電潛泵下入深度與油井能耗關(guān)系模擬研究

李炎波，于繼飛，管虹翔，隋先富，陳歡，徐嘉

（1.中海石油（中國）有限公司開發(fā)生產(chǎn)部，北京 100010；2.中海油研究總院，北京 100027；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)分公司，天津 300452）

電潛泵下入深度與油井能耗關(guān)系模擬研究

李炎波1，于繼飛2，管虹翔2，隋先富2，陳歡2，徐嘉3

（1.中海石油（中國）有限公司開發(fā)生產(chǎn)部，北京 100010；2.中海油研究總院，北京 100027；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督監(jiān)理技術(shù)分公司，天津 300452）

節(jié)能降耗是油田開發(fā)工作中一個(gè)永恒的主題，充分利用地?zé)岷桶樯鷼獾忍烊荒茉春唾Y源來降低電潛泵井能耗是不可忽視的方面。文中以稠油油田N、高泡點(diǎn)高氣油比油田B和低氣油比油田L(fēng)為計(jì)算實(shí)例，進(jìn)行泵掛深度對電潛泵井能耗影響的模擬計(jì)算分析。結(jié)果表明：稠油、高泡點(diǎn)高氣油比、低泡點(diǎn)壓力低氣油比或高含水等幾類油田的合理泵掛深度不同；電潛泵井通過優(yōu)化合理泵掛深度，可以充分利用地?zé)帷⑷芙鈿獾忍烊荒茉春唾Y源，達(dá)到降低電潛泵井能耗的目的。研究結(jié)果對今后采油工藝方案設(shè)計(jì)及現(xiàn)場生產(chǎn)管理過程中如何考慮節(jié)能降耗具有一定的參考價(jià)值。

節(jié)能降耗；電潛泵；優(yōu)化泵掛深度；稠油油田

海上油田一般從開發(fā)初期就采用電潛泵進(jìn)行生產(chǎn)，油田地層壓力、地?zé)岷桶樯鷼馐蔷哂袧撛诶脙r(jià)值的天然能量和資源。從一定角度來看，含水率、氣液比和壓力作為這些天然能量的表征指標(biāo)，在油田的整個(gè)生產(chǎn)期間是不斷變化的，電潛泵效率或能耗也隨之而發(fā)生變化。如何在油田開發(fā)過程中利用好這些天然能量，是節(jié)能降耗的一個(gè)重要方面，在采油工藝方案設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該認(rèn)真考慮。本文在分析電潛泵能耗損失的基礎(chǔ)上，通過實(shí)例模擬，計(jì)算并分析了海上稠油油田、高泡點(diǎn)壓力、低泡點(diǎn)壓力低氣油比等幾類油田的泵掛深度對電潛泵能耗的影響，提出了采用合理泵掛深度、充分利用天然資源降低電潛泵能耗的方法，對采油工藝方案設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場生產(chǎn)都有一定的參考價(jià)值。

1 電潛泵井節(jié)能措施

假設(shè)電潛泵采油系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備[1-2]與油井供液能力匹配良好，能耗合理，那么，一口井或一個(gè)油田的電潛泵采油能耗，就是向被抽汲流體提供的必須的基本能量，即基本的水馬力，再加上流體黏度對泵效率的影響，可以表示為

式中:Pe為泵的輸入功率，kW；ρm為泵輸送流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Qm為泵入口處被抽汲流體的流量，m3/d；H為給被抽汲流體補(bǔ)充的揚(yáng)程，m；F1為流體黏度對泵排量的影響系數(shù)；F2為流體黏度對泵揚(yáng)程的影響系數(shù)；η為泵在某一工作點(diǎn)的機(jī)械效率，小數(shù)；A為流體黏度對泵效率的影響系數(shù)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，某口井的產(chǎn)量一定時(shí)，可通過優(yōu)化式（1）中的ρm，H，F(xiàn)1，F(xiàn)2，η和A值來降低電潛泵的能耗。還可根據(jù)油井的產(chǎn)能情況，合理準(zhǔn)確地選配電泵機(jī)組[3]，讓電泵工作在理想的工況點(diǎn)下，使之不偏離高效區(qū)，從而提高泵的機(jī)械效率η值，達(dá)到降低電泵能耗的目的。

由于油井產(chǎn)量會(huì)發(fā)生波動(dòng)，電潛泵應(yīng)能夠根據(jù)油藏情況的變化，調(diào)節(jié)抽油量。變頻控制系統(tǒng)[4]可以通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)油壓和產(chǎn)量。電潛泵井使用變頻器，不僅可以實(shí)現(xiàn)電潛泵的軟啟動(dòng)、軟停車，延長電潛泵的壽命，同時(shí)還能使電泵機(jī)組在最佳工況下運(yùn)行，大幅提高電潛泵采油系統(tǒng)效率，達(dá)到節(jié)能目的。

