基于九步法的电泵井优化设计

宫恒心 任志平 梁宏宝 别锋锋

(1.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000;2.西南石油大学机械工程学院，成都 610500;3.东北石油大学科研处，黑龙江 大庆 163318;4.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

无杆泵采油是指不借助于抽油杆柱传递动力，依靠电力、液力传递能量至井下，把原油举升至地面的机械采油方法，主要包括电动潜油离心泵、水力活塞泵、射流泵等。电动潜离心泵(电泵)是用油管和动力电缆把离心泵和潜油电动机下入油井中，将原油举升至地面的采油设备，主要应用在含淡水或盐水的高含水井、具有多相流动的油井(高油气比)和生产高黏度流体的油井。为使油田电泵井作业工程设计和电泵机组订货方案建立在可靠性理论基础上，提高机组运行寿命，降低成本，实现原油稳产、上产目标，有必要开展电泵井设计方法研究。

不同学者对电泵井的生产参数、水力参数、运行参数进行了优化研究。钱钦等人分析了电泵井各部分功率损失和系统效率，编制了电潜泵采油系统优化设计软件，优选吻合程度最高的潜油电动机，以提高电潜泵采油系统效率［1-2］。苏艳玲开展了潜油电泵系统的油嘴调参方案、变频调速和生产系统的运行优化，以系统效率最高为目标函数，研究潜油电泵系统的优化设计方法［3］。姜民政等人考虑油井流入特性、管路特性、多级离心泵特性，以潜油电泵井系统效率最高为优化目标函数，通过调整产液量优化泵挂深度、泵型、级数、泵轴功率等，以降低单井能耗［4-5］。本次研究根据潜油电泵选井原则及选泵设计方法［6］，采用电泵井优化设计九步法［7］，建立电泵井设计参数计算模型，开发ESP Star优化设计软件，完成电泵井优化设计计算，使电泵机组抽吸能力与油井供液能力相匹配，以节约能耗并提高油井产量。

1 电泵井优化设计方法

1.1 基本数据

收集和分析用于设计的全部油井数据和电泵机组数据。如果没有取得可靠数据，那么可以采用近似数据，如同一区块或邻近的其他油井数据，或者具有相近性质的同一生产层位的其他油井数据。主要数据有以下几类。

(1)油井数据。包括套管尺寸(套管内径)和质量，油管尺寸、型号和丝扣型号，射孔井段(油层中部深度)，泵挂深度(斜井、定向井、水平井测量深度和垂直深度)等。

(2)生产数据。包括油压、套压、当前产量、动液面［8］或泵吸入口压力、井底温度、要求产量、油气比、含水、当前流压和静压等。

(3)流体性质数据。包括地层水密度、原油密度、天然气密度、气体饱合压力、原油黏度、PVT数据等。

(4)其他数据。包括网路电压、电源频率，以及砂、沉淀、腐蚀、结蜡、乳化液量和温度等。

1.2 产能计算

需要确定在要求产量下的油井流压、产能及泵挂深度。油井当前流压Pwfo计算公式［9-10］为:

式中:Pc—井口套压;

Pg— 气柱压力，Pg=Pc/fg，fg为气柱压力系数，fg=exp-1(0.000 114YgHd)，Yg为气相相对密度;

Hm—油层中部深度，m;

Hd—当前动液面，m;

Yow—油水混合液相对密度，Yow=Yo(1-fw/100)+Ywfw/100，Yo为原油密度，Yw为水相对密度，fw为含水率。

产能计算分2种情况:(1)当油井当前流压大于饱合压力时，流体流动为单相流动，流入特性曲线PI是一条斜率为J(即生产指数)的直线，采用PI直线计算油井产能;(2)当油井当前流压小于饱合压力时，流体流动为多相流动，采用广义IPR曲线，计算油井产能。采油指数公式如式(2)所示:

式中:J—采液指数;

Qo— 当前产量;

Pws— 静压。

因此，产能具体计算又分以下4种情况:

(1)如果 Pwf≥ Pb，且 Pwfo≥ Pb，那么由 PI直线:

式中:Q—当前流压Pwfo下的产量。

(2)如果Pwf≤Pb，且Pwfo≥Pb，那么由IPR曲线［11］得:

式中:Qb—饱合压力下的产量;

Pb—饱合压力。

(3)如果 Pwf≥ Pb，且 Pwfo＜ Pb，那么由 PI直线:

(4)如果Pwf≤Pb，且Pwfo＜Pb，由IPR曲线计算产能:

1.3 气体体积计算

为了选择合适的泵和分离器，需要计算游离气占三相流体体积的百分比。如果溶解油气比、气体体积系数和地层原油体积系数不能从油藏资料中得到，需要从多相流动相互关系式中选择［12］。

