摻稀電泵井系統(tǒng)效率影響因素分析及對(duì)策研究

曹暢 甄恩龍 彭振華 張園 柏森 丁雯

甄恩龍 彭振華 張園 柏森 （中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院）

摻稀電泵井系統(tǒng)效率影響因素分析及對(duì)策研究

曹暢 甄恩龍 彭振華 張園 柏森 丁雯

甄恩龍 彭振華 張園 柏森 （中國(guó)石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院）

電泵井摻稀生產(chǎn)是塔河油田上產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要舉升方式，尤其是稠油區(qū)產(chǎn)量高、摻稀量大的油井。系統(tǒng)效率是電泵井生產(chǎn)系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，而塔河油田摻稀電泵井系統(tǒng)效率較低，能耗較高。通過(guò)常規(guī)電泵井系統(tǒng)效率計(jì)算方法確定了塔河摻稀電泵井的系統(tǒng)效率計(jì)算方法；以此為基礎(chǔ)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并計(jì)算出51口摻稀電泵井的系統(tǒng)效率。分析認(rèn)為：井下效率低下是摻稀電泵井系統(tǒng)效率低的主要原因，載荷過(guò)低是摻稀電泵井存在的主要問(wèn)題。合理設(shè)計(jì)泵排量和揚(yáng)程、改善井筒流體流動(dòng)性，以及應(yīng)用降耗配套工藝有利于提高摻稀電泵井的系統(tǒng)效率。

塔河油田；摻稀電泵井；系統(tǒng)效率；影響因素

引言

塔河油田位于塔里木盆地北緣，奧陶系油藏是油田主力產(chǎn)層，油藏類型以縫洞型碳酸鹽巖油藏為主。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，塔河油田抽機(jī)井形成了以有桿泵及電動(dòng)潛油泵為主的人工舉升方式。塔河油田電泵井主要集中于稠油區(qū)塊，多為摻稀生產(chǎn)。原油黏度高，井筒摩擦阻力大，造成塔河油田電泵井系統(tǒng)效率整體較低。國(guó)內(nèi)外油田針對(duì)電泵井系統(tǒng)分析與研究較多，一般強(qiáng)調(diào)電泵要匹配油藏特性，在立足于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的同時(shí)，開展電泵性能優(yōu)化研究[1]；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐不斷地改進(jìn)和提升電泵性能[2-3]，亦或增加節(jié)能降耗配套[4]，提升電泵井系統(tǒng)效率。以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)分析電泵井系統(tǒng)效率，基本上可以探索出電泵井的系統(tǒng)效率低下的原因和環(huán)節(jié)，進(jìn)而針對(duì)性地提出對(duì)策。塔河油田稠油區(qū)的電泵井采取摻稀生產(chǎn)，滿足了產(chǎn)量高和摻稀量大的需求；同時(shí)，電泵生產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)摻稀電泵井系統(tǒng)效率測(cè)試和分析與常規(guī)電泵井有較大不同，存在部分重要參數(shù)（如動(dòng)液面等）錄取困難的情況。通過(guò)研究塔河油田摻稀電泵井的系統(tǒng)效率影響因素，針對(duì)其中的主控因素開展相關(guān)針對(duì)性措施，有利于摻稀電泵井處于相對(duì)合理的工況環(huán)境中，提高整體科學(xué)管理水平。

1 摻稀電泵井系統(tǒng)效率計(jì)算方法與分解

1.1計(jì)算方法

摻稀電泵井系統(tǒng)總效率為有效功率與輸入功率之比，即

式中：ηESP——系統(tǒng)總效率，%；

P有——系統(tǒng)有效功率，kW；

P入——系統(tǒng)輸入功率，kW。

1.1.1 有效功率

由于舉升管內(nèi)液體黏度大，潛油泵的排出壓力較液柱產(chǎn)生的勢(shì)能大得多，其有效功率按泵排出壓力獲得的壓能計(jì)算，即

式中：PESPout——潛油泵排出壓力，從井口油壓

按多相流計(jì)算獲得，MPa；

PESPin——潛油泵入口壓力，從井底流壓

按多相流計(jì)算獲得，MPa；

QL——油井產(chǎn)液量，m3/d；

Q稀油——摻入的稀油量，m3/d。

1.1.2 輸入功率

稠油電泵井的輸入功率包括兩部分：一部分為變壓器提供的電能；另一部分為注入的稀油，稀油從井口套管閥注入經(jīng)環(huán)空、油管鞋與稠油混合，進(jìn)入舉升管柱經(jīng)電泵再返回至地面，根據(jù)U型管原理，注入稀油的整個(gè)過(guò)程只受摩擦力影響，其輸入能耗為站上和潛油泵井口的壓能差，即

