（油气田开发工程专业论文）水平井电潜泵系统优化设计研究.pdf

r e s e a r c ho no p t i m i z a t i o nd e s i g no fe l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m pi nh o r i z o n t a lw e l l m a z h e n f u ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f e s s o rf a nl i n g a b s t r a c t t h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pi sa na r t i f i c i a ll i f te q u i p m e n tw h i c h s t a r t sl a t eb u td e v e l o p sf a s t t h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pg e t sm o r ea n d m o r ew i d e l yu s ei nh o r i z o n t a lw e l la sc o n t i n u o u sr a i s i n go fe l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m p a p p l i e dt e c h n i q u e si nr e c e n ty e a r s r a i s i n gt h et e c h n i c a l l e v e lo fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pi nh o r i z o n t a lh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et o r a i s et h eh o r i z o n t a lw e l ls y s t e me f f i c i e n c ya n do i l f i e l de c o n o m i cb e n e f i t i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ow e l lt r a c ko f h o r i z o n t a lw e l l ，g e n e r a t i n gh e a to f e l e c t r o m o t o ra n dc a b l e , e t c ，i te s t a b l i s h e dw e l l b o r et e m p e r a t u r em o d e la n d p r e s s u r em o d e lo fh o f i z o m a lw e l l i to p t i m i z e dt h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l e p u m pp r o d u c t i o ns y s t e mo fh o r i z o n t a lw e l lb a s e do nt h e s er e s e a r c h e s ， w h i c ha i m e da tm a x i m a ls y s t e me f f f i c i e n c y h o w e v e r ，t h es e t t i n gd e p t h a n di n s t a l l a t i o nl o c m i o no ft h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ，b e c a u s eo ft h e l i m i to fw e l lt r a c ki nh o r i z o n t a lw e l l ，m u s tb et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n i t a n a l y z e dt h ei n s t a l l a t i o n l o c a t i o no ft h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fh o r i z o n t a lw e l lw e l lt r a c ki n t h er e s e a r c h p r o c e s s m e a n w h i l e ，i t e s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c sm o d e lo fe l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m pb o t hi n p a s s i n g c u r v e ds e g m e n ta n dp r