基于九步法的電泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)

宮恒心 任志平 梁宏寶 別鋒鋒

(1.中國(guó)石油塔里木油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒 841000;2.西南石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610500;3.東北石油大學(xué)科研處，黑龍江 大慶 163318;4.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

無(wú)桿泵采油是指不借助于抽油桿柱傳遞動(dòng)力，依靠電力、液力傳遞能量至井下，把原油舉升至地面的機(jī)械采油方法，主要包括電動(dòng)潛油離心泵、水力活塞泵、射流泵等。電動(dòng)潛離心泵(電泵)是用油管和動(dòng)力電纜把離心泵和潛油電動(dòng)機(jī)下入油井中，將原油舉升至地面的采油設(shè)備，主要應(yīng)用在含淡水或鹽水的高含水井、具有多相流動(dòng)的油井(高油氣比)和生產(chǎn)高黏度流體的油井。為使油田電泵井作業(yè)工程設(shè)計(jì)和電泵機(jī)組訂貨方案建立在可靠性理論基礎(chǔ)上，提高機(jī)組運(yùn)行壽命，降低成本，實(shí)現(xiàn)原油穩(wěn)產(chǎn)、上產(chǎn)目標(biāo)，有必要開(kāi)展電泵井設(shè)計(jì)方法研究。

不同學(xué)者對(duì)電泵井的生產(chǎn)參數(shù)、水力參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。錢欽等人分析了電泵井各部分功率損失和系統(tǒng)效率，編制了電潛泵采油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，優(yōu)選吻合程度最高的潛油電動(dòng)機(jī)，以提高電潛泵采油系統(tǒng)效率［1-2］。蘇艷玲開(kāi)展了潛油電泵系統(tǒng)的油嘴調(diào)參方案、變頻調(diào)速和生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化，以系統(tǒng)效率最高為目標(biāo)函數(shù)，研究潛油電泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［3］。姜民政等人考慮油井流入特性、管路特性、多級(jí)離心泵特性，以潛油電泵井系統(tǒng)效率最高為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)調(diào)整產(chǎn)液量?jī)?yōu)化泵掛深度、泵型、級(jí)數(shù)、泵軸功率等，以降低單井能耗［4-5］。本次研究根據(jù)潛油電泵選井原則及選泵設(shè)計(jì)方法［6］，采用電泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)九步法［7］，建立電泵井設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算模型，開(kāi)發(fā)ESP Star優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，完成電泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，使電泵機(jī)組抽吸能力與油井供液能力相匹配，以節(jié)約能耗并提高油井產(chǎn)量。

1 電泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1.1 基本數(shù)據(jù)

收集和分析用于設(shè)計(jì)的全部油井?dāng)?shù)據(jù)和電泵機(jī)組數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有取得可靠數(shù)據(jù)，那么可以采用近似數(shù)據(jù)，如同一區(qū)塊或鄰近的其他油井?dāng)?shù)據(jù)，或者具有相近性質(zhì)的同一生產(chǎn)層位的其他油井?dāng)?shù)據(jù)。主要數(shù)據(jù)有以下幾類。

(1)油井?dāng)?shù)據(jù)。包括套管尺寸(套管內(nèi)徑)和質(zhì)量，油管尺寸、型號(hào)和絲扣型號(hào)，射孔井段(油層中部深度)，泵掛深度(斜井、定向井、水平井測(cè)量深度和垂直深度)等。

(2)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。包括油壓、套壓、當(dāng)前產(chǎn)量、動(dòng)液面［8］或泵吸入口壓力、井底溫度、要求產(chǎn)量、油氣比、含水、當(dāng)前流壓和靜壓等。

(3)流體性質(zhì)數(shù)據(jù)。包括地層水密度、原油密度、天然氣密度、氣體飽合壓力、原油黏度、PVT數(shù)據(jù)等。

(4)其他數(shù)據(jù)。包括網(wǎng)路電壓、電源頻率，以及砂、沉淀、腐蝕、結(jié)蠟、乳化液量和溫度等。

1.2 產(chǎn)能計(jì)算

需要確定在要求產(chǎn)量下的油井流壓、產(chǎn)能及泵掛深度。油井當(dāng)前流壓Pwfo計(jì)算公式［9-10］為:

