螺桿泵井參數(shù)優(yōu)化技術(shù)研究及應(yīng)用

張乃亮 王炳北

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠工程技術(shù)大隊；2.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所）

目前，喇嘛甸油田共有螺桿泵井2081 口，平均單井日產(chǎn)液49.2 t，平均單井系統(tǒng)效率31.2%，單井日耗電169.84 kWh。針對螺桿泵井能耗較高的問題，現(xiàn)場對系統(tǒng)控制部分、電動機運行效率、沉沒度、流體黏度、桿柱振動、泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行測試、分析計算。根據(jù)分析計算結(jié)果可知：泵型的大小、沉沒度水平的高低、泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的快慢、流體黏度的大小以及電動機功率大小都對系統(tǒng)能耗、效率具有較大的影響。

1 工作參數(shù)影響情況分析

對不同轉(zhuǎn)速下載荷、扭矩、泵效變化情況進行了測試，分析能耗及系統(tǒng)效率的變化情況。

1.1 不同轉(zhuǎn)速下扭矩工況分析

在6-P293 井測試扭矩，對比了低、中、高不同轉(zhuǎn)速下扭矩。隨泵轉(zhuǎn)速的增大，扭矩逐漸增大，由于受液體黏度、定轉(zhuǎn)子摩擦狀態(tài)等不斷變化的影響，桿柱系統(tǒng)的扭矩并非平穩(wěn)的，而是存在一定的振動，這種振動變化綜合反映了井下桿柱、定轉(zhuǎn)子等設(shè)備運行工況的平穩(wěn)性；從該井扭矩測試看，在較高轉(zhuǎn)速范圍（200 r/min 左右）和較低轉(zhuǎn)速范圍（40～50 r/min）下，設(shè)備運行工況明顯不 如120～150 r/min 轉(zhuǎn)速運行范圍平穩(wěn)。

1.2 不同轉(zhuǎn)速下油井能耗

現(xiàn)場分別測試從40～210 r/min 不同轉(zhuǎn)速下的油井有功消耗。隨轉(zhuǎn)速的增大，螺桿泵的能耗逐漸上升。不同轉(zhuǎn)速范圍下增加單位轉(zhuǎn)速的能耗變化表明：在較高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，增加單位轉(zhuǎn)速而增加的能耗要比較低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的大，說明在滿足生產(chǎn)需要的條件下應(yīng)在較低范圍內(nèi)調(diào)整抽汲參數(shù)，降低運行能耗。

1.3 載荷隨轉(zhuǎn)速變化

6-P2428井測試數(shù)據(jù)表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于160 r/min時轉(zhuǎn)速與扭矩和軸向力基本呈線性關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過160 r/min 時扭矩和軸向力大幅度上升。

1.4 不同沉沒度下能耗、系統(tǒng)效率變化

7-2818 井不同轉(zhuǎn)速下能耗、液面的測試數(shù)據(jù)表明，隨轉(zhuǎn)速的增大產(chǎn)液、能耗、百米噸液耗電等都在逐漸增加，當(dāng)沉沒度位于310 m 時，此時百米噸液耗電最低為0.55 kWh，系統(tǒng)效率達最高，之后隨著轉(zhuǎn)速的增加百米噸液耗電隨之增加，而系統(tǒng)效率隨之降低。

2 優(yōu)化計算模型

2.1 油井產(chǎn)量的確定

取得單井的IPR 曲線。根據(jù)油田開發(fā)正常生產(chǎn)時的產(chǎn)液量Q，確定井底流壓。并根據(jù)油井實際產(chǎn)液能力及參照相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，確定油井的最大產(chǎn)液量Qmax。

1）泵入口壓力。以井底為起點，以井底流壓為初值，向上計算，得到壓力與任意下泵深度L 之間的關(guān)系：

式中：

p——泵入口壓力，MPa；

L——任意下泵深度，km；

LL——油層中部深度，km；

pwf——井底流壓，MPa。

2）泵出口壓力。取井口出油管處的油管截面和泵出口處所在的截面為緩變流斷面，取泵出口所在的平面為基準(zhǔn)面，列寫液體能量方程（伯努力方程）：

式中：

p1——螺桿泵出口壓力， MPa；

Hp——螺桿泵定子長度，m；

h ——液體沿油管向上流動時的沿程阻力損失，m。

2.2 泵型的選擇[2-3]

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，選定nL個不同下泵深度。

對于每一個下泵深度，計算泵吸入口、出口壓力，得到泵的揚程或泵出入口壓差：

式中：

Δp——螺桿泵出口和入口的壓差，MPa。

泵效由下式計算：

式中：

Bo——原油體積系數(shù)；

fw——井液含水率，%；

ρo——原油密度，kg/m3；

ρw——水密度，kg/m3；

pb——飽和壓力，MPa；

Rp——生產(chǎn)氣油體積比；

Tp——吸入口處流體溫度，℃；

Z ——天然氣壓縮因子。

螺桿泵的實際理論流量與最大理論流量分別為

根據(jù)泵的實際理論排量Qth、最大理論排量Qth,max和泵每轉(zhuǎn)排量確定螺桿泵的正常生產(chǎn)轉(zhuǎn)速和最大生產(chǎn)轉(zhuǎn)速：

