寬幅電潛泵技術(shù)開(kāi)發(fā)及渤海油田應(yīng)用

張光一 杜丹陽(yáng) 李令喜 劉躍忠 黃新春 楊璐

摘 要：渤?！半p高”油田占比大，常規(guī)電潛泵因高效工作區(qū)無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)液量大幅變化需要而導(dǎo)致非故障換泵，為油田帶來(lái)了作業(yè)成本增加及產(chǎn)油損失。同時(shí)，多種類電潛泵不利于油田管理及提高作業(yè)效率，為此需要減少泵型種類，開(kāi)發(fā)寬幅電潛泵。本文主要對(duì)寬幅電潛泵設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，通過(guò)采用計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了電潛泵葉導(dǎo)輪寬幅性能優(yōu)化目的，并分別通過(guò)葉輪、整機(jī)測(cè)試及油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證寬幅電潛泵使用效果。結(jié)果表明，通過(guò)使用軟件替代手工設(shè)計(jì)計(jì)算，可有效提高葉導(dǎo)輪開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，更適用于三維空間曲面葉片開(kāi)發(fā);采用全壓緊結(jié)構(gòu)形式更有利于電潛泵高效工作區(qū)的拓寬及電潛泵的運(yùn)行。本文驗(yàn)證了通過(guò)優(yōu)化葉導(dǎo)輪水力性能及泵內(nèi)結(jié)構(gòu)，可有效提高電潛泵對(duì)油田復(fù)雜流體井況下生產(chǎn)的適用性，可為“雙高”油田精細(xì)挖潛，克服自然遞減、持續(xù)綠色穩(wěn)產(chǎn)提供借鑒作用。

關(guān)鍵詞：寬幅泵;葉導(dǎo)輪;高效區(qū)

0引言

渤海油田自1967年開(kāi)發(fā)以來(lái)，通過(guò)管理模式與技術(shù)的不斷創(chuàng)新，已穩(wěn)固發(fā)展為我國(guó)近海最大采油基地。但當(dāng)前，以高含水、高可采儲(chǔ)量采出程度并稱的“雙高”油田在渤海已達(dá)到19個(gè)，儲(chǔ)量及年產(chǎn)量占比均達(dá)到50%以上，這一數(shù)據(jù)在“十三五”末期預(yù)測(cè)將達(dá)到65%以上。特別是自2015年至2019年以來(lái)，換大泵作業(yè)井?dāng)?shù)占比逐年增加（2.48%升至20.09%）。

此類換泵主要是因?yàn)槌Ｒ?guī)電潛泵高效工作區(qū)較窄（排量范圍有限），無(wú)法適應(yīng)油田實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)液大幅度變化問(wèn)題。導(dǎo)致電潛泵工作在非高效區(qū)內(nèi)發(fā)生偏磨影響效率及壽命或者需要更換大泵滿足提液生產(chǎn)需要。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2015年工程技術(shù)公司在渤海投產(chǎn)電潛泵中就有59%的產(chǎn)品運(yùn)行超出額定流量高效區(qū)。此類檢泵，造成了不必要的作業(yè)成本及原油產(chǎn)量損失。

同時(shí)，常規(guī)電泵型號(hào)種類較多，以50～2000m3/d排量電泵為例，單一制造廠泵型多達(dá)22多種，而各廠家間產(chǎn)品各不相同，油田管理方需要常年儲(chǔ)備大量庫(kù)存，既造成了庫(kù)存積壓和資金嚴(yán)重占?jí)?，同時(shí)也降低了作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)效。

將葉輪型號(hào)種類減少，研制開(kāi)發(fā)出高效區(qū)較寬、適用流量范圍更大的寬幅電潛泵，滿足“雙高”油田生產(chǎn)需要，避免不必要的換泵作業(yè)，成為油田降本增效重要手段和迫切需求。

1 寬幅電潛泵開(kāi)發(fā)

1.1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

經(jīng)調(diào)研，前期國(guó)內(nèi)各大油田仍主要使用常規(guī)電潛泵進(jìn)行生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)并未開(kāi)發(fā)寬幅電潛泵技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品。