式中:Pc—井口套壓;

Pg— 氣柱壓力，Pg=Pc/fg，fg為氣柱壓力系數(shù)，fg=exp-1(0.000 114YgHd)，Yg為氣相相對(duì)密度;

Hm—油層中部深度，m;

Hd—當(dāng)前動(dòng)液面，m;

Yow—油水混合液相對(duì)密度，Yow=Yo(1-fw/100)+Ywfw/100，Yo為原油密度，Yw為水相對(duì)密度，fw為含水率。

產(chǎn)能計(jì)算分2種情況:(1)當(dāng)油井當(dāng)前流壓大于飽合壓力時(shí)，流體流動(dòng)為單相流動(dòng)，流入特性曲線PI是一條斜率為J(即生產(chǎn)指數(shù))的直線，采用PI直線計(jì)算油井產(chǎn)能;(2)當(dāng)油井當(dāng)前流壓小于飽合壓力時(shí)，流體流動(dòng)為多相流動(dòng)，采用廣義IPR曲線，計(jì)算油井產(chǎn)能。采油指數(shù)公式如式(2)所示:

式中:J—采液指數(shù);

Qo— 當(dāng)前產(chǎn)量;

Pws— 靜壓。

因此，產(chǎn)能具體計(jì)算又分以下4種情況:

(1)如果 Pwf≥ Pb，且 Pwfo≥ Pb，那么由 PI直線:

式中:Q—當(dāng)前流壓Pwfo下的產(chǎn)量。

(2)如果Pwf≤Pb，且Pwfo≥Pb，那么由IPR曲線［11］得:

式中:Qb—飽合壓力下的產(chǎn)量;

Pb—飽合壓力。

(3)如果 Pwf≥ Pb，且 Pwfo＜ Pb，那么由 PI直線:

(4)如果Pwf≤Pb，且Pwfo＜Pb，由IPR曲線計(jì)算產(chǎn)能:

1.3 氣體體積計(jì)算

為了選擇合適的泵和分離器，需要計(jì)算游離氣占三相流體體積的百分比。如果溶解油氣比、氣體體積系數(shù)和地層原油體積系數(shù)不能從油藏資料中得到，需要從多相流動(dòng)相互關(guān)系式中選擇［12］。

(1)溶解油氣比

式中:Pb—飽和壓力;

t—井底溫度。

(2)氣體體積系數(shù)

式中:Z— 天然氣壓縮因子(取0.80～0.91);

Pin—泵吸入口壓力。

(3)地層原油體積系數(shù)

地層原油體積系數(shù)Bo表示與地面原油體積相比，在地層條件下的1 m3原油體積的增加量:

(4)三相流體體積

游離氣體積Vsfg為:

式中:Vstg— 氣體總體積，Vstg=Qd(1-fw/100)GOR，GOR為油氣體積比;

Vssg—溶解氣體積，Vssg=Qd(1-fw/100)Rs。泵吸入口處三相流體體積Vogw為:

式中:Vo— 泵吸入口處原油體積，Vo=Qd(1-fw/100)Bo;

Vg— 游離氣體積，Vg=VsfgBg;

Vw— 水的體積，Vw=Qdfw。

泵吸入口處游離氣占三相流體體積的百分比GFR為:

1.4 泵排量及揚(yáng)程計(jì)算

對(duì)于旋轉(zhuǎn)式油氣分離器，分離效率為90%，沒(méi)有被分離而進(jìn)入泵吸入口的氣體僅占游離氣體積的10%，泵排量Vcap為:

泵揚(yáng)程TDH為:

式中:Hd—預(yù)計(jì)動(dòng)液面;

Ft—克服油管摩擦阻力所需壓力，F(xiàn)t=frHp/100，fr為油管摩阻系數(shù);

Pd—克服地面管網(wǎng)回壓所需壓力，Pd=100Po/Yow，Po為原油壓力。

1.5 電泵選型

根據(jù)泵排量、泵揚(yáng)程和泵特性曲線選擇泵型，使其在要求泵排量和泵揚(yáng)程下具有最高的泵效率。

具有變速特性的變速電泵機(jī)組能夠改善泵的工作特性。如果不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)油井產(chǎn)能，盡量采用變速電泵機(jī)組，變頻控制屏能夠有效地改變泵的排量，按照估計(jì)的工作范圍選擇泵型，一旦收集到更多生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)改變頻率改變泵排量，使抽吸達(dá)到要求的動(dòng)液面［13］。