式中：P入——稠油電泵井的輸入功率，kW；

P電入——變壓器的輸入功率，用指針式三相

電能表測(cè)量，kW；

p站——稀油計(jì)量站的壓力，MPa；pt——潛油泵井井口套壓，MPa；Q稀油——摻入的稀油量，m3/d。

1.2分解

根據(jù)稠油井電泵電流和稀油的流線可分為電路子系統(tǒng)和注稀油子系統(tǒng)效率。沿電流的電路子系統(tǒng)分解效率與稀油井電泵井系統(tǒng)分解相同，注稀油子系統(tǒng)效率分解為地面系統(tǒng)效率和井下系統(tǒng)效率，即

式中：ηo——注稀油子系統(tǒng)效率，%；

WESPin——泵吸入口壓能，kW；Wc——井口注壓下的壓能，kW；W站——稀油計(jì)量站的壓能，kW；ηo地——注稀油地面系統(tǒng)效率，%；ηo井——注稀油井下系統(tǒng)效率，%。

1.2.1 注稀油地面系統(tǒng)效率

注稀油地面系統(tǒng)效率只需計(jì)算出稀油在計(jì)量站和井口套壓下的壓能。其計(jì)量站的壓能為

同理，井口套壓（注壓）下的壓能為

1.2.2 注稀油井下系統(tǒng)效率

在已知井口注壓下的壓能后，只需知道泵吸入口的壓能，即

2 摻稀電泵井系統(tǒng)效率分析研究

2.1地面分項(xiàng)效率計(jì)算及分析

2.1.1 計(jì)算

地面效率包括變壓器和控制柜兩部分效率。通過(guò)計(jì)算51口摻稀電泵井地面分項(xiàng)效率，變壓器效率整體較高。變壓器效率為57.09%的僅1口，90%～95%有21口，95%～98%有29口，平均94.31%?？刂乒裥瘦^變壓器效率高，只有1口井效率小于95%，平均97.90%。

2.1.2 影響因素分析

隨著輸入功率的增加，地面效率先上升后趨于定值，變壓器與地面效率的變化規(guī)律一致；控制柜效率受地面輸入功率影響小，一直在96%以上。

電壓主要集中在1500 V以上，隨著電壓的增加，變壓器效率基本穩(wěn)定在94%～97%之間，地面效率在92%～94%之間。控制柜受電壓影響小。

電流對(duì)地面效率影響小，當(dāng)電流大于20 A時(shí)，地面效率基本趨于定值；當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，地面效率略有下降。

2.2井下分項(xiàng)效率計(jì)算及分析

井下效率包括電纜效率、電泵效率、電動(dòng)機(jī)及其他效率三項(xiàng)。

2.2.1 電纜效率

50口電泵井電纜效率計(jì)算結(jié)果顯示，電纜效率整體較高，除1口井外，電纜效率波動(dòng)范圍在90.43%～98.79%之間，平均效率為95.67%。由于摻稀井揚(yáng)程較小，以4#電纜（100 m電阻為0.187 Ω）為主，且平均電流低（20.7 A），電纜功率降低，只有0.27～10.68 kW，平均功率3.18 kW。

2.2.2 電泵效率

泵效率主要分布在10%～40%之間，共有37口；另外，40%～50%和50%～60%分別各有5口，平均效率31.14%。

泵效遠(yuǎn)低于泵特性曲線效率，通過(guò)對(duì)比黏度修正系數(shù)和氣體修正系數(shù)發(fā)現(xiàn)，黏度對(duì)泵效影響較大。盡管泵處溫度高（76.5～103.98℃），但含水率低，入泵黏度高（平均147.4 mPa·s），黏度修正系數(shù)主要集中在0.2～0.6，平均0.578；氣體修正系數(shù)主要集中在0.89～1，平均0.976。因此，泵效主要受泵特性曲線和入泵流體黏度的影響。

2.2.3 電動(dòng)機(jī)及其他效率

電動(dòng)機(jī)及其他效率主要分布在小于20%（12口）、20%～40%（12口）、40%～60%（12口）；另外，60%～80%和大于80%各有7口，平均效率44.35%。

2.3影響電泵井系統(tǒng)效率的因素

2.3.1 產(chǎn)液量

產(chǎn)液量是影響電泵井有效功率的重要因素之一。隨著產(chǎn)液量或排量比的增加，電泵井系統(tǒng)效率增加。產(chǎn)液量+摻稀量大部分為設(shè)計(jì)排量的40%～100%，從電泵特性曲線看，正好處于泵效隨產(chǎn)量的上升區(qū)間，導(dǎo)致電泵效率增加，從而電泵井系統(tǒng)效率增加。

2.3.2 流體物性

流體物性是影響稠油開采的重要因素，主要包括氣液比、含水率等參數(shù)。隨著氣液比的增加，電泵井系統(tǒng)效率逐漸下降。這主要是氣體進(jìn)泵后占據(jù)一定的泵容積，使液體進(jìn)泵量減小，泵效降低；同時(shí)，當(dāng)入泵氣液比大于7%時(shí)，泵特性將偏離單相液體的特性，致使電泵效率下降，從而導(dǎo)致電泵井系統(tǒng)效率降低。因此，電泵合理防氣是提高氣液比井電泵系統(tǒng)效率的有效措施之一。