國(guó)外方面，美國(guó)貝克休斯和斯倫貝謝公司已擁有此類寬幅潛油電泵產(chǎn)品（貝克休斯公司為FLEX系列技術(shù)，簡(jiǎn)稱F系列;斯倫貝謝公司為RC系列），并于2014年起向中國(guó)市場(chǎng)逐步推廣應(yīng)用，目前寬幅技術(shù)全部為國(guó)外公司壟斷。

1.2 寬幅電潛泵設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

為實(shí)現(xiàn)寬幅技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司于2016年成立了項(xiàng)目組，開(kāi)展渤?！半p高”油田高效寬幅舉升技術(shù)研究。

1.2.1 寬幅泵高效工作區(qū)范圍的確定

根據(jù)渤海油田2016年元月機(jī)采井運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得知，產(chǎn)液量為50-1000m3/d的生產(chǎn)井占比達(dá)到89.27%，因此開(kāi)發(fā)寬幅電潛泵，主要需要解決這部分生產(chǎn)井的寬幅生產(chǎn)需要。結(jié)合渤海常用生產(chǎn)管柱及現(xiàn)有電潛泵情況，寬幅泵產(chǎn)品開(kāi)發(fā)確定為387系列及538系列各三種典型泵型，設(shè)計(jì)流量覆蓋50-1400m3/d。

1.2.2 寬幅泵葉導(dǎo)輪開(kāi)發(fā)

寬幅性能主要通過(guò)葉導(dǎo)輪水力性能體現(xiàn)在流量、揚(yáng)程和效率三方面，三者相互影響。流量--泵效率曲線為拋物線形式，高效區(qū)越寬，邊界點(diǎn)效率越低;流量--揚(yáng)程曲線中揚(yáng)程性能則是隨著流量的增大而變低（如圖1所示）。

因此，開(kāi)發(fā)寬幅泵的難度在于拓寬高效區(qū)的同時(shí)，盡可能減緩效率和揚(yáng)程變化。此時(shí)常規(guī)二維平面葉導(dǎo)輪水力性能很難滿足設(shè)計(jì)需要，為此，需要設(shè)計(jì)三維空間曲面葉片。

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)葉導(dǎo)輪設(shè)計(jì)主要依靠手工計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)果需要多次開(kāi)模鑄造樣件驗(yàn)證，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、效率低。為解決這些問(wèn)題，本次開(kāi)發(fā)全程創(chuàng)新采用軟件設(shè)計(jì)方式，即通過(guò)Cfturbo進(jìn)行水力模型設(shè)計(jì)，應(yīng)用UG進(jìn)行零部件三維建模，使用ANSYS 實(shí)現(xiàn)模型網(wǎng)格化、計(jì)算仿真、性能測(cè)試及反設(shè)計(jì)（圖2至圖4），有效解決泵效率手工計(jì)設(shè)計(jì)無(wú)法計(jì)算問(wèn)題。

結(jié)合3D打印技術(shù)，對(duì)開(kāi)發(fā)的6種葉導(dǎo)輪進(jìn)行了打印及快速性能測(cè)試，性能均達(dá)到或優(yōu)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

1.2.3 寬幅泵葉導(dǎo)輪壓緊結(jié)構(gòu)選擇

由于泵高效工作區(qū)拓寬后，揚(yáng)程變化范圍更大，即不同流量下葉導(dǎo)輪受到的軸向力變化增大，使得葉輪及止推墊片磨損加劇，此時(shí)需要將泵葉導(dǎo)輪的壓緊結(jié)構(gòu)由浮動(dòng)改為全壓緊，使葉輪和導(dǎo)殼之間始終存在空間不發(fā)生摩擦，所有的軸向力由高承載保護(hù)器止推軸承承擔(dān)。

根據(jù)對(duì)常規(guī)全壓緊結(jié)構(gòu)電泵裝配工藝分析，優(yōu)化了葉導(dǎo)輪壓緊裝置及裝配工藝，并設(shè)計(jì)了專用工裝及工具，同時(shí)增加了軸伸調(diào)節(jié)裝置，單節(jié)全壓緊泵裝配效率提高30%以上，并提高了一次裝配成功率。