(1)溶解油气比

式中:Pb—饱和压力;

t—井底温度。

(2)气体体积系数

式中:Z— 天然气压缩因子(取0.80～0.91);

Pin—泵吸入口压力。

(3)地层原油体积系数

地层原油体积系数Bo表示与地面原油体积相比，在地层条件下的1 m3原油体积的增加量:

(4)三相流体体积

游离气体积Vsfg为:

式中:Vstg— 气体总体积，Vstg=Qd(1-fw/100)GOR，GOR为油气体积比;

Vssg—溶解气体积，Vssg=Qd(1-fw/100)Rs。泵吸入口处三相流体体积Vogw为:

式中:Vo— 泵吸入口处原油体积，Vo=Qd(1-fw/100)Bo;

Vg— 游离气体积，Vg=VsfgBg;

Vw— 水的体积，Vw=Qdfw。

泵吸入口处游离气占三相流体体积的百分比GFR为:

1.4 泵排量及扬程计算

对于旋转式油气分离器，分离效率为90%，没有被分离而进入泵吸入口的气体仅占游离气体积的10%，泵排量Vcap为:

泵扬程TDH为:

式中:Hd—预计动液面;

Ft—克服油管摩擦阻力所需压力，Ft=frHp/100，fr为油管摩阻系数;

Pd—克服地面管网回压所需压力，Pd=100Po/Yow，Po为原油压力。

1.5 电泵选型

根据泵排量、泵扬程和泵特性曲线选择泵型，使其在要求泵排量和泵扬程下具有最高的泵效率。

具有变速特性的变速电泵机组能够改善泵的工作特性。如果不能准确预测油井产能，尽量采用变速电泵机组，变频控制屏能够有效地改变泵的排量，按照估计的工作范围选择泵型，一旦收集到更多生产数据，通过改变频率改变泵排量，使抽吸达到要求的动液面［13］。

另外，在其他工况较差的油井条件下，如对于高含气油井、高含沙油井、高腐蚀性油井、低产油井，变速电泵机组都具有软启动特性，能够消除间歇工作和气锁，使机组避免瞬间受到大电流冲击，从而使井下电动机温度升高幅度降低。

1.6 电泵机组优选

电泵机组各组成部分优选包括选择泵、电动机、保护器和分离器等的最佳尺寸。按照电泵机组的各组成部分不同规格进行制造，根据不同的配套方式进行安装。

1.6.1 泵级数

参考电泵特性曲线，选择泵型，确定所需要的泵级数Nsta为:

式中:Hsta—泵单级扬程。

1.6.2 分离器

如果游离气占三相流体体积百分比大于10%，那么游离气将对泵的工作特性造成显著影响，建议安装旋转式气体分离器(分离效率达到90%以上)。如果游离气的体积分数小于l0%，那么游离气对泵的工作特性没有大的影响，可以不安装分离器。

1.6.3 泵功率和电动机功率

由泵的特性曲线查得泵的单级功率，再计算泵功率Wp:

式中:Wsta—泵单级功率。

电动机功率Wm为:

式中:Wprotector—保护器功率;

Wseparator—分离器功率。

1.7 电缆优选

选择电缆时，需要确定电缆尺寸、电缆型号、电缆长度。电缆导线规格为1#、2#、4#、6#电缆，分为圆和扁2种截面形状。选择电缆铠装和绝缘能够对腐蚀性流体和苛刻环境起到有效的保护作用。

电缆尺寸由电缆电压降、电流和在油套环形空间占有的空间等决定。在选定的电动机电流和井底温度下，推荐选择电缆电压降小于10 V/hm的电缆，由电缆压降曲线查找，确定使电动机工作所必需的地面电压，即控制屏电压Uc，计算公式为:

式中:Um—电动机电压;

Ucab—电缆压降。

电缆直径(或扁电缆厚度)与油管接箍之和必须小于套管内径，机组最大投影尺寸也必须小于套管内径，间隙必须大于4.5 mm。电缆型号的选择主要受流体条件、井底温度和油套环形空间的限制。如果没有足够大的空间下入圆电缆，则采用扁电缆。当井底温度和含气量是决定因素时，需要与厂家商议。总电缆长度至少应该比泵挂深度长60 m以上，以保证地面控制屏至井口有一个安全距离。为避免电泵井发生天然气爆炸，需要在井口和控制屏之间，距离井口6 m处安装电缆接线盒，用以放气，以保证控制屏不进入天然气。

1.8 附属设备优选

选择井下和地面附属设计，如控制屏、变压器、井口和任选设备等。

井下附属设备要求:(1)小扁电缆:根据选定电动机系列，选择小扁电缆，其长度至少要比泵、分离器和保护器的长度之和长2 m以上;(2)小扁电缆护罩:必须使小扁电缆护罩的数量总长度与小扁电缆长度相等;(3)电缆卡子;(4)异径短接(大小头)、单流阀和泄油阀;(5)电动机中心控制器;(6)变压器，变压器的型号根据初级电力系统电压和所需要的次级电压进行选择。

