螺杆泵井参数优化技术研究及应用 - 天然气与石油.DOCVIP

螺杆泵井参数优化技术研究及应用 张乃亮 1 王炳北2 （1.大庆油田第六采油厂工程技术大队；2.大庆油田第三采油厂规划设计研究所） 摘要 目前螺杆泵采油工艺及其配套技术尚不完善,使得螺杆泵采油技术优势没有得到充分发挥，致使其整体效率水平偏低。为进一步降低螺杆泵井能耗、提高系统效率水平，从液量供排配置影响优化抽汲参数沉没度综合考虑油井流入动态流压、杆柱频率、强度等因素建立以系统效率最高为目标函数的参数优化设计方法。 图1-1 不同转速下扭矩变化曲线 1.2不同转速下油井能耗 现场分别测试从40-210r/min不同转速下的油井有功消耗。可以看出，随转速的增大，螺杆泵的能耗水平逐渐上升。不同转速范围下增加单位转速的能耗变化表明：在较高转速范围内，增加单位转速而增加的能耗要比较低转速范围内的大，说明在满足生产需要的条件下应在较低范围内调整抽汲参数，降低运行能耗。 图1-2转速与能耗关系曲线 1.3载荷随转速变化测试 6-P2428井测试数据表明，当转速低于160min-1时转速与扭矩和轴向力基本呈线性关系，当转速超过160min-1时扭矩和轴向力大幅度上升。 图1-3 不同转速下扭矩、轴向力变化 1.4不同沉没度下能耗、系统效率变化 7-2818井不同转速下能耗、液面的测试数据表明，随转速的增大产液、能耗、百米吨液耗电等都在逐渐增加，当沉没度位于310米时，此时百米吨液耗电最低为0.55kWh，系统效率达最高，之后随着转速的增加百米吨液耗电随之增加，系统效率也随之降低。 图1-4 沉没度与百米吨液耗电、系统效率变化曲线 2、优化计算模型 2.1油井产量的确定 取得单井的IPR曲线。根据油田开发正常生产时的产液量，确定井底流压。并根据油井实际产液能力及参照相关历史数据，确定油井的最大产液量。 ⑴泵入口压力 以井底为起点，以井底流压为初值，向上计算，得到压力与任意下泵深度之间的关系： (2-1) 式中：—泵入口压力，MPa；—任意下泵深度；—油层中部深度；—井底流压。 ⑵泵出口压力 取井口出油管处的油管截面和泵出口处所在的截面为缓变流断面，取泵出口所在的平面为基准面，列写液体能量方程（伯努力方程）： (2-2) 式中：—螺杆泵出口压力， MPa；—螺杆泵定子长度，m； —液体沿油管向上流动时的沿程阻力损失，m； 2.2泵型的选择 （泵型的选择参考文献[2]、[3]） 根据现场经验，选定个不同下泵深度。 对于每一个下泵深度，计算泵吸入口、出口压力，得到泵的扬程或泵出入口压差： (2-3) 式中：—螺杆泵出口和入口的压差，MPa。 泵效由下式计算： (2-4) 式中：—原油体积系数，m3/m3；—井液含水率；—原油密度，kg/m3；—水密度，kg/m3；—饱和压力，MPa；—生产气油比，m3/m3；—吸入口处流体温度，(C；—天然气压缩因子。 螺杆泵的实际理论流量与最大理论流量分别为 (2-5) 根据泵的实际理论排量、最大理论排量和泵每转排量、确定螺杆泵的正常生产转速和最大生产转速： (2-6) 式中：—螺杆泵转子转速，r/min；—螺杆泵转子最大转速，r/min；—螺杆泵转子每转理论排量，m3/r。 2.3功率扭矩计算模型 扭矩计算模型部分参考文献[1] 根据井液物性参数、泵的转速、泵进出口压差和产液量等参数，计算光杆扭矩、光杆功率、电动机输出输入功率。 ⑴光杆扭矩 (2-7) 式中：—分别为螺杆的有功扭矩、衬套与螺杆间的摩擦扭矩、抽油杆与井液的摩擦扭矩、抽油杆与油管间的摩擦扭矩，抽油杆的惯性扭矩，N(m。 ①螺杆泵的有功扭矩 螺杆泵工作时通过螺杆—衬套副的作用，将螺杆的机械能转化成流体的压能，每转的能量转化关系为： (2-8) ②衬套与螺杆间的摩擦扭矩 (2-9) 式中：—分别为衬套与螺杆间的初始过盈所产生的摩擦扭矩、由衬套热胀而产生的摩擦扭矩、由衬套溶胀而产生的摩擦扭矩。 ③抽油杆柱在井液中旋转所受阻力矩 (2-10) 式中：—流体粘度，mPa.s；—抽油杆半径，m；—油管内半径，m。 ④抽油杆与油管间的摩擦扭矩为： (2-11) 式中：—抽油杆接箍直径，m；—抽油杆材料的密度，kg/m3；—螺杆转子截面直径，m；—摩擦系数；—井斜角。 ⑤抽油杆的惯性