基于C語言的螺桿泵采油系統(tǒng)優(yōu)化研究

李瑞英，吳春梅，姜赫，董云峰，王艷芹

（大慶師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江大慶，163712）

1 研究背景現(xiàn)狀及意義

螺桿泵采油是目前大慶油田注水后期生產(chǎn)井最經(jīng)濟(jì)高效的人工舉升方法之一，比較適合于稠油、低產(chǎn)和出砂油田的開發(fā)使用，近年來的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，截止2019年底，大慶油田螺桿泵井已達(dá)9000口左右。隨著油田開發(fā)形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，以及螺桿泵的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，螺桿泵井系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化水平對(duì)生產(chǎn)效果的影響也在逐漸增大[1][2]。本項(xiàng)目開展螺桿泵井設(shè)備選型及工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究，以大慶油田采油井為研究對(duì)象，井筒類型為直井、定向井，井深小于1200m，不考慮氣體影響出砂影響[3][4]。對(duì)螺桿泵選井、選泵、桿柱選配模型進(jìn)行修正和完善，建立一套科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過適量的理論計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)，引入計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程，根據(jù)室內(nèi)螺桿泵固定轉(zhuǎn)速下的水力特性檢測曲線，分析漏失、載荷特性，建立拓展計(jì)算模型，可計(jì)算給出任意轉(zhuǎn)速條件下特性曲線，從而實(shí)現(xiàn)程序化自動(dòng)尋優(yōu)，對(duì)現(xiàn)場由井選泵或由泵選井起到很好的指導(dǎo)作用，大大提高生產(chǎn)效率和現(xiàn)場應(yīng)用的可靠性；建立不同系列螺桿泵井用抽油桿柱的選配模版，提高桿柱設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性和可靠性，同時(shí)使泵的工作點(diǎn)最大限度地趨近系統(tǒng)效率最高點(diǎn)。螺桿泵采油的優(yōu)化設(shè)計(jì)不但可提高整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，而且可使螺桿泵與采油井之間達(dá)到合理匹配，提高螺桿泵的使用壽命，延長油井的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，減少故障的發(fā)生，有利于提高油井產(chǎn)能，延長油井的免修期，減少油田生產(chǎn)的成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。采用C語言，編制螺桿泵采油系統(tǒng)優(yōu)化軟件，可實(shí)現(xiàn)螺桿泵井采油系統(tǒng)設(shè)備選型和工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)等功能。該方法是對(duì)現(xiàn)有的螺桿泵舉升設(shè)備和配套工藝參數(shù)進(jìn)行充分整合和優(yōu)化配置，該項(xiàng)目成果的推廣應(yīng)用，將對(duì)于充分發(fā)揮螺桿泵工藝的整體技術(shù)優(yōu)勢(shì)具有重要指導(dǎo)意義，對(duì)于降低設(shè)計(jì)及生產(chǎn)成本，提高螺桿泵井系統(tǒng)效率，提高大慶油田高含水后期的開發(fā)效益具有重要的意義。

2 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)大慶油田螺桿泵井流入流出特性、抽油桿強(qiáng)度及能耗等綜合研究分析，建立拓展計(jì)算模型和抽油桿柱的選配模版，引入計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程，進(jìn)行軟件開發(fā)，編制“螺桿泵井設(shè)備選型及工作參數(shù)優(yōu)化軟件”，確定螺桿泵井采油系統(tǒng)最佳設(shè)備選型和工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)等功能，實(shí)現(xiàn)程序化自動(dòng)尋優(yōu)。軟件各功能模塊關(guān)系流程圖如圖1所示。

圖1 軟件各功能模塊關(guān)系流程圖

■2.1 計(jì)算模型和力學(xué)模型的建立

通過對(duì)井下泵的合理選配技術(shù)研究，對(duì)螺桿泵選井、選泵、桿柱選配模型進(jìn)行修正和完善，建立一套科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立計(jì)算模型。選泵的內(nèi)容包括：排量系列、轉(zhuǎn)速范圍、泵級(jí)數(shù)、工作溫度等。本項(xiàng)研究的重點(diǎn)在于如何獲得現(xiàn)場條件下的井下泵工作特性。

通過對(duì)螺桿泵井抽油桿柱合理選配技術(shù)研究，建立桿柱力學(xué)模型和生產(chǎn)管柱的管流特性是基礎(chǔ)；同時(shí)考慮扭矩的強(qiáng)度校核和扶正器的合理布置。本項(xiàng)研究將通過理論計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立螺桿泵抽油桿的力學(xué)模型。

■2.2 軟件開發(fā)及結(jié)果分析

軟件開發(fā)，編制螺桿泵采油系統(tǒng)優(yōu)化軟件，采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)螺桿泵井采油系統(tǒng)設(shè)備選型和工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)等功能。點(diǎn)擊“報(bào)警查詢”進(jìn)入動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)報(bào)警界面，如圖2。顯示當(dāng)前所有正在進(jìn)行的過程參數(shù)報(bào)警和系統(tǒng)硬件故障報(bào)警，并按報(bào)警的時(shí)間順序從最新發(fā)生的報(bào)警開始排起，報(bào)警優(yōu)先級(jí)別和狀態(tài)用不同的顏色區(qū)別，未經(jīng)確認(rèn)的報(bào)警處于閃爍狀態(tài)。報(bào)警內(nèi)容包括：報(bào)警時(shí)間、過程變量名、過程變量說明、過程變量的當(dāng)前說明、報(bào)警設(shè)定值、過程變量的工程單位和報(bào)警優(yōu)先級(jí)別。

