流140 A、效率91.5%、功率因數0.89。

由于轉矩傳感器的要求較高，選擇Lebow Products Inc.生產的1604-2K 型轉矩傳感器。該傳感器具有高精度和高過載保護能力，可以在較高過載時依然保持很好的信號輸出。流量計選擇Emerson 公司生產的DS300 型Micro Motion 流量計，該流量計能夠為幾乎任何過程流體提供高精度的流量和密度測量，流體中可含有各種雜質。同一臺流量計能為液體、氣體和漿液提供直接的質量和體積流量測量，無需重新標定。其他設備結構參數選擇按相應要求選擇。

4 功率、揚程、排量測量的實現

由于泵的抽吸作用，介質由水箱流出，經供水管線、吸入口、注氣室、泵、高壓閥及回水管線返回水箱。壓力表安裝于吸入口及高壓閥接箍處，通過壓力轉換可以得到揚程。安裝于供水管線上流量計讀數為供水量，供氣管線上的流量計讀數為供氣量，測量相應位置溫度及壓力，經換算得到排量。電機與止推室之間的轉矩傳感器可以測量轉矩及轉速，通過轉矩可以得到相應轉速下的功率。使用數據傳輸線連接各儀表及傳感器與數據采集卡，數據采集卡連接電腦。編寫相應測試程序，實現計算機直接測量參數。

5 技術創新點

（1）PGP 的葉導輪葉片采用軸流式扭曲結構，攜氣能力較強。葉輪輪轂柱面采用變徑形式，使入口過流面積遠大于出口過流面積，使井液中的游離氣體受到壓縮，氣泡體積減小或溶入液體中。經多級葉導輪的作用，井液進入潛油泵后，潛油泵發生氣鎖、氣蝕的可能性大大減小。

（2）PGP 采用整體壓緊式結構，采用反向旋轉鎖緊螺母及半環，對葉輪及軸進行鎖緊固定，確保運轉時，葉輪、導輪間無磨損，延長使用壽命。

6 Sop-PGP 氣體處理器測試

利用潛油電泵水平測試系統對一臺樣機進行測試，得到PGP 水介質下性能曲線和PGP 處理氣體能力曲線。根據PGP 水介質下性能曲線，可以發現PGP 的水力性能已完全達到預期指標；根據PGP 處理氣體能力曲線，可以發現PGP 的氣體處理能力也已達到預期指標。考慮到實際應用時，PGP 入口壓力要大于試驗時入口壓力，PGP 在實際應用時處理氣體的效果會更好。

7 推廣應用前景

Sop-PGP 氣體處理器可以有效減少氣體對潛油泵性能的影響，有效避免潛油泵發生氣鎖或氣蝕，保證泵高效運行，延長泵的壽命，提高采油量，增加收益。氣體處理器的應用擴大了潛油電泵的應用范圍，以前因含氣量高而無法應用潛油電泵進行開采的油井，應用氣體處理器后，使潛油電泵采油變為可能。氣體處理器豐富公司產品種類，提高公司市場競爭力。

目前，印尼已有10 口井有意向使用氣體處理器，印尼高含氣井數量很大，氣體處理器在印尼有廣闊市場。在國內，冀東油田和新疆油田都有高含氣井，冀東南堡油田已應用近千套。高含氣井因氣體對采油機械影響很大，致使采油量有限，甚至無法開采。Sop-PGP 系列氣體處理器的應用，使得潛油電泵大規模開采高含氣井成為可能。