螺桿泵井動(dòng)液面的電功率計(jì)深方法研究與應(yīng)用

■計(jì)量

螺桿泵井動(dòng)液面的電功率計(jì)深方法研究與應(yīng)用

陳偉剛

中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司（黑龍江大慶163453）

為提高螺桿泵井動(dòng)液面計(jì)深的準(zhǔn)確率，及時(shí)準(zhǔn)確獲取動(dòng)液面資料，研究了電功率的動(dòng)液面計(jì)深方法。通過測(cè)試不同運(yùn)行參數(shù)下的電功率，可反映并推算出螺桿泵光桿扭矩變化，再推算舉升壓差，進(jìn)而求得動(dòng)液面深度。將計(jì)算得到的液面深度與回聲儀測(cè)試結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者差值較小，可以滿足動(dòng)液面測(cè)試的要求。通過將兩個(gè)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，可以更容易發(fā)現(xiàn)測(cè)試異常問題井。該研究為螺桿泵井液面計(jì)深提供了技術(shù)支持。

螺桿泵井；動(dòng)液面；功率；扭矩

大慶油田某采油廠高流壓螺桿泵井共有319口（其中水驅(qū)井268口、聚驅(qū)井51口），平均流壓6.58MPa，平均沉沒度695.73m，平均轉(zhuǎn)速83.89r/min。

通過對(duì)319口高流壓井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)液面核實(shí)，其中資料不符井37口，占流壓核實(shí)井?dāng)?shù)的11.6%，沖洗套管后復(fù)測(cè)液面，流壓達(dá)到正常水平。

當(dāng)套壓、油層中部深度和舉升液體密度一定時(shí)，井底流壓與動(dòng)液面深度成正比，因此動(dòng)液面測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確是導(dǎo)致流壓不準(zhǔn)的直接原因。而該廠螺桿泵井的動(dòng)液面由井下液面測(cè)試儀通過回聲測(cè)試技術(shù)獲得，說明資料不符井的回聲測(cè)試結(jié)果存在異常[1-2]。但目前該廠所有螺桿泵井均采用井下液面測(cè)試儀對(duì)動(dòng)液面深度進(jìn)行測(cè)試，缺少其他測(cè)試（計(jì)量）技術(shù)，異常資料只能在審核資料時(shí)借助其他資料考證、查錯(cuò)，并不能在采集時(shí)就被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，這對(duì)生產(chǎn)中及時(shí)準(zhǔn)確地獲得動(dòng)液面（流壓）資料造成了一定的影響。通過研究螺桿泵井動(dòng)液面電功率測(cè)試法，可以直接獲得螺桿泵井動(dòng)液面數(shù)據(jù)，而且通過將電功率測(cè)試法與井下液面測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果相互驗(yàn)證，若測(cè)試結(jié)果較接近（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)一般取100m以內(nèi)），說明井下液面測(cè)試儀資料為真實(shí)值，否則為測(cè)試異常井，應(yīng)立即采取進(jìn)一步復(fù)測(cè)措施。

1 螺桿泵井動(dòng)液面電功率計(jì)深方法研究

螺桿泵井動(dòng)液面電功率測(cè)試法是通過測(cè)試不同運(yùn)行參數(shù)下的電功率（如圖1，P0、P1、P2分別為轉(zhuǎn)速n0、n0調(diào)整為n1后的短時(shí)間內(nèi)、以轉(zhuǎn)速n1生產(chǎn)一段時(shí)間后的有功功率），推算螺桿泵光桿扭矩變化，再推算舉升壓差ΔP，進(jìn)而求得動(dòng)液面深度。

圖1 不同運(yùn)行參數(shù)下的電功率隨時(shí)間變化情況

正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，抽油桿柱主要受到3種扭矩的作用：轉(zhuǎn)子舉升液體的有功扭矩、定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦扭矩、抽油桿柱與采出液的摩擦扭矩[3]，總的扭矩可表示為：

式中：M為光桿扭矩，N·m；Mp為轉(zhuǎn)子的有功扭矩，N·m；Mf為定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦扭矩，N·m；My為抽油桿柱與采出液的摩擦扭矩，N·m。

其中：

式中：ΔP為舉升壓差,MPa；q為泵轉(zhuǎn)排量,mL/r；k0為定子套橡膠的剛度，N·m/mm2；δ為襯套橡膠在井下因熱溶脹而增加的過盈量，mm；δ0為定轉(zhuǎn)子間初始過盈量，mm；f為定轉(zhuǎn)子間的摩擦系數(shù),無(wú)量綱；R為轉(zhuǎn)子半徑，mm；μ為液體黏度，Pa·s；n為光桿轉(zhuǎn)速，r/min；Dt為油管內(nèi)徑，mm；d2為抽油桿外徑，mm。

螺桿泵轉(zhuǎn)速由n0調(diào)整為n1后的短時(shí)間內(nèi)（表1），舉升高度未變（即ΔP不變），則由公式（2）可知舉升扭矩Mp不變，即Mp0=Mp1；由公式（3）可知定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦扭矩Mf只受定轉(zhuǎn)子間過盈量、摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)子半徑等參數(shù)影響，也不變，即Mf0=Mf1；由公式（4）可知主要是桿液摩擦扭矩My發(fā)生變化，且My與轉(zhuǎn)速成正比，即My0/My1=n0/n1。因此：