o d u c i n g n o r m a l l ya tt h ed e s i g n e dl o c a t i o n j u d g i n gt h ep r o d u c i n gp r a c t i c a b i l i t yo f e l e c t r i cs u b m e r s i b l e p u m pa t t h e d e s i g n e d l o c a t i o n a c c o r d i n g t o c a l c u l a t i o na n d a n a l y s i s i t h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei n d e s i g n i n g e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m po fh o r i z o n t a lw e l l a ne l e c t r i cs u b m e r s i b l e p u m po f h o r i z o n t a lw e l ld e s i g ns o f t w a r eh a sb e e na c c o m p l i s h e db a s e do n t h e s et h e o r yr e s e a r c h e s k e yw o r d s ：e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ，w e l lt r a c k ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ， 1 3 0 r e h o l et e m p e r a t u r e ，i n f l o wd y n a m i c s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：如6 年 歹月，日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留，使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： e 年多j 月引日 2 蛐年r 只37b茳 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 电潜泵优化设计的意义 电动潜油离心泵( 简称电潜泵、潜油电泵或电泵) 是一种起步较 晚、发展较快、效率较高、应用范围较广的无杆抽油设备。现已在注 水开发油田、稠油油田和海上油田等领域内得到广泛的应用。 目前国内水平井常用的采油方式有有杆泵采油和电潜泵采油，而 国外的水平井常用的采油方式以电潜泵为主。通常下泵位置主要在直 井段和弯曲段，在水平段的应用相对较少。可以说电潜泵的技术水平 从一个侧面反映出了一个国家石油生产的先进程度。 电潜泵较其它采油设备发展更快的主要原因在于： ( 1 ) 电潜泵排量大，可提高单井产液量。从而能够保持油井的高产 稳产； ( 2 ) 采用电潜泵采油增大了生产压差，可改善油层的出油情况，特 别是对多油层的非均质油田效果更佳； ( 3 ) 电泵转抽后，降低了油层压力，从而降低注水压力，减缓套管 的损坏速度，并可降低相邻水井中低渗透层的启动压力，增大吸水量： ( 4 ) 油层压力降低，还可以为钻加密调整井等创造有利条件。 因此，近年来国内各主要油田都竞相采用电潜泵采油及电潜泵排 水采气等试验并推广应用，均取得了较好的效果。尽管电潜泵有大力 发展的趋势，但由于机组的寿命不长而严重的影响了电潜泵的普及使 用。 合理设计电潜泵是电潜泵高效开发油气田和提高其运行寿命的基 础保证。设计参数( 排量、扬程、电机功率等) 过大，出现“大马拉 小车”现象，造成能源浪费；反之则达不到高效开采油气田的目的， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 易造成电机过载和烧坏。在水平井中采用电潜泵采油不但要考虑设计 参数还要考虑片眼轨迹对电潜泵下入和工作的影响。如果电潜泵在下 入过程中通过弯曲段时变形过大，不能恢复直线状态，则无法在井下 正常工作，认为下泵时直接损坏了电潜泵。如果下泵深度过大，泵轴 承受的轴向力太大，则容易发生叶轮和导轮的偏磨，导致电潜泵过早 损坏。目前，国内电潜泵井检泵周期短，作业频繁，设备价格昂贵， 这样就导致生产成本升高，经济效益降低。因此，合理地设计电潜泵， 延长电泵井的检泵周期，减少作业频率，对降低油田生产成本，具有 很重要的意义。 1 2 国内外研究情况 电潜泵是前苏联艾鲁托诺夫发明，运用于抽地层和矿井中的水， 1 9 2 3 年该技术介绍到美国后，于1 9 2 6 年美国开始在鲁赛尔油田应用电 潜泵抽油，从此开始电潜泵用于原油生产的历史“1 。从目前国内外电 潜泵的生产规模和制造技术来看，主要以美国，俄罗斯和中国为主。 目前美国在电泵制造工艺、应用技术方面都处于领先地位。其主 要的三家电潜泵公司：雷达公司( r e d a ) 、森垂利夫特公司 ( c e n t r i l i f t ) 和e s p 公司，电潜泵的关键技术是电机密封保护、电 缆高温绝缘等。