對(duì)6種典型泵型寬幅泵進(jìn)行性能測(cè)試，流量可覆蓋50-1900m3/d，測(cè)試結(jié)果優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

測(cè)試結(jié)果顯示，寬幅電潛泵高效工作區(qū)范圍優(yōu)于常規(guī)電泵87%-275%，優(yōu)于國(guó)標(biāo)4.5%-17.5%，并達(dá)到國(guó)外同期產(chǎn)品性能水平。與原有技術(shù)相比，泵型種類可減少72%。

2 寬幅電潛泵渤海油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)油田生產(chǎn)實(shí)際需要，自2017年起寬幅電潛泵已在現(xiàn)場(chǎng)累計(jì)應(yīng)用50余井次，最長(zhǎng)運(yùn)行超過(guò)800d，目前產(chǎn)品運(yùn)行平穩(wěn)，滿足了油田對(duì)電潛泵寬幅生產(chǎn)的需要。

以某油田生產(chǎn)井A1為例，其設(shè)計(jì)產(chǎn)液量300 m3/d，按照常規(guī)電泵選型，應(yīng)為型號(hào)為X2700型（高效區(qū)范圍262-440 m3/d），但該油井實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中受到平臺(tái)限液生產(chǎn)及提頻提產(chǎn)等措施影響，產(chǎn)量維持在83-458 m3/d之間，采用寬幅泵KF250型產(chǎn)品（高效區(qū)范圍覆蓋110-460 m3/d）后，避免了電泵的非高效工作區(qū)運(yùn)行隱患。

3 結(jié)論

①通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)三維寬幅葉導(dǎo)輪，將原有泵型種類降低了72%，并解決了電潛泵高效工作區(qū)拓寬難題，最大程度緩解了電潛泵實(shí)際生產(chǎn)中非高效區(qū)運(yùn)行偏磨問(wèn)題，減少了不必要的措施換泵帶來(lái)的作業(yè)和產(chǎn)油損失;②全壓緊結(jié)構(gòu)寬幅泵因?qū)⒈幂S向力由葉輪導(dǎo)殼承擔(dān)改為高承載保護(hù)器承擔(dān)，因此更有利于電泵在更寬幅的高效工作區(qū)內(nèi)運(yùn)行;③采用水力開(kāi)發(fā)及模擬仿真軟件，可有效提高電泵葉導(dǎo)輪設(shè)計(jì)效率，更適用于三維空間曲面葉片開(kāi)發(fā)，同時(shí)可解決手工計(jì)算無(wú)法計(jì)算泵效問(wèn)題;結(jié)合3D打印快速成型技術(shù)，可有效避免常規(guī)開(kāi)發(fā)方式多次金屬鑄造開(kāi)模驗(yàn)證成本浪費(fèi)及開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)問(wèn)題;④寬幅電潛泵舉升技術(shù)已逐步獲得各用戶認(rèn)可，但仍需要通過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證效果及不斷完善性能，從而全面完成三新三化推廣應(yīng)用工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]周君亮.原型及模型泵水力裝置參數(shù)換算[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，27（5）：273-280.

[2]吳仁榮，王智磊.離心泵設(shè)計(jì)的相似換算和面積比法[J].船舶工程，2009，31（4）：41-44.

[3]韓娜，等.基于CFD的某型號(hào)離心泵流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].裝備制造技術(shù)，2015，12（10）：101-104.

[4]唐輝，何楓.離心泵內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].水泵技術(shù)2002（3）：3.

[5]舒敏驊，劉厚林，談明高，等.不同比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵設(shè)計(jì)工況下湍流模型的適用性研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011（2）：142-145.

作者簡(jiǎn)介：

張光一（1966- ），男，工程師，碩士，主要人工舉升相關(guān)工作，公司：中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)機(jī)械采油分公司。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“渤海油田高效采油工程及配套技術(shù)示范”（2016ZX05058-003-019）資助。