除以上措施外，還應(yīng)充分利用地?zé)醄5]和溶解氣等天然資源降低電潛泵的能耗，如確定合理泵掛深度。在不同的泵掛深度處，流體的溫度、壓力不同，溶解的天然氣量也不一樣，混合流體的黏度和密度就不相同。通過優(yōu)化泵掛深度來降低泵消耗的功率，就是充分保存地層流體攜帶的天然能量——溫度、壓力和天然氣，減少黏度、流體體積系數(shù)和游離氣對泵的負(fù)面影響。

2 泵掛深度優(yōu)化

在油田開發(fā)方案設(shè)計(jì)階段，難以將式（1）中的η控制、確定在與實(shí)際生產(chǎn)吻合的范圍內(nèi)，但可通過優(yōu)化，人為地控制泵掛深度降低電潛泵能耗[6-7]。對不同油田，泵掛深度對電潛泵的能耗影響機(jī)理和程度不同，需要分別對待，可通過相關(guān)軟件對其進(jìn)行模擬分析。

2.1 稠油油田

對于稠油油田，可以采用增大泵掛深度的方式降低能耗。由于井筒流體與外部環(huán)境（地層、海水、空氣）存在熱交換作用，因此，深度越大，井筒流體的溫度和壓力越高，溶解氣也就越多，受此影響，流體黏度就會(huì)減低，對泵的功率要求也會(huì)相應(yīng)降低[8]。

例1:N油田油藏埋深1 500m，2011年3月，某井由于電纜問題進(jìn)行修井作業(yè)，并且電潛泵下入深度從垂深1 100m加深到1 300m，通過應(yīng)用Pipesim軟件分析，泵掛加深200m能夠節(jié)約10 kW的電能（見圖1）。實(shí)際測得電潛泵檢泵前的功率為92 kW，檢泵后功率為84 kW，接近計(jì)算結(jié)果[9]。

圖1 N油田某井泵掛垂深對電泵總功率的影響

例2:M油田某井，在不同泵掛深度處，流體的溫度、黏度以及電泵總功率變化見表1；黏度對泵揚(yáng)程、排量、效率的影響見表2。

表1 M油田某井泵掛深度對電泵總功率的影響

表2 M油田某井流體黏度對泵性能參數(shù)的影響

2.2 高泡點(diǎn)壓力油田

對于高泡點(diǎn)壓力、高氣油比的油田，采用合適的泵掛深度仍然可以降低電潛泵能耗。當(dāng)井底流壓小于泡點(diǎn)壓力時(shí)，應(yīng)盡可能加大泵掛深度，減少游離氣的影響；當(dāng)井底流壓大于泡點(diǎn)壓力時(shí)，并不是泵掛深度越深越好[10]，應(yīng)選擇較適宜的泵掛深度，才能充分利用流體自身能量降低電潛泵能耗。

2.2.1 井底流壓小于泡點(diǎn)壓力

這種情況下，泵掛越深，則流體中的游離氣越少，持液率越高[11]，游離氣對泵的負(fù)面影響越小，越能提高泵的效率；另一方面，泵掛越深，入口壓力越高，溶解在原油中的天然氣就越多，通過泵進(jìn)入油管中的天然氣也就越多，泵出口以上流體的混合密度相對于泵掛淺時(shí)要小得多，同時(shí)，大量溶解氣使得整個(gè)井筒中的摩阻壓降降低，減輕了泵的負(fù)荷，從而降低了泵的功率[12]。

B油田埋深1 900m，泡點(diǎn)壓力在13MPa左右，氣油比達(dá)215m3/m3，某井井底流壓7MPa，產(chǎn)液量200 m3/d，含水率56%左右，電潛泵設(shè)置在垂深1 200m時(shí)節(jié)電顯著（見圖2）。

圖2 B油田某井泵掛垂深對電泵總功率的影響

B油田不同泵掛深度對應(yīng)的持液率和井筒摩阻壓降以及電泵總功率見表3。

表3 B油田某井不同泵掛深度的生產(chǎn)參數(shù)

2.2.2 井底流壓大于泡點(diǎn)壓力

這種情況下，泵掛深度的設(shè)置，應(yīng)該考慮使泵掛處的井底流壓小于泡點(diǎn)壓力，這樣才能充分利用天然氣能量[13]，降低井筒中的摩阻，減輕電泵的負(fù)荷，達(dá)到降耗目的。

同樣以B油田為例，在生產(chǎn)初期，井口壓力要求為6MPa，井底流壓為16MPa，電潛泵設(shè)置在700m處時(shí)節(jié)能最顯著（見圖3）。