美国潜油泵可适用于井液高温1 5 0 、压力2 5 m p a ，井 下无故障运行时间达6 5 0 天以上。雷达公司在美国四家t 要生产公司 中占旨位，其产量占美国约1 0 0 0 0 套中的一半左右。雷达公司的产品 品种、规格齐全、可以满足全部油井套管的需要，电机容量为7 5 8 3 0 h p ，电缆可适应最高工作温度为4 5 0 f 。其产品无论品种、规格还 是技术一直处于不断改进之中，以达到提高效率、降低成本、延长无 障碍运行时间，适应不同工况的目的。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 电潜泵在我国起步较晚。我国从1 9 6 4 年开始进行电潜泵的研制、 试验，近年来无论制造技术还足应用技术在我国均得到了飞速的发 展，并开始逐渐在国际电泵市场上展露头角，其生产主要以天津电潜 泵联合公司、胜利无杆采油泵公司，大庆电潜泵公司等为代表，共有 十几种规格，排鼍范围一般在5 0 5 0 0 m 3 d 之间，设计扬程一般为1 0 0 0 米，最大可达3 0 0 0 多米，平均泵效5 0 7 0 之间；耐温一般小于1 5 0 ；检泵周期一般在1 5 2 0 年，最长达1 6 年。 由于起初电潜泵是应用于直井中的，所以关于井眼轨迹对电潜泵 的影响研究比较少。随着电潜泵开始在定向井和水平井中应用，人们 开始进行这方面的研究，但只是一些简单的计算研究，还不能很好的 应用于实际生产中。 水平井产能的理论分析是一个活跃的研究领域，国内外学者提出 了不同产能计算公式，总的来看，可以分为两个大的阶段。在1 9 8 9 年以前，就有很多关于水平井产能计算的各种研究报告，然而所有这 些研究都没有考虑水平段沿井筒方向的压降，即假定井筒基本上具有 无限导流能力。在1 9 8 9 年以后，d i k k e n 。1 第一次提出，为了可靠预 测水平井生产动态，不能忽略井简压降。从此才开始研究水平井井筒 水动力学。随后c o l l i n s 、s t o n e 渊、d o a n 、f a r o u qa l l 、g e o r g e 6 1 等人都提出了水平井井筒压降对准确预测水平井产能的重要性，并提 出了自己的见解和模型。 关于井筒中的温度分布预测，常用的方法并不多，主要有 k i r k p a t r i c k ，s h i u ，s a g a r 等方法。k i r k p a t r i c k 方法”1 是最早的一 种经验方法，它假定井口与井底问的温度呈直线分布。s h i u 方法”1 是一种近似方法，它未考虑焦尔一汤姆森效应和相变引起的温度变化 中国石油大学( 华东) 硕七论文第1 章前言 等因素。1 9 8 9 年s a g a r 等发表的方法。1 足在相变引起的温度变化可忽 略的假定下得出的一种简化方法。由于井筒情况的复杂性，所有以上 计算方法都是在一定的假设条件下完成的。 关于井简流体压力分布计算，通常的方法是从质量守恒原理和动 量守恒原理出发，把压力降分为重力位能引起的压力降、加速度引起 的压力降、摩擦力引起的压力降三部分，从而导出气液两相流动的压 力梯度方程。再对不同流型下的持液率、两相摩阻系数和无因次参数 采用实验和无因此分析方法进行确定。然后按管段长度增量或压力增 量进行迭代计算。 1 3 本文的研究内容及解决的关键问题 根据国内外电潜泵的发展和研究现状，结合水平井采油工艺的具 体情况，本文主要开展以下五个方面的研究： ( 1 ) 电潜泵的受力分析研究 根据井眼轨迹和油井的生产情况分析在不同牛产阶段电潜泵可能 的安装位置；建立电潜泵机组通过弯曲段时的力学模型，根据井眼轨 迹计算电潜泵机组通过弯曲段时的受力情况，分析电潜泵机组通过弯 曲段的可能性；建立正常乍产时电潜泵泵轴和叶轮力学模型，对正常 生产时电潜泵泵轴和叶轮的受力进行分析计算，判断能否正常生产， 并分析影响泵正常隹产的主要因素。这是本文要解决的关键问题也是 本文的难点。 ( 2 ) 水平井的产能计算研究 对前人提出的水平井产能计算公式进行研究。并根据水平井变质 量流研究和水平井水平段压降研究，建立油碱流动和水平片筒流动的 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 祸合模型，通过耦合模型计算水平井的流入动态。 ( 3 ) 井筒流体分析 在现有井筒温度、压力分布的研究基础上分析温度压力分布情 况，针对水平井中电潜泵生产系统的特点，详细考虑电机和电缆发热 以及井眼轨迹等因素，建立水平井中温度分布计算模型。 ( 4 ) 进行水平井电潜泵生产系统优化设计 分析水平井的油层流动系统，井筒流动系统、电潜泵机组的特性 和它们之间的相互关系，把它们看作一个整体进行电潜泵的优化设 计，并根据井眼轨迹和下泵深度计算下泵时机组的受力情况和正常生 产时的受力情况，判断设计的可行性。 ( 5 ) 软件编制 在理论研究的基础上，编制适合水平井的电潜泵优化设计软件。 并在理论分析的基础上进行实例计算，检验模型的准确性和实用性。 1 4 研究方法及技术路线 ( 1 ) 进行文献调研，了解国内外的研究现状及存在的不足，设计论 文的总体研究方案。 ( 2 ) 根据电潜泵的实际受力情况，建立电潜泵受力的力学模型，对 力学模型进行分析研究，并利用实际数据进行计算，验证该模型的可 靠性，即理论联系实际的研究方法。 ( 3 ) 以最高系统效率为目标函数，对生产参数进行优化设计。 ( 4 ) 在理论研究的基础上编制软件并进行实例计算，验证理论研究 的正确性。 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章电潜泵机组受力分析 第2 章电潜泵机组受力分析 2 1 概述 电潜泵英文简称e s p ( 即e l e c t r i c a ls o b m e r s i b l ep u m p 的缩写) ， 它足一种无杆式抽油泵。电潜泵系统由三部分组成：电潜泵机组、地 面电气设备和动力电缆，如图2 - i 。有时还包括与之配套的部分辅助 装置。电潜泵机组由电动机、保护器、分离器和离心泵四部件组成“。 图2 1 电潜泵系统示意图 l 一变压器；2 一控制柜；3 - - 接线盒；4 一出油f 线 5 一井口：6 一电缆： 卜泵；l 卜分离器； 7 一泄油阀 8 b 单流阀： l l 一保护器；1 2 一电机。 6 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章电潜泵机组受力分析 电潜泵采油原理是电潜泵机组下入井内一定深度，在一定的沉没 压力下，电动机的动力由地面供电装置通过动力电缆供给，电动机带 动多级离心泵高速旋转，与此同时，井内油流经过分离器分离出部分 游离的气体后，进入多级离心泵，油流在多级离心泵多级增压下形成 足够的压头，并被举升至地面。 2 2 电潜泵的结构和工作原理 2 2 1 电潜泵机组 电潜泵机组由潜油电动机、保护器、油气分离器和多级离心泵四 大部分组成，其长度多在2 0 3 0 m 之间。各部件之间的外壳部位采用 法兰螺钉连接，各节传动轴之间则采用花键轴套的方式连接。有的部 件之间法兰联结处有密封要求，中间还要安装密封胶圈或密封垫。整 个电潜泵机组悬挂在井中油管上，多级离心泵的出口与油管内腔相通。 地面电源由动力电缆引至潜油电动机，并用专用的密封接头与专用插 座相连接“”。 ( 1 ) 电动机 潜油电动机是电潜泵机组的原动机，位于井内机组的最下端。潜 油电动机都选用三相鼠笼式异步感应电动机，和其它异步电动机一样， 当定子绕组的三根引出线连到三相电源时，绕组中就有三相对称电流 通过，在电机内将产生一个转速为r l l ( n , - - - 坐，其中f 为频率，p p 为磁极对数) 的旋转磁场，其转向取决于电源的相序。由于转子绕组 与旋转磁场之间有相对运动，根据电磁感应原理，转子导体中将产生 感应电势。由于转子绕组是闭合的且认为是纯阻性电路，则转子导体 中将有电流通过。载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，从而产生 电磁转矩，其方向与旋转磁场方向一致。若电磁转距大于轴上的阻力 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章电满泵机组受力分析 矩时，转子就将沿着旋转磁场的方向转起来。此时，电动机从电源吸 取电能变为机械能输出。 潜油电机对电压的要求是比较严格的。当电压波动超过一定范围 时，将直接影响电机的寿命，甚至导致电机烧坏。因此，潜油电机在 工作时要求有稳定的电压，一般电压波动不超过1 0 “”。 ( 2 ) 保护器 保护器又称平衡器或密封段，足电潜泵机组的关键部件。保护器 安装在潜油电机上部，是用来保护潜油电机的。个别类型的多节保护 器同时安装在电动机两端。保护器的作用除了将电动机的动力传递给 多级离心泵外，还有以下功能： 防止片液进入电动机，隔离井液与电机油，同时使井筒一电机的 压力保持平衡； 平衡电动机内腔与外部的压力； 承受来自多级离心泵方面的部分轴向力； 保护器内有一定容积的润滑油，用以补充电动机内润滑油的损 失。 保护器通过连接外壳和传动轴，把泵和电机连接起来。 保护器的种类很多，但从结构原理上讲，基本上分连通式、沉淀 式和胶囊式三种“。 ( 3 ) 油气分离器 油气分离器是电潜泵机组的一种备选部件。如果油井含有游离气 体，则需要选用油气分离器，以消除气体对潜油泵工作特性的影响。 油气分离器安装在泵的液体吸入口处，当混气流体进入多级离心 泵之前，先通过分离器，把自由气体分离出来，以防止和减少气体进 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 泵，保证电潜泵具有良好的工作特性，使多级离心泵能够正常工作。 常用的分离器有两种：沉降式分离器和旋转式分离器。 ( 4 ) 多级离心泵 潜油多级离心泵的工作原理同地面离心泵一样，潜油多级离心泵 本质上是一种离心泵，与地面离心泵所不同的是，由于潜油离心泵要 下入井下工作，受套管内径尺寸的限制，且因泵在电机的上方，电缆 还要从泵外的套管环形空间通过，所以泵的外径很小。如油田上较多 的用于1 4 0 r a m 套管的潜油离心泵种类中，森垂利夫特泵外径1 0 1 6 m m ， 雷达泵9 8 4 m m ，天津泵9 3 r a m 。由于泵外径较小，因此，单级泵功率， 扬程等均极其有限。为了满足高扬程举升的需要，将其结构设计为多 级叶轮与导轮串联的方式。离心泵工作时，进入叶轮排液孔道里的井 液由叶轮的叶片驱动相对于泵轴心旋转，在离心力的作用下被甩出叶 轮，动能变成压能，通过导轮的集流作用导入上一级叶轮的入口。这 样逐级叶轮升压，直到从泵的最上部叶轮流出后达到足够的压头。而 泵的最下一级叶轮对井液的吸入则是由于油套环空间沉没压力使液体 源源不断地驱入泵中。