另外，在其他工況較差的油井條件下，如對(duì)于高含氣油井、高含沙油井、高腐蝕性油井、低產(chǎn)油井，變速電泵機(jī)組都具有軟啟動(dòng)特性，能夠消除間歇工作和氣鎖，使機(jī)組避免瞬間受到大電流沖擊，從而使井下電動(dòng)機(jī)溫度升高幅度降低。

1.6 電泵機(jī)組優(yōu)選

電泵機(jī)組各組成部分優(yōu)選包括選擇泵、電動(dòng)機(jī)、保護(hù)器和分離器等的最佳尺寸。按照電泵機(jī)組的各組成部分不同規(guī)格進(jìn)行制造，根據(jù)不同的配套方式進(jìn)行安裝。

1.6.1 泵級(jí)數(shù)

參考電泵特性曲線，選擇泵型，確定所需要的泵級(jí)數(shù)Nsta為:

式中:Hsta—泵單級(jí)揚(yáng)程。

1.6.2 分離器

如果游離氣占三相流體體積百分比大于10%，那么游離氣將對(duì)泵的工作特性造成顯著影響，建議安裝旋轉(zhuǎn)式氣體分離器(分離效率達(dá)到90%以上)。如果游離氣的體積分?jǐn)?shù)小于l0%，那么游離氣對(duì)泵的工作特性沒(méi)有大的影響，可以不安裝分離器。

1.6.3 泵功率和電動(dòng)機(jī)功率

由泵的特性曲線查得泵的單級(jí)功率，再計(jì)算泵功率Wp:

式中:Wsta—泵單級(jí)功率。

電動(dòng)機(jī)功率Wm為:

式中:Wprotector—保護(hù)器功率;

Wseparator—分離器功率。

1.7 電纜優(yōu)選

選擇電纜時(shí)，需要確定電纜尺寸、電纜型號(hào)、電纜長(zhǎng)度。電纜導(dǎo)線規(guī)格為1#、2#、4#、6#電纜，分為圓和扁2種截面形狀。選擇電纜鎧裝和絕緣能夠?qū)Ωg性流體和苛刻環(huán)境起到有效的保護(hù)作用。

電纜尺寸由電纜電壓降、電流和在油套環(huán)形空間占有的空間等決定。在選定的電動(dòng)機(jī)電流和井底溫度下，推薦選擇電纜電壓降小于10 V/hm的電纜，由電纜壓降曲線查找，確定使電動(dòng)機(jī)工作所必需的地面電壓，即控制屏電壓Uc，計(jì)算公式為:

式中:Um—電動(dòng)機(jī)電壓;

Ucab—電纜壓降。

電纜直徑(或扁電纜厚度)與油管接箍之和必須小于套管內(nèi)徑，機(jī)組最大投影尺寸也必須小于套管內(nèi)徑，間隙必須大于4.5 mm。電纜型號(hào)的選擇主要受流體條件、井底溫度和油套環(huán)形空間的限制。如果沒(méi)有足夠大的空間下入圓電纜，則采用扁電纜。當(dāng)井底溫度和含氣量是決定因素時(shí)，需要與廠家商議。總電纜長(zhǎng)度至少應(yīng)該比泵掛深度長(zhǎng)60 m以上，以保證地面控制屏至井口有一個(gè)安全距離。為避免電泵井發(fā)生天然氣爆炸，需要在井口和控制屏之間，距離井口6 m處安裝電纜接線盒，用以放氣，以保證控制屏不進(jìn)入天然氣。