式中：

n——螺桿泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；

nmax——螺桿泵轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速，r/min；

qr——螺桿泵轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)理論排量，m3/r。

2.3 功率扭矩計算模型[1]

根據(jù)井液物性參數(shù)、泵的轉(zhuǎn)速、泵進出口壓差和產(chǎn)液量等參數(shù)，計算光桿扭矩、光桿功率、電動機輸出輸入功率。

1）光桿扭矩

式 中： M1，M2，M3，M4，M5——分 別 為 螺 桿的有功扭矩、襯套與螺桿間的摩擦扭矩、抽油桿與井液的摩擦扭矩、抽油桿與油管間的摩擦扭矩、抽油桿的慣性扭矩，N·m。

螺桿泵工作時通過螺桿—襯套副的作用，將螺桿的機械能轉(zhuǎn)化成流體的壓能，每轉(zhuǎn)的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

式中： Mo，Mr，Ms——分別為襯套與螺桿間的初始過盈所產(chǎn)生的摩擦扭矩、由襯套熱脹而產(chǎn)生的摩擦扭矩、由襯套溶脹而產(chǎn)生的摩擦扭矩。

式中：

μ——流體黏度，mPa·s；

r1——抽油桿半徑，m；

r2——油管內(nèi)半徑，m。

式中：

Dr——抽油桿接箍直徑，m；

ρr—抽油桿材料的密度，kg/m；

Dp—螺桿轉(zhuǎn)子截面直徑，m；

f —摩擦系數(shù)；

α—井斜角。

式中：

dout——抽油桿外徑，m；

din——抽油桿內(nèi)徑，m；

m——單位長度抽油桿柱質(zhì)量，kg/m；

t——啟動或停泵時間，s。

2）光桿功率

式中：

Ppr——光桿功率，kW；

Ppr,max——最大轉(zhuǎn)速下的光桿功率，kW。

3）電動機功率

式中：

Prc——實際轉(zhuǎn)速下所需電動機額定功率，kW；

ηr——電動機額定效率，kW；

k——動力儲備系數(shù)。

2.4 系統(tǒng)效率

1）系統(tǒng)輸出功率

式中：

Nout——螺桿泵采油系統(tǒng)輸出功率，kW。

2）系統(tǒng)輸入功率

計算系統(tǒng)效率時，應(yīng)根據(jù)實際產(chǎn)量計算系統(tǒng)輸入功率

式中：

Nin——電動機輸入功率，kW；

ηm——電動機工作效率。

3）系統(tǒng)效率

式中：

η——螺桿泵井系統(tǒng)效率。

2.5 數(shù)學(xué)模型的驗證

根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，對25 口井進行了有功功率、系統(tǒng)效率的預(yù)測計算，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了對比。對比數(shù)據(jù)表明有功功率的實測與計算相對誤差在±10%以內(nèi)，個別井如F0050170、F0080111 相對誤差為-0.1%；絕大多數(shù)油井系統(tǒng)效率誤差值在±5%以內(nèi)，因此理論分析所建立的數(shù)學(xué)模型具有較高的預(yù)測計算準(zhǔn)確度。

3 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計軟件開發(fā)

設(shè)計條件（已知參數(shù)) ：產(chǎn)液量、含水率、動液面、油層中深、原油密度、流壓、油層溫度、地面流體溫度、溶解系數(shù)。

設(shè)計參數(shù)(求解參數(shù)）：電動機功率、管徑、泵掛、泵型、桿柱鋼級、桿柱組合、轉(zhuǎn)速。

根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，編制了螺桿泵井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計軟件。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計軟件計算出不同泵型、不同下泵深度、不同抽油桿直徑組合方案下螺桿泵井裝機功率、系統(tǒng)效率、有功功率等優(yōu)化結(jié)果，選出最優(yōu)的設(shè)計方案。

4 現(xiàn)場實施及應(yīng)用效果

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，應(yīng)用優(yōu)化軟件對50 口螺桿泵井進行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。措施后測試數(shù)據(jù)表明，單井有功功率下降了0.58 kW，百米噸液耗電下降了0.29 kWh，系統(tǒng)效率提高了7.25%，見表1。

表1 優(yōu)化效果統(tǒng)計

5 結(jié)論及認(rèn)識

1）根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)以及優(yōu)化計算結(jié)果分析總結(jié)了轉(zhuǎn)速、下泵深度等參數(shù)對能耗、系統(tǒng)效率的影響規(guī)律、影響程度。

2）根據(jù)現(xiàn)場測試及理論分析計算，建立了以系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)函數(shù)的螺桿泵工作參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法，具有較高的預(yù)測與計算準(zhǔn)確度。

3）螺桿泵井參數(shù)優(yōu)化技術(shù)可有效降低電能消耗，提高系統(tǒng)效率水平，取得較好的應(yīng)用效果，為螺桿泵井節(jié)能降耗提供了技術(shù)支持。

[1]金力楊,付軍梅,李淑紅,等析與工藝設(shè)計[J].石油鉆采工藝,2003,20:38-39.

[2]奚國志,宋廣俊,白振冰.螺桿泵生產(chǎn)允許最低沉沒度的確定[J].油氣田地面工程,2007:35-36.

[3]晏祥慧,齊明俠.螺桿泵井抽油桿泵優(yōu)選及分析系統(tǒng)[J].石油礦場機械,2005:40-41.