2.3.3 含水率

測(cè)試稠油井大部分不產(chǎn)水，總體含水率均較小。隨著含水率的增加，電泵井系統(tǒng)效率增加。主要是由于含水高，混合物黏度相對(duì)較低，電泵排出壓力降低；同時(shí)含水增加，更接近電泵特性曲線測(cè)試的工作流體其工作狀況越好。

2.3.4 稠油黏度

稠油黏度的影響因素包括溫度和稀稠比。電泵井系統(tǒng)效率隨著井口溫度而增大，由于井口溫度越高，井筒流體黏度越低，電泵排出壓力越小，舉升效果變好，電泵效率增大。因此，可以提高井口溫度，增加井筒流體的流動(dòng)性，從而提高電泵井效率。

電泵井系統(tǒng)效率隨著稀稠比的增加而增大。這是由于隨著稀稠比的逐漸增加，井筒流體黏度降低，電泵排出壓力小，舉升效果變好，電泵舉升效率略有增加；但并沒有出現(xiàn)電泵井系統(tǒng)效率隨著稀稠比增加而增大的情況。稀稠比應(yīng)控制在一定合理范圍內(nèi)才有效，過(guò)大的稀稠比不會(huì)增大電泵井系統(tǒng)效率；另外，稀稠比應(yīng)與井口溫度聯(lián)系起來(lái)考慮，井口溫度高時(shí)稀稠比小，井口溫度低時(shí)稀稠比高。

3 提高摻稀電泵井系統(tǒng)效率對(duì)策研究

通過(guò)電泵井系統(tǒng)效率影響要素分析，電泵井系統(tǒng)效率低主要是因?yàn)榫滦实驮斐傻?，而造成井下效率低的客觀原因在于井深油稠，其中的關(guān)鍵是電泵自身效率低、入泵流體黏度和電泵選型過(guò)大所致[5]。

1）科學(xué)合理選井選泵。碳酸鹽巖油藏油井產(chǎn)量呈現(xiàn)快速遞減的特點(diǎn)，常規(guī)產(chǎn)能方程偏差較大，電潛泵設(shè)計(jì)難度大，尤其是油井產(chǎn)量大幅下降之后泵效降低導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降，科學(xué)合理選擇泵型尤為重要。

2）完善電泵防氣技術(shù)及葉輪改進(jìn)。

3）推廣電泵井降耗配套措施。降低電泵井系統(tǒng)的無(wú)用功即可提升其系統(tǒng)效率，目前技術(shù)成熟可靠，能夠進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的降耗配套技術(shù)主要有自動(dòng)補(bǔ)償控制柜、永磁同步電動(dòng)機(jī)以及變頻調(diào)速技術(shù)等[15]。

4）改善入泵流體流動(dòng)性。塔河油田部分油井原油黏度極高，摻稀量較大。摻稀混配不均極易導(dǎo)致電泵處于惡劣工況中。提升稀稠混配效果有利于降低流體入泵難度，降低摩阻，提高入泵壓力。

4 結(jié)論及建議

1）摻稀井電泵系統(tǒng)效率測(cè)試分析表明：電泵井系統(tǒng)效率整體偏小，井下效率低是導(dǎo)致非摻稀井電泵效率低的主要因素；造成井下效率低的關(guān)鍵是電泵自身效率低、入泵流體黏度和電泵選型過(guò)大所致。

2）在優(yōu)化電泵性能的同時(shí)，改善井筒流體流動(dòng)性，包括提高摻稀混配效果、提高井口溫度是目前提高電泵井系統(tǒng)效率的有效方法。

3）推廣節(jié)能降耗配套技術(shù)是電泵井系統(tǒng)效率提升的可靠手段。

[1]錢欽，薛晶，鄭勇，等.提高電潛泵采油系統(tǒng)效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2006，28（4）：134-135.

[2]沈建新，孫玉國(guó)，張新禮，等.潛油電泵提高系統(tǒng)效率措施及效果分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（24）：5769-5772.

[3]趙春民，王則賓.潛油電泵系統(tǒng)的能耗分析[J].油氣田地面工程，2005，24（6）：33.

[4]姚誠(chéng)，金煒.勝坨油田潛油電泵井節(jié)能配套技術(shù)研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2009，31（5）：400-402.

[5]秦飛，金燕林，李永壽，等.塔河稠油電泵摻稀開采系統(tǒng)效率測(cè)試分析評(píng)價(jià)[J].特種油氣藏，2012，19（4）：145-148.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.001

2016-05-18

（編輯 李珊梅）

曹暢，工程師，2012年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)（油氣田開發(fā)工程專業(yè)），從事采油工藝方面的研究工作，E-mail：caochang010@163.com，地址：新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市西北石油科研生產(chǎn)園區(qū)，830011。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)示范“塔里木盆地大型碳酸鹽巖油氣田開發(fā)示范工程”（2011ZX05049-003）