潜油离心泵把井液举出地面，就是把泵的机械 能转换成流体的动能和压能。 潜油多级离心泵和普通的离心泵相比较在结构上具有以下特点： 直径小，级数多，长度大； 轴向卸载，径向扶正： 泵吸入口装有特殊装置，如油气、油沙分离器； 泵出口上部装有单流阀和泄油阀。 2 2 2 地面电器设备 电潜泵系统的地面电器设各包括电源变压器、控制柜和接线盒。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 ( 1 ) 变压器 变压器是一种静止电器设备，利用电磁感应作用把一种电压的交 流电能转变成同频率的另一种电压的交流电能。在电潜泵中的作用足 为潜油电机提供工作电压( 数百伏至数千伏的电源) 。 变压器利用电磁感应原理工作，一般说来两个( 或两个以上) 互 相绝缘的线圈套在共同铁芯上，以磁场为媒介，没有电的联系。接交 流电源的线圈称原线圈，简称原方；接负载的线圈称为副线圈，简称 副方。当原方接到交流电源时，在外施电压作用下，原线圈中有交流 电流流过，并在铁芯中产生交变磁通。其频率与外施电压的频率一样。 这个交变磁通同时在原、副线圈内感应出电势，副方有了电势，便向 负载供电，实现了能量传递。在这一过程中，原方和副方电势的频率 都等于磁通的交变频率。亦即原方外施电压的频率。而原、副方感应 电势之比等于原、副线圈匝数之比。对常用电力变压器，原方感应电 势的大小也接近于原方外施电压，而副方感应电势则接近于副方端电 压。因此，变压器原、副方电压之比决定于原、副线圈匝数之比，只 要改变原、副线圈的匝数，便可达到改变电压的目的。这就是变压器 利用电磁感应作用，把一种电压的交流电能转变成同频率的另一种电 压的交流电能的基本工作原理“”。 ( 2 ) 控制柜 电潜泵的启动和停机以及运行中的一系列控制，需要专门的控制 设备来完成，电潜泵控制柜分为手动、自动两种控制方式。控制柜具 有短路保护、单相保护、三相过载保护和欠载停机、延时自启动等功 能，并且通过仪表随时测量电机运行电压、电流参数并自动记录电机 运行电流，从而使电泵管理人员及时掌握和判断潜油电机的运行状况。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章电潜泵机组受力分析 目前在油田上所便用的控制柜种类比较多，这些控制柜都利用中 心控制器来完成各种保护功能及控制过程。在高压主回路中，有采用 隔离开关的，也有采用自动空气开关的，有采用交流接触器的，还有 采用真空接触器的。除此之外有些控制柜还带有井下压力和温度监控 装置。 ( 3 ) 接线盒 在电潜泵供电过程中，控制柜和井口之间有一接线盒。接线盒的 作用主要有两个： 接控制柜至井口的电缆，即井口出来的电缆接至接线盒，再由 接线盒接至控制柜( 或变压器) 上，这样，便于在接线盒处检查井下 机组的对地绝缘电阻和三相直流电阻： 使用接线盒后，可以排除由潜油电缆芯线内上升至井口的天然 气，起到放空的作用，以防止天然气直接进入控制柜后，使控制柜出 现电火花而引起爆炸。所以，在电潜泵系统中必须使用接线盒。 2 2 3 潜油动力电缆 潜油电缆是电潜泵机组的一个重要组成部分。根据下泵深度，电 缆的长度可由几百米到几千米。电缆的工作介质是油、气、水三相混 合物，这就要求电缆的护套绝缘材料具有良好的耐油性和较高的气密 性。电缆长期工作在温度为5 0 1 2 0 ，压力为7 2 0 m p a 的井液中， 在冬季，电缆野外施工，气温最低达- 3 0 c ，并需要经过多次盘绕收放， 这就要求电缆的结构紧凑，护套层具有足够的横向密封性，在高温、 高压下不易变型，在低温下不易破裂，材质应满足井下温度相应的热 老化性能要求，保持柔软性和叮弯曲性。电缆应有良好的绝缘性能， 并能够可靠地传递所需要的电能“”。 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章电潜泵机组受力分析 2 3 下入位置分析 电潜泵最初是为垂直井的采油而设计的。如果将电潜泵应用在水 平井中，随着开采时间的不同和水平井曲率半径的不同，下入安装的 位置也不同。主要有以下一些安装方式： 图2 2 电潜泵机组安装位置示意图 平段 2 3 1 在垂直段安装 只要井筒能提供足够的吸入压力，即对电潜泵不会造成气锁，都 应将电潜泵安装在垂直井段，即安装在造斜点以上的井段中。这样， 可使用标准井下泵，并按常规操作程序安装，投入使用。将电潜泵安 装在垂直井段可能出现的事故少、投入少、方便管理，所以经济效益 较好。 2 3 2 在造斜段安装 对于中血率# 径和长曲率半径的井，可将电潜泵安装在造斜段( 以 不损伤举升泵为前提) 。这样做可为电潜泵提供更大的吸入压力，这 是国外多年来的常规作法。海上钻井平台的多数斜井都把举升泵安放 在此处。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 2 3 3 在稳斜段安装 只要电潜泵能不受损伤地通过造斜段，都可继续下入，将其安装 于稳斜段，则泵可在保持直线的状态下安全工作，而且油井可为泵提 供更大的吸入压力。 2 3 4 在水平段安装 如果电潜泵在水平段以上不能满足它的吸入压力，而且电潜泵能 够在不受损的情况下下入到水平段，那么可以将电潜泵安装到水平段， 这样可以提供最大的生产压差，有利于提高油层的采出程度。 