又由于螺桿泵井的光桿扭矩與電機(jī)有功功率存在如下關(guān)系[2]：

表1 變參前后扭矩變化情況表

式中：P為電機(jī)有功功率，kW；η為驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)效率，%；n為光桿轉(zhuǎn)速，r/min。

因此，根據(jù)測(cè)試過程中所得的有功功率P0、P1，可折算出M0，M1，即：

在n0狀態(tài)下，光桿扭矩

在n1狀態(tài)下，光桿扭矩

由公式（5）

因此

通過以上分析，My0由公式（10）獲得；Mf0根據(jù)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和公式（3）可得出；根據(jù)公式（6）獲得表2中正常生產(chǎn)狀態(tài)下的光桿總扭矩M0。將以上結(jié)果代入公式（1）后即可得出舉升扭矩Mp0，再根據(jù)公式（2）就可推算舉升壓差ΔP。

由于動(dòng)液面深度L0與舉升壓差ΔP之間存在如下關(guān)系[4-6]：

式中：L0為動(dòng)液面深度,m；H為泵掛深度,m；Pt為套壓,MPa；a為舉升液體密度,g/cm3。

即可推算出動(dòng)液面深度。

2 螺桿泵井動(dòng)液面電功率計(jì)深方法應(yīng)用

試驗(yàn)中，測(cè)量螺桿泵井工況改變前5s內(nèi)P0、n0等數(shù)據(jù)；變頻調(diào)參后n1=1/2n0,測(cè)量螺桿泵井工況改變后5s內(nèi)P1、n1等數(shù)據(jù)。使用回聲儀同步測(cè)試動(dòng)液面深度，將螺桿泵井動(dòng)液面電功率計(jì)深方法獲得的結(jié)果與回聲儀測(cè)試動(dòng)液面深度對(duì)比驗(yàn)證12井次，如表2所示。

由表2可知，電功率法計(jì)算液面深度較回聲儀同步測(cè)試動(dòng)液面深度絕對(duì)誤差在100m以內(nèi)（能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)要求），相對(duì)誤差為2.5%～10.9%。首先認(rèn)為采用回聲儀同步測(cè)試動(dòng)液面深度是準(zhǔn)確的，而兩種方法測(cè)試的誤差源于電功率液面計(jì)深方法中的P0、n0、P1、n1等相關(guān)參數(shù)均應(yīng)為理論上參數(shù)變化前后的瞬間值，但實(shí)際上P和n等參數(shù)是隨時(shí)間在一定范圍內(nèi)不斷波動(dòng)的，直接采集一組數(shù)據(jù)計(jì)算是不科學(xué)的。為了盡可能地降低原始數(shù)據(jù)的誤差，試驗(yàn)中采集的P和n等數(shù)據(jù)均為5s內(nèi)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

單井測(cè)試情況以A井為例，該井采用120mL/r螺桿泵生產(chǎn)，實(shí)際轉(zhuǎn)速60r/min，正常生產(chǎn)時(shí)光桿測(cè)試扭矩為223N·m（表2），有功功率3.361kW。首先用回聲儀測(cè)試動(dòng)液面深度為367m，然后調(diào)整該井轉(zhuǎn)速60r/min至30r/min，測(cè)得有功功率為2.185kW（表3），應(yīng)用電功率液面計(jì)深法計(jì)算得出該井正常生產(chǎn)狀態(tài)和降參瞬間狀態(tài)的總扭矩分別為214.77N·m和171.45N·m，測(cè)算的舉升扭矩為85.80N·m，對(duì)應(yīng)的舉升壓差4.49MPa，該井泵深899.7m，含水84.4%，套壓為0.2MPa，通過公式（11）確定的動(dòng)液面深度為390.824m（圖2），與回聲儀測(cè)試液面深度差值為24m（表2）。

表2 應(yīng)用情況表

表3 A井測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖2 A井電參數(shù)測(cè)試圖

3 結(jié)論

1）螺桿泵井動(dòng)液面的電功率計(jì)深方法，通過采集變轉(zhuǎn)速前后螺桿泵有功功率等參數(shù)，可以獲得螺桿泵井總扭矩、有功扭矩、動(dòng)液面等參數(shù)。

2）將螺桿泵井動(dòng)液面電功率計(jì)深方法獲得的結(jié)果與回聲儀測(cè)試動(dòng)液面深度對(duì)比驗(yàn)證12井次，誤差較小，可以滿足動(dòng)液面測(cè)試的需要，可以更容易發(fā)現(xiàn)測(cè)試異常問題井。

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In order to improve the accuracy of the dynamic liquid level depth measurement of the screw pump well and obtain the accurate data of the dynamic liquid level in time,a method of measuring the dynamic liquid level depth of screw pump well by electric power was proposed.By testing the electric power under different operating parameters,the torque of the rod of the screw pump can be calculated,then the lifting pressure difference can be calculated,and finally the dynamic liquid level depth can be calculated.The liquid level depth calculated by this method is compared with that measured by the echo tester,and it is found that the difference between them is small,which can meet the requirements of dynamic liquid level test.Through the mutual verification of two results,it is easier to find abnormal wells.

screw pump well;dynamic liquid level;power;torque

左學(xué)敏

2016-10-17

陳偉剛（1981-），男，工程師，主要從事油田作業(yè)管理工作。