其中变压器容量Kva计算公式为:

式中:Ucx—地面电压;

Im—电动机额定电流。

地面附属设计要求:(1)地面电缆;(2)电泵井口及附属设备;(3)下井安装设备;(4)任选设备(PSI或PHD测压装置)。

1.9 变速电泵机组

变速电泵机组采用变频控制屏，使其能够在一个更宽的排量、扬程和效率范围内工作。感应电动机的转速与电源频率成比例。通过调整电源频率，可以提高变速电泵机组排量，增加电泵井产量，减少停机时间，增加经济效益。在多种工况下，变速电泵机组可以用于各类井以提高排液效率(包括高黏度井、高含水井等)，从而提高产量达16～16 000 m3/d。

2 现场应用

采用Visual Basic语言开发油田电泵井优化设计软件—— ESP Star。塔里木油田某油井已知参数:当前产量 Qo=135 m3/d;油压Po=0.703 MPa;含水率fw=75%;油层中部深度Hm=2 072.6 m;泵挂深度 Hp=1 676.4 m;静压 Pws=22.496 MPa;当前流压 Pwfo=18.278 MPa;饱合压力 Pb=10.545 MPa;原油密度Yo=0.860 g/cm3;天然气密度Yg=0.700 kg/m3;水密度Yw=1.085 g/cm3;井底温度t=71℃;要求产量Qd=366 m3/d;天然气压缩因子Z=0.85;油气体积比GOR=53.44;油管内径(2 7/8″油管)ID=77.978 cm;电源频率Hz=50 Hz。选择常规电泵机组和变速电泵机组，采用ESP Star优化设计软件的优化结果见图1和图2。

图1 塔里木油田某油井常规电泵机组优化结果

图2 塔里木油田某油井变速电泵机组优化结果

该软件共应用600井次，其中实测与计算结果对比29井次，动液面平均相对误差是-7.4% ～5.7%。未优化前单井平均泵挂深度为2 500 m，优化后29口井单井平均泵挂深度为2 272 m，单井平均节约电缆长度为228 m，表明该数学模型可靠，输出数据能够满足油田生产需要，可完成电泵井下泵检泵作业工程设计，制订电泵机组订货方案。

3 结语

(1)九步法电泵井优化设计方法使电泵机组的排量、扬程、功率等参数选取更趋合理，使电泵井的泵挂深度、液面、泵吸入口压力、泵沉没度等抽油参数更趋合理，能延长电泵机组寿命，降低生产成本，满足油田原油稳产和上产需要。

(2)采用Visual Basic语言编制适用于油田的电泵井优化设计软件——ESPStar，数学模型可靠，能够编写电泵井下泵检泵作业工程设计，制订电泵机组订货方案。

［1］钱钦，薛晶，郑勇，等.提高电潜泵采油系统效率的优化设计［J］.石油天然气学报(江汉石油学院学报)，2006，28(4):134-135.

［2］刘法杰，杨怀国，杨统，等.电泵采油系统效率优化设计技术研究［J］.油气田地面工程，2009，28(4):25-26.

［3］苏艳玲.潜油电泵举升系统运行优化的研究［D］.秦皇岛:燕山大学，2012:19-23.

［4］姜民政，朱君，蔡利.潜油电泵井系统的优化设计［J］.石油机械，1997，25(4):21-24.

［5］李双成，楼振英，李广超.潜油电泵井参数优选设计［J］.河南石油，1999(2):34-36.

［6］SY/T5904—2004潜油电泵选井原则及选泵设计方法［S］.

［7］ Centrilift公司.九步法设计电潜泵［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/link?url=5rNRYDhQWSfO6LOw-EVrqf McGYhotRryZ0CDoPdRlnA7TTQfbTeC9SbYys5vM6JF730S 0sDv9eY15nWrcLa0cdeW67vXhEBLGssQs6jUuTu.

［8］杜林辉，丁磊，田景，等.电潜泵井憋压法计算动液面技术及其应用［J］.石油钻采工艺，2011，33(3):116-118.

［9］周继德.用抽油井液面计算压力的两种方法及其效果对比［J］.大庆石油地质与开发，1990，9(4):47-56.

［10］周继德，黄伟，周波.用液面法计算机采井的压力［J］.油气井测试，1992(4):60-67.

［11］张琪.采油工程原理与设计［M］.北京:中国石油大学出版社，2006:3-53.

［12］梅思杰，绍永实，刘军，等.潜油电泵采油技术(下)［M］.北京:石油工业出版社，1993:54-60.

［13］郑俊德，梅思杰，孟宪军.聚驱电泵井选泵方法及其应用［J］.大庆石油地质与开发，2001，20(4):54-56.