在套管和油管内，当电潜泵通过弯曲井段时，泵的各个组件要随 井筒的弯曲而弯曲。下入电潜泵的基本准则是泵通过弯曲段时泵装置 的各个组件都在所能承受的弯曲度范围内。 电潜泵通过弯曲段常碰到的第二个问题是局部摩擦。只要泵与井 筒有接触就产生一定的摩擦：只要电潜泵在弯曲井段内发生弯曲，则 摩擦力就迅速增加，这是电潜泵必须考虑的问题。 2 4 常规计算式及它们的局限性 近年来，随着电潜泵在斜井、定向井、水平井中应用的增多和日 渐成熟，工程设计人员针对电潜泵在弯曲段受力和通过性计算问题也 提出了一些经验公式。 2 4 1 允许通过最大长度的计算 若仅考虑将电潜泵安装在垂直井段，则可不考虑井眼狗腿度的影 响。当油井开采后期，需将电潜泵下到造斜段和造斜段以下的井段时， 则必须考虑井眼狗腿严重度的影响。这样就要进行电潜泵通过造斜段 可能性的计算。 ( 1 ) 已知条件 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章电潜泵机组受力分析 设有n 个造斜段，第1 造斜段最大狗腿度g 。，第2 造斜段最大狗腿 度g 。，第3 造斜段最大狗腿度g ，第n 造斜段最大狗腿度g 。 设油层套管外径为经外，设油层套管壁厚占，则油层套管内径为 噍内2 - - 2 0 ，九内应按下入井内的实际油层套管内径确定。 ( 2 ) 通过性造斜段计算原则 设电潜泵装置允许的狗腿度( 弯曲度) 为g m 。 图2 3 电潜泵在弯曲段的几何参数示意图 选泵原则是除应能满足产量和扬程要求外，电潜泵外径应尽量 小，以便能顺利通过造斜段。这里着重考虑满足外径最小要求。 电潜泵通过造斜段的基本准则是：电潜泵装置总长度小于井允 许通过的最大长度三。 ( 3 ) 通过性计算方法 求解所需的计算公式 娟4 ( 志卜 浯， 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 d 泵挠= d 套挠一 ( 2 2 ) g ；：d 。一丝掣上( 2 - 3 ) g 泵2 套挠一丁而 式中d r 挠一套管挠度，m m 。 g 井一造斜段狗腿度，。3 0 4 8 m ，此处取第一造斜段的最大狗 腿度，即g 井= g l ； d 泵挠一电潜泵装置通过造斜段时产生的挠度，m m ； 一泵与套管间的间隙，唧； g 趸一电潜泵通过造斜段时产生的狗腿度，通过造斜段时产生 的狗腿度，此处取电潜泵通过造斜段时允许产生的狗腿度，即 g 磊= g 免。 以上3 式中有3 个未知量：d 套挠、d 泵挠、及，可以求解解以 e 3 式得： 危= ( 2 - 4 ) 2 4 2 不弯曲所允许的最大套管曲率的计算 如图2 4 所示，给出了电潜泵设备适应井筒弯曲条件下最大允许 曲率的计算图。根据此图就可以得到保证电潜泵设备在弯曲井筒中施 工和运行时，不弯曲所允许的最大套管曲率，即 3 6 0 口= 一 2 ，吠 式中4 一套管最大允许曲率，o 3 0 m ： ( 2 5 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 r 一曲率半径，m ： 一造斜段长度，m 。 图2 - 4 套管最大允许曲率计算图 由直角三角形a o n 中可以得到r 的值。 式中卜一电潜泵设备长度，m ： 吐一井简直径，m ： 以一电潜泵设备最大外径，m 。 1 6 o ( 2 6 ) ( 2 7 ) h 矾一 陋 一 + 一吖 2 1 、j i ，j ，一2 一咖去 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 如果取盔。d ：，则上式可以简化为 ，2 r = 二一 ( 2 8 ) 8 ( a l d 2 ) 将上式代入( 2 5 ) 可得： 口：1440l(di-d2) ( 2 9 ) 口= 一 z yj 石一f 根据上述计算公式，就可以计算出电潜泵在弯曲井简中施工和运 行时，所允许的最大套管曲率。 2 4 3 电潜泵弯曲角的计算 在1 9 9 2 年第四次国际石油工程会议上，给出了估算电潜泵机组弯 曲度的经验公式，即组装后的电泵可以承受3 0 3 0 m 的弯曲变形而不致 造成永久损坏。其计算式如下： d = 7 1 1 ( 1 i1 1 0 0 ) 2 p ( 2 - 1 0 ) 式中d 一弧中心的弯曲度，m ： l 一弯曲段长度，m ： 口一狗腿度，o 3 0 m 。 运用上式可以计算出电潜泵弯曲段小于3 0 3 0 m 的估算极限值，表 明电潜泵装置能通过弯曲段，不会造成电潜泵弯曲损坏。 2 4 4 方法的局限性 上述方法存在以下缺陷： ( 1 ) 上述计算公式是在狗腿度不大的情况下使用的，当狗腿度较大 时，计算结果失去准确性； ( 2 ) 以上所有的计算是在假设电机与泵的直径相等计算的，显然这 种假设会影响计算的准确性： ( 3 ) 上面的几种计算方法无法估计电潜泵机组在弯曲井筒中产生 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章电满泵机组受力分析 的应力情况。 分析上述几种方法的局限性，根据材料力学和工程力学的弯曲理 论，建立了电泵机组能够顺利通过弯曲井段应满足的应力条件和弯曲 条件。 2 5 下入过程中电潜泵的受力分析 2 5 1 基本假设 ( 1 ) 通过狗腿时，电潜泵只产生弹性变形，而不产生塑性变形； ( 2 ) 电潜泵的弯曲属于平面弯曲： ( 3 ) 忽略套压的大小； ( 4 ) 在电潜泵的长度范围内，水平井狗腿段的轨迹是平面曲线； ( 5 ) 弯曲段电潜泵机组的力学模型为简支梁。 