圖3 B油田某井泵掛垂深對電泵總功率的影響

2.3 低泡點(diǎn)壓力油田

低泡點(diǎn)壓力油田與高泡點(diǎn)壓力油田情況不同，在電潛泵出口以上的油管內(nèi)，流體在流動(dòng)過程中的摩擦阻力損失對電潛泵能耗有重要的影響。由于泡點(diǎn)壓力較低，流體脫氣較晚，如果泵掛深度較深，則不能充分利用天然氣自身能量，降低電潛泵出口以上的摩阻[14]。所以，在考慮電潛泵沉沒度和安全閥安裝深度后，應(yīng)盡可能將電潛泵下淺一些[15]，這樣可以最大限度地降低電潛泵的能耗。

L油田單井產(chǎn)液量在3 000m3/d左右，溶解氣油比在1m3/m3左右，飽和壓力1.255MPa，地面原油黏度5.4mPa·s。以A井為例，該井于2010年10月進(jìn)行修井作業(yè)，修井后電泵下深從原來的1 000m上提到830 m，電泵總功率從原來的210 kW降低至200 kW。通過計(jì)算分析得出:下泵深度每增加100m，摩阻平均增加0.06MPa，電泵耗電量增加近5 kW（見圖4）。

圖4 L油田某井泵掛垂深對電泵總功率的影響

3 結(jié)論

1）地?zé)岷驮桶樯鷼馐遣豢珊雎缘奶烊荒茉春唾Y源，值得充分利用。合理選擇泵型、使用變頻控制系統(tǒng)等是實(shí)際生產(chǎn)中降低電潛泵能耗常用的方法。

2）對于稠油油田，泵掛深度應(yīng)盡可能大一些，可以充分利用地?zé)岷腿芙鈿饨档土黧w黏度，降低電潛泵的能耗。

3）對于高泡點(diǎn)壓力油田，分為2種情況:油田投產(chǎn)初期，井底流壓可能大于泡點(diǎn)壓力，這時(shí)應(yīng)將電泵設(shè)置在流壓小于泡點(diǎn)壓力處，以充分利用流體自身能量達(dá)到降耗目的；開發(fā)中后期，井底流壓小于泡點(diǎn)壓力后，電泵應(yīng)盡量下深一些。

4）對于低泡點(diǎn)壓力油田，泵出口以上的油管內(nèi)摩擦阻力損失對電潛泵能耗影響很大，在考慮電潛泵沉沒度和安全閥安裝深度后盡可能將泵下淺些。

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（編輯 高學(xué)民）

Simulation on relationship between ESP depth and energy consumption of oilwell

Li Yanbo1,Yu Jifei2,Guan Hongxiang2,Sui Xianfu2,Chen Huan2,Xu Jia3

(1.Developm ent and Production Depar tm ent,CNOOC(China)Co.Ltd,Beijing 100010,China; 2.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China; 3.Supervision&Surveillance Technology Com pany,Energy Resources Development Co.Ltd.,CNOOC,Tianjin 300452,China)

Energy saving isa timeless themeofoiland gas field development.Taking fulluseofnaturalenergy and resourcessuch as formation temperature and associated gas to decrease theenergy consumption ofESP is thedirection not tobe ignored.TakingN heavy oilfield,Bhighbubblepointand high gasoil ratiooilfield and L low gasoil ratiooilfield asa calculation case,thispaperanalyzesand simulates the influence ofpump setting depth on theenergy consumption of ESP.Resultsshow thatESPwells can achieve the goalof reducing energy consumption through optimazing the pump setting depth to take full use of natural energy and resources such as formation temperature and solution gas.The reasonable pump setting depth is different for the oilfieldswith heavy oil,high bubble pointand high gasoil ratio,low bubble pointand low gasoil ratio or highwater cut.This simulation resulthas certain reference value fornextoilproduction processdesignand on-siteenergy-savingand cost-reducing.

energy-saving and cost-reducing;ESP;pump setting depth optim ization;heavy oilfield

國家油氣重大專項(xiàng)課題“海上稠油熱采采油技術(shù)研究”（2011ZX05024-005）

TE355.5+4

A

2013-06-13；改回日期：2013-09-12。

李炎波，男，1966年生，高級工程師，碩士，1985年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院采油工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)與開采管理工作。E-mail:liyb@cnooc.com.cn。

李炎波，于繼飛，管虹翔，等.電潛泵下入深度與油井能耗關(guān)系模擬研究[J].斷塊油氣田，2013，20（6）:799-802.

Li Yanbo，Yu Jifei，Guan Hongxiang，et al.Simulation on relationship between ESP depth and energy consumption of oil well[J].Fault-Block Oil&Gas Field，2013，20（6）:799-802.

10.6056/dkyqt201306031