潛油電泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計試驗方法研究

李 帥，周 勇，孫 健

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著油田的不斷開發(fā)，油層壓力也來越低，為了調(diào)高采收率，在不同的區(qū)塊均不同程度采用了如注水、主蒸汽、酸化、壓裂等工藝手段，使油井含水量增大，生產(chǎn)壓差減小，這種情況下潛油電泵方式采油得到了廣泛應(yīng)用。潛油電泵是油田主要的采油設(shè)備，同時也成為油田區(qū)塊主要的高能耗設(shè)備。對勝利油田某區(qū)塊潛油電泵能耗做了匯總，該區(qū)塊機采設(shè)備的能耗占總能耗35%左右。如何能更好的使用潛油電泵，使其高效運行成為焦點，節(jié)能降耗意義重大。潛油電泵井生產(chǎn)優(yōu)化配置，是保證潛油電泵高效運行，延長工作壽命最有效的方法?，F(xiàn)提出的潛油電泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計試驗方法，是對現(xiàn)場使用過程中所有影響因素進行分析，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)及試驗總結(jié)出主要影響因素，對主要因素進行試驗優(yōu)化，并介紹如何進行優(yōu)化試驗的方法。

1 關(guān)鍵影響因素

通過對潛油電泵多年的使用數(shù)據(jù)進行匯總，結(jié)合不同區(qū)塊的工況差別進行分析。下面以勝利油田某區(qū)塊98 口潛油電泵井2018 年第三季度數(shù)據(jù)為模型，總結(jié)出影響潛油電泵的使用效率有以下主要因素。

（1）離心泵主要揚程跨度大，主配揚程跨度最少為340 m，最大的達到950 m；按《潛油電泵技術(shù)》的相關(guān)理論計算，98 口電泵井的離心泵平均配置揚程高出理論需求揚程達到568 m。配套了3 組不同揚程的泵進行了試驗，通過試驗數(shù)據(jù)可以看出，平均配泵揚程每增加100 m，電泵每天耗電量增加167 kW·h。

（2）電機功率系列單一，配套單電機43 kW、55 kW,配套雙電機86 kW、110 kW；根據(jù)《潛油電泵技術(shù)》的相關(guān)理論計算，對98 口電泵井平均配套的電機功率為78 kW，實際需求電機功率為52 kW，平均電機配置功率高于實際需要功率26 kW。分別對不同額定功率的電機空載損耗進行了測試，發(fā)現(xiàn)電機每增加10 kW，電泵井每天耗電量增加31.2 kW·h。

（3）油層滲透性差，造成電機功率配置過大的僅2 口，占電機功率配置過大的2.9%；造成離心泵揚程配置過高的僅3 口，占離心泵揚程配置過高的5.4%。

（4）電泵系統(tǒng)設(shè)計無試驗優(yōu)化方法，設(shè)計時“泵掛深度寧深毋淺、電機功率寧大毋小”，設(shè)計標準不統(tǒng)一。

（5）原油物性差，造成電機功率配置過大的6 口，占電機功率配置過大的8.7%；造成離心泵揚程配置過高的4 口，占離心泵揚程配置過高的7.1%；出砂造成電機功率配置過大的3 口，占電機功率配置過大的4.3%。

根據(jù)以上因素驗證分析得出，影響潛油電泵現(xiàn)場使用系統(tǒng)效率的主要因素為離心泵主要揚程跨度大，電機功率系列單一，電泵系統(tǒng)設(shè)計無試驗優(yōu)化方法。

2 正交試驗設(shè)計

（1）試驗目的：電泵系統(tǒng)參數(shù)不優(yōu)化是造成電泵井百米噸液耗電量高的重要原因。希望通過正交試驗，找出適合電泵工況優(yōu)化的參數(shù)，達到降低電泵井百米噸液耗電量的目的。

考察指標：試驗中把反映生產(chǎn)參數(shù)合理性的百米噸液耗電量作為考察指標，指標越小表明生產(chǎn)參數(shù)越合理。

（2）因素位級：影響電泵井百米噸液耗電量因子主要有泵型、排量、揚程、電機功率，其間互相影響和制約（表1）。

表1 因素位級表

正交試驗數(shù)據(jù)表見表2。

表2 L9（34）正交試驗表

（3）試驗結(jié)果分析：①比較9 個試驗的百米噸液耗電量，容易看出：第2 號試驗的系百米噸液耗電量值為0.62，最小，即A2B1C1D1。其次是3 號試驗，為0.78；②對于各列，第3 列的R=0.88，比其他各列的極差大，它表明對百米噸液耗電量來說，揚程是重要因素，應(yīng)該采用好位級；③按照R 值的大小，對因素的大致主次順序，以及選用的位級進行排列（因素從主到次）：揚程→排量→泵型→電機功率。

（4）試驗結(jié)論：使指標百米噸液耗電量最小的條件是：揚程合理、排量在經(jīng)濟區(qū)、泵型適合、電機功率合理。

3 油電泵系統(tǒng)優(yōu)化

（1）電泵系統(tǒng)基本模型的建立：使油井高效率穩(wěn)定地生產(chǎn)，在生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計時要充分協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的油井生產(chǎn)規(guī)律（表3）。

表3 系統(tǒng)優(yōu)化基本模型

（2）電泵優(yōu)化設(shè)計方法：①在已知設(shè)計產(chǎn)液量的條件下，根據(jù)油層的流入動態(tài)（IPR 曲線）確定井底流壓并計算其壓力分布和氣液比，以給定的泵入口壓力或泵入口氣液比確定下泵深度；②以井口壓力為起點，向下計算井筒壓力分布，求出下泵深度處的壓力，即為泵出口壓力；③泵出口壓力與泵入口壓力之差即為泵的有效總揚程。

（3）電泵井系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化軟件設(shè)計：軟件系統(tǒng)包括產(chǎn)能預測圖、IPR 曲線圖、電泵工況模擬、油井產(chǎn)液量、油井的IPR 曲線和電潛泵的推薦范圍、軟件自動生成泵的壓力分布，得到電潛泵工況模擬結(jié)果和電潛泵生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)圖；可得出“電潛泵井優(yōu)化設(shè)計結(jié)果”，根據(jù)結(jié)果對現(xiàn)場潛油電泵應(yīng)用進行指導性配置。

4 試驗優(yōu)化應(yīng)用

根據(jù)正交試驗設(shè)計，對勝利油田本區(qū)塊的10 口油井重新做了設(shè)計優(yōu)化，結(jié)果見表4，設(shè)計符合率達到了90%，達到預期目標。

表4 電泵優(yōu)化設(shè)計效果

5 優(yōu)化應(yīng)用效果

根據(jù)以上正交設(shè)計試驗及潛油電泵優(yōu)化設(shè)計方法，2019 年在油田的大力推動下，對勝利油田一個區(qū)塊內(nèi)80 口油井進行了優(yōu)化配置，重新配置后節(jié)能效果明顯，而且減少了離心泵應(yīng)用設(shè)備費用；初步統(tǒng)計計算，80 口井按年工作200 天共節(jié)約電能374.4 萬kW·h，節(jié)約設(shè)備費用87 萬元。優(yōu)化配置降低泵掛深度節(jié)約的電纜費用、油管費用150 多萬元。該優(yōu)化配套節(jié)能技術(shù)在油田屬于領(lǐng)先地位，為低能耗提液提供了技術(shù)支持，隨著本優(yōu)化方法的推廣及認可，為控制提液電量提供了技術(shù)解決思路，為采油廠精細管理、挖潛增效夯實了基礎(chǔ)。