2 5 2 变形微分方程 图2 5 为电潜泵在狗腿段时的弯曲情况示意图。 由丁：电潜泵的截面是圆形的，且其外径比套管的内径小得多，所 以它与套管内壁的接触是点接触。根据电潜泵在水平井中的受力状 态，可以将其简化为两端支在刀口支承上的粱，如图2 6 所示。 梁上任一点的挠度y 由横向载荷p 和轴向力s 所产生的挠度y 。与均 布载荷q 和轴向力s 所产生的挠度y 。叠加而成。为此，可将图2 6 分解 为图2 7 和图2 8 的形式。 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章电潜泵机组受力分析 由图2 7 得 电潜泵枕组 图2 5 电潜泵及套管弯曲情况示意图 图2 6 简化梁的力学模型 髓争= 一砂。一手a x - l - c ( 2 - 1 2 ) 式中：一电潜泵材料的弹性模量，y m 2 ； ，一截面惯性矩，一； 一电潜泵的长度，m 。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 图2 7 横向和轴向载荷作用下梁的变形 图2 8 轴向载荷和横向均布载荷作用下梁的受力 工，一c( 2 1 3 ) y ，= p _ s 虿i n f 万k f l - c ) s i n ( f z ) 一! ! ：i ! ! ( ，一工) x - ，一c ( 2 一1 4 ) 由图2 8 可得 彤警= 啵弩q2 一百q l 工 其中q = w 。s i n p 式中心一电潜泵在原油中的质量密度，k g m , ( 2 一1 5 ) 丝彤 一船ns 生删 得 蹦一胍 s 一日 得 d = = 幻 1 m o， o 纠 m 舻 纠 式 吼 式 褊 期 鼢 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 伊一井斜角，。 解( 2 - 1 5 ) 式可得 y ：= 嘉【c o s 丁k l 一训c o s 等_ 1 1 一号( h )( 2 - 1 6 ) 由于y = y i + y 2 当x = c = l 2 ，挠度y 可得最大值，其表达式为 = 盛c “制一+ 器b 小平2j k 2 4 “4 4 ( 2 - 1 7 ) 其彬= 啬 2 5 3 电潜泵弯曲度计算 ( 1 ) 套管的弯曲度计算 套管弯曲度定义为计算长度内套管两端点的连线与其最大挠度 处的距离。若水平井的井眼平均曲率为口。则由图2 9 可知 口：苎堕， ( 2 1 8 ) 1 8 0 由于，= 盘r ，所以套管的曲率半径为 ，：坐( 2 一1 9 ) 刀口 2 i 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章电潜泵机组受力分析 s l 一一吣、q da ， ， j ， ，。i j ， 、 、 。 套管弯曲度为 图2 - 9 电潜泵弯曲度示意图 6 - ，( 1 一s 等) 由于口比较小时， i c o s 竺：2 s i n 2 竺竺 228 所以式( 2 - 2 0 ) 可变为 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 i ) 6 ：生：业。旦：里( 2 - 2 2 )d2 下2 瓦蔫矿。i 2 斋 ( 2 ) 电潜泵的弯曲度 由图2 5 可知 y 。= b 一( d d ) ( 2 - 2 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章电潜泵机组受力分析 式中d - - 套管内径，m ： d 一电潜泵外径，m 。 2 5 4 电潜泵的应力状况 ( 1 ) 横向力尸和轴向力s 的计算 由于电潜泵的弯曲度与其长度相比相差几个数量级，可以忽略不 计。由图2 9 可知： s = r c o s ( 詈一号) 。一：。， 又由力矩平衡可得下式： 刀s m ( 号一詈) = 詈，2 + 哇 。：一。， 经整理后， p 2 南叫( 2 - 2 6 ) t a n 陋，2 ) 1 由式( 2 - 1 7 ) 、( 2 2 3 ) 、( 2 - 2 6 ) 即可求得尸和s 。 ( 2 ) 应力分析 电潜泵在水平井弯曲段时，其截面上不但受剪力的作用，还受弯 矩的作用，因而其截面上既有剪应力又有正应力。剪应力的计算式为 f = 缈碍( 3 矿 ( 2 2 7 ) 式中：r 一截面半径，r = d 2 ，m ： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 q 一截面上的剪力，q = p ，n y 一与中性轴的距离，m 。 为了使电潜泵不被损坏，要求其截面上的最大剪应力f 一不超 过材料的许用剪应力 r 】。 电潜泵受到的正应力包括轴向力s 引起的正应力和弯矩引起的 正应力，其表达式为 盯：m p + 羔 ( z 一- 一 t 5 ) 盯= + 一 j e 1a 其中m = 一日害 式中p 一电潜泵某一截面的半径，m ； a 一电潜泵某截面的面积，廿。 同样要使电潜泵在下入之后能够恢复直线状态不被损坏，电潜泵 受到的最大正应力仃一不能超过材料的许用应力p 1 。 由此可见，为了能使电潜泵不被损坏，必须得同时满足上面两个 强度条件。 