1.8 附屬設(shè)備優(yōu)選

選擇井下和地面附屬設(shè)計(jì)，如控制屏、變壓器、井口和任選設(shè)備等。

井下附屬設(shè)備要求:(1)小扁電纜:根據(jù)選定電動(dòng)機(jī)系列，選擇小扁電纜，其長(zhǎng)度至少要比泵、分離器和保護(hù)器的長(zhǎng)度之和長(zhǎng)2 m以上;(2)小扁電纜護(hù)罩:必須使小扁電纜護(hù)罩的數(shù)量總長(zhǎng)度與小扁電纜長(zhǎng)度相等;(3)電纜卡子;(4)異徑短接(大小頭)、單流閥和泄油閥;(5)電動(dòng)機(jī)中心控制器;(6)變壓器，變壓器的型號(hào)根據(jù)初級(jí)電力系統(tǒng)電壓和所需要的次級(jí)電壓進(jìn)行選擇。

其中變壓器容量Kva計(jì)算公式為:

式中:Ucx—地面電壓;

Im—電動(dòng)機(jī)額定電流。

地面附屬設(shè)計(jì)要求:(1)地面電纜;(2)電泵井口及附屬設(shè)備;(3)下井安裝設(shè)備;(4)任選設(shè)備(PSI或PHD測(cè)壓裝置)。

1.9 變速電泵機(jī)組

變速電泵機(jī)組采用變頻控制屏，使其能夠在一個(gè)更寬的排量、揚(yáng)程和效率范圍內(nèi)工作。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成比例。通過(guò)調(diào)整電源頻率，可以提高變速電泵機(jī)組排量，增加電泵井產(chǎn)量，減少停機(jī)時(shí)間，增加經(jīng)濟(jì)效益。在多種工況下，變速電泵機(jī)組可以用于各類井以提高排液效率(包括高黏度井、高含水井等)，從而提高產(chǎn)量達(dá)16～16 000 m3/d。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采用Visual Basic語(yǔ)言開(kāi)發(fā)油田電泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件—— ESP Star。塔里木油田某油井已知參數(shù):當(dāng)前產(chǎn)量 Qo=135 m3/d;油壓Po=0.703 MPa;含水率fw=75%;油層中部深度Hm=2 072.6 m;泵掛深度 Hp=1 676.4 m;靜壓 Pws=22.496 MPa;當(dāng)前流壓 Pwfo=18.278 MPa;飽合壓力 Pb=10.545 MPa;原油密度Yo=0.860 g/cm3;天然氣密度Yg=0.700 kg/m3;水密度Yw=1.085 g/cm3;井底溫度t=71℃;要求產(chǎn)量Qd=366 m3/d;天然氣壓縮因子Z=0.85;油氣體積比GOR=53.44;油管內(nèi)徑(2 7/8″油管)ID=77.978 cm;電源頻率Hz=50 Hz。選擇常規(guī)電泵機(jī)組和變速電泵機(jī)組，采用ESP Star優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 塔里木油田某油井常規(guī)電泵機(jī)組優(yōu)化結(jié)果

圖2 塔里木油田某油井變速電泵機(jī)組優(yōu)化結(jié)果

該軟件共應(yīng)用600井次，其中實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比29井次，動(dòng)液面平均相對(duì)誤差是-7.4% ～5.7%。未優(yōu)化前單井平均泵掛深度為2 500 m，優(yōu)化后29口井單井平均泵掛深度為2 272 m，單井平均節(jié)約電纜長(zhǎng)度為228 m，表明該數(shù)學(xué)模型可靠，輸出數(shù)據(jù)能夠滿足油田生產(chǎn)需要，可完成電泵井下泵檢泵作業(yè)工程設(shè)計(jì)，制訂電泵機(jī)組訂貨方案。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)九步法電泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法使電泵機(jī)組的排量、揚(yáng)程、功率等參數(shù)選取更趨合理，使電泵井的泵掛深度、液面、泵吸入口壓力、泵沉沒(méi)度等抽油參數(shù)更趨合理，能延長(zhǎng)電泵機(jī)組壽命，降低生產(chǎn)成本，滿足油田原油穩(wěn)產(chǎn)和上產(chǎn)需要。

(2)采用Visual Basic語(yǔ)言編制適用于油田的電泵井優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件——ESPStar，數(shù)學(xué)模型可靠，能夠編寫(xiě)電泵井下泵檢泵作業(yè)工程設(shè)計(jì)，制訂電泵機(jī)組訂貨方案。

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