圖2 “報(bào)警查詢”界面圖

點(diǎn)擊“趨勢(shì)曲線”進(jìn)入趨勢(shì)界面，如圖3。系統(tǒng)具有顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)趨勢(shì)的能力，并在同一畫面中同時(shí)顯示多組趨勢(shì)曲線，本系統(tǒng)采用的是“運(yùn)行電流”、“輸出功率”、“光桿扭矩”、“動(dòng)液面”4組趨勢(shì)畫面，X坐標(biāo)軸為時(shí)間，Y坐標(biāo)軸為變量數(shù)值，趨勢(shì)曲線與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存相關(guān)。通過雙擊鼠標(biāo)左鍵，出現(xiàn)如圖3所示界面，可對(duì)時(shí)間段、顏色、量程、數(shù)據(jù)偏移等進(jìn)行修改。

此外，點(diǎn)擊“退出登陸”，即退出當(dāng)前的登陸狀態(tài)，此時(shí)點(diǎn)擊“參數(shù)畫面”等均無反應(yīng)，如需查看畫面請(qǐng)重新登陸。點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”，將關(guān)閉整個(gè)顯示畫面。通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，利用該法建立的模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況溫和良好，誤差小，精確度高。

圖3 “趨勢(shì)曲線”界面圖

基于以上基本設(shè)計(jì)參數(shù)，利用軟件分別選用泵型為KGLB800-16和KGLB1200-14兩種型號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)，抽油桿選擇CYG8HL，計(jì)算結(jié)果如下表所示。從表中可以看出，在相同井況條件下，兩種泵型的轉(zhuǎn)速相差很小，但選用KGLB800-16型號(hào)的方案的泵效在70.62%，但KGLB1200-14型號(hào)泵效只有50.69%，這說明該型號(hào)泵型具有較大的漏失量。另外，選擇KGLB800-16型號(hào)螺桿泵系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的抽油桿安全系數(shù)達(dá)到了2.21，滿足了桿柱設(shè)計(jì)要求，但采用KGLB800-16型號(hào)螺桿泵的桿柱安全系數(shù)只有1.52。因此，該井況條件下的最佳泵型、桿柱分別為KGLB800-16和CYG8HL。

根據(jù)該計(jì)算結(jié)果可見，在滿足產(chǎn)能條件下，應(yīng)盡量采用小排量螺桿泵、高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，這樣不僅對(duì)設(shè)備進(jìn)行了減型，更加重要的是減少了工作扭矩，提高了安全系數(shù)，有利于減少由于過載、疲勞導(dǎo)致的頻繁桿柱失效檢泵作業(yè)，從而使整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)高效運(yùn)行。

3 項(xiàng)目技術(shù)實(shí)施及應(yīng)用

目前高校C語言程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中明顯存在理論和應(yīng)用的脫節(jié)問題，學(xué)生學(xué)完C語言程序設(shè)計(jì)仍不會(huì)實(shí)操具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)，不會(huì)用所學(xué)知識(shí)去設(shè)計(jì)并編程解決實(shí)際問題。針對(duì)多年教學(xué)過程中的一些思考和探索，基于目前的現(xiàn)狀和學(xué)生的實(shí)際情況，本著提高學(xué)生適應(yīng)社會(huì)的需求和增加就業(yè)籌碼的目的，深入分析目前C語言教學(xué)中存在的實(shí)際問題，提出C語言程序設(shè)計(jì)課程改革的研究與實(shí)踐，授課過程中使用該項(xiàng)目的子程序，這些子程序是更具體的、與專業(yè)結(jié)合更緊密的一個(gè)個(gè)生動(dòng)案例來進(jìn)行理論和實(shí)踐一體化教學(xué)，使學(xué)生能更深刻的理解C語言程序設(shè)計(jì)在本專業(yè)具體有什么用，怎么用，讓C語言程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)更加捷徑化、具體化、實(shí)用化，理論更好聯(lián)系實(shí)際。真正達(dá)到了培養(yǎng)好用實(shí)用的應(yīng)用型人才的目的，符合我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的定位。C語言程序設(shè)計(jì)課程從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生能力。該教學(xué)模式的實(shí)施，有效促進(jìn)了地方本科院校應(yīng)用型課程教學(xué)質(zhì)量的提高，深受廣大應(yīng)用型本科院校學(xué)生的歡迎，對(duì)所學(xué)知識(shí)掌握更加全面和認(rèn)深入，能大規(guī)模推廣使用。

表1 螺桿泵優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)方案對(duì)比

4 結(jié)論

建立了一套科學(xué)的計(jì)算模型，對(duì)螺桿泵選配模型進(jìn)行修正和完善。對(duì)螺桿泵井選井、選泵、桿柱等設(shè)備進(jìn)行選型及其工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算給出任意不同轉(zhuǎn)速條件下特性曲線，實(shí)現(xiàn)程序化自動(dòng)尋優(yōu)；同時(shí)建立了不同系列螺桿泵的選配模版，提高了桿柱設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性和可靠性，提高了螺桿泵井系統(tǒng)效率，提高了大慶油田高含水后期的開發(fā)效益。