2 6 在生产过程中电潜泵的受力分析 当然，不管把电潜泵安装在哪个部位，首先必须满足的条件足， 电潜泵的下深在它的极限下深范围内。如果电潜泵的下深超出了它的 极限下深，即使泵能够通过弯曲段下入，也会因为泵过早出现机械故 障而停止生产。因此为了延长电潜泵的寿命，提高油井的经济效益， 2 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 必须把泵安装在即有充足吸入压力又能满足它的极限下深范围的部 位。在正常生产中，电潜泵机组的电机、电缆和电潜泵发生故障的频 率比较高，前两者已经引起了专家的足够重视，进行了大量的研究工 作，但对潜油泵的故障研究一直比较少，在这里主要对潜油泵最容易 出现故障的泵轴和叶轮的受力状况进行分析。 2 6 1 叶轮受力分析 叶轮结构示意图如图2 1 0 所示，若叶轮吸入口处液体压力为p 。， 叶轮出口压力为见，即叶轮的级压差为a p = p 2 一p i 。在叶轮吸入端 以上部分叶轮盖板均受到压力p ，的作用，可以近似的认为压力平衡“” “”“”。而叶轮吸入端端面受到压力n 作用，在吸入端端面所对的叶轮 背面则受到压力p ，的作用，其压力合力为一指向叶轮吸入端的轴向推 力s r s = k a p a a = 足疗( 尺：一尺：) ( p 2 - p 1 ) ( 2 - 2 9 ) 图2 1 0 叶轮受力分析 式中z l 4 = 万( r 。2 一尺：) ，m 2 ； r 。，r n 一分别为叶轮吸入端面内径与外径，m ： p 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 k 一水力实验值，可取为0 7 1 0 。 匡 - p 爵国 叵n 、。e鲁 瞰司 幽2 1 1 固定式泵轴不恿| ! | 2 6 2 泵轴分析 电潜泵分为固定式和浮动式两种，现主要对固定式泵轴进行分 析，固定式泵轴如图2 1 l 所示。由于固定式泵的叶轮不能作轴向移动， 叶轮的不平衡力s 只能经泵轴逐级传递给下部止推轴承，同时由于每 级叶轮的轴向间距较小，可把每级叶轮的轴向推力s 均分给每级叶轮 占泵轴的长度，视为轴向分布外力s s t2 m ) = 鼬p a a ：m ) q 。3 式中，离心泵的级压差卸可近似地取为 a p = 【日1 0 。4 + ( p ，一p 。) j ， ( 2 3 1 ) 式中日一泵挂深度，m ； o 一井液平衡重度，k g m 1 i p 。一井口回压，m p a , p 。一离心泵吸入口压力，m p a , m 一叶轮级数： e 一泵轴上安装叶轮的泵轴长度，m 。 因为e 与上。比较接近，为计算方便，e 可近似地用上。代替， 不会引起太大的误差( 若为多节泵，m 为各节泵叶轮级数之和，工。为 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电潜泵机组受力分析 各节泵轴长之和) 。 离心泵出口处泵轴所承受的轴向力p 为 p = h f 式中f 一泵轴上端面面积，m 2 。 而离心泵下部止推轴承所承受的轴向力尸+ 为 p = p + q l 。 其中，均布轴向载荷q 为 q = q q + s i q o = 【w 叶( l m m ) + q 轴c o sa 式中m ，叶一每级叶轮的重量，k g ： q 轴一泵轴单位长度的重量，k g m ： 口一泵所处之井段的井斜角，o 。 泵轴所承受的横向分布载荷吼为 q ，= w 轴( l m ) + q 轴s i n a p n - - i n n + l ( 2 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 图2 - 1 2 固定式泵轴分析模型 如此，斜井中井内固定式安装的泵轴可近似的采用图2 1 2 所示的 模型。把轴的空间弯曲变形处理为平面弯曲变形，进而把两支承间的 轴向分布载荷以均分布到该段轴的两支承点处，则各段泵轴所承受 中国石油大学( 华东) 硕t 论文第2 章电潜泵机组受力分析 的计算集中轴向力为 p 。= p i y i 1 y i 圈2 1 3 计算模型 于是，潜油离心泵泵轴的计算问题即归结为计算一个承受有集中 轴向力p 。与分布横向力q ，同时作用的纵横弯曲连续梁的计算问题，现 取其中任意相邻两段如图2 1 3 ，根据第i 个支承处梁的转角连续条件， 便可建立纵横弯曲下连续粱的三弯矩方程“” c t f - i i - i i , _ jm l - i + 2 i f l 。鲁恒丢 肘， m 杠叫一。棼一筹 式中口，= 6 ( 1 2 u ，s i n2 u f l 4 u , z ) f = 3 ( 1 4 u ；一1 2 u t 9 2 u f ) r i = ( t g u ? 一u i 、jm “? = 只i h 4 e i , e 一轴用材料的弹性模量， n m 2 ( f = 2 ，- ，功 ( 2 3 8 ) 71 j 一 2( ) h = u d ” i i o u 2 ， f q + 0 2 鼋h 川矾 + + p p 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 毒电潜泵机组受力分析 ，一第i 段轴的惯性矩，m 4 。 若令a ；= 口。f j - l i ，- i ，b l = 2 ( 尼1 i i l + p , t , t 。) ，