（石油与天然气工程专业论文）特高含水期潜油电泵井节能降耗技术研究.pdf

摘要 特高含水期潜油电泵井节能降耗技术研究 摘要 进入特高含水开发阶段的喇嘛甸油田，随着聚驱工业化及聚驱后转水驱规模的不断扩大，电泵 采油技术逐渐暴露出机组结构设计单一、工艺管柱结构固定、聚驱排量效率偏低以及机组工作能耗 偏高等问题，严重制约了电泵采油技术的发展。为了解决这些问题，研究应用了潜油电泵井优化参 数设计技术、自动补偿控制柜技术、永磁同步电机技术、变频调速技术以及大流道抽聚电泵等技术， 并开发了潜油电泵井优化参数设计软件，强化了电泵管理技术与手段，完善了机组结构配置，改善 了电泵工作状况，提高电泵井的排量效率和系统效率，为实现潜油电泵井整体节能降耗提供技术保 障。特高含水期潜油电泵井节能降耗技术不仅适用于现阶段电泵井的生产需要，也适应于油田的后 续开发阶段潜油电泵井的生产需要，对于降低电泵井工作能耗、实现电泵整体节能需要给出了正确 的指引。 关键词：喇嘛甸油田；特高含水期；潜油电泵井；节能技术 h 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 e n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c ho f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p i nt h es u p e rh i g hw a t e r - c u td e v e l o p m e n tp e r i o d a b s t r a c t l a m d i a no i lf i e l dh a se l l t e r 司t h es u p e rh i g hw a t e r - c u td e v e l o p m e n tp m o d s o m ep r o b l e m sh a v e b e e ne x p o s e dg r a d u a l l yi ne l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m po i lr e c o v e r yt e c h n i q u ew i t ht h es c a l eo f t h ep o l y m e r f l o o d i n gd e v e l o p m e n ti n d u s t r i a l i z a t i o na n dt h ep o l y m e rf l o o d i n gd i v e r t i n gt ow a t e r f l n o dd e v e l o p m e n t t h e s ep r o b l e m sa t h a tt h eu n i ts t r u c t u r a ld e s i g hi ss i n g l e t h ep i p es t r i n gs h a l c t u r ei s 缸e d t h ep u m p e f f i c i e n c yo f 他p o l y m e rf l o o d i n go i lw e l si sl o w e ra n dt h eu n i te n e r g yc o n s u m p t i o ni sh i g h e r , a n ds oo n t h ed e v e l o p m e n to f o i lr e c o v e r yt e c h n i q u ei ne l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pi sr e s t r i c t e ds e r i o u s l y i no r d e rt o s o l v e t h e s ep r o b l e m s ，s e v e r a la d v a n c e dt e c h n i q u e sh a v eb e e nr e s e a r c h e da n da p p t e di ne l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m p ，s u c ha sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nd e s i g nt e c h n i q u e ，a u t o c 岬t o nc o n t r o lt e c h n i q u e , p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o rt e c h n i q u e ，v a r i a b l e f r e q u e n c eg o v e r n o rt e c h n i q u ea n dd r a w - o f f p o l y m e re l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m pt e c h n i q u ew i t hh i g h - c a p a c i t yc h a n n e l , a n ds oo nw ea l s oo p e nu pt h e p a r a m e t e r s 哪曲衄l z a 土i o nd e s i g ns o p c w a r eo fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ，a n ds t r e n g t h e nt h em a n a g e m e n t t e c h n i q u ea n da d d e ro fe l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m po i lw e l l s s ot h eu n i ts t r u c t u r a la r r a n g e m e n th a sb e e n p e r f e c t e d , a n dt h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m po p e r a t i n gs t a t u sh a sb e e ni m p r o v e d “r h ep u m pe f f i c i e n c ya n d s y s t e me f f i c i e n c yh a se n h a n c e d t h i sg i v e * g u a r a n t e eo nt e c h n i q u et or e a l i z ee n e r g y - s a v i n go fe l e c t r i c s u b m e r s i b l ep u m po i lw e l l sa saw h o l e t h ee n e r g y - s a v i n gt e c h n i q u eo f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m po nw e l l s i nt h e 哪h i g hw a t e r - c u td e v e l o p m e n tp m o dc a nb ea p p l i e dn o to n l yi nt h ep r e s e n tp r 砸h m o f e l e c t r c s u b m e r s i b l ep u m p b u ta l s oi nt h ec o n t i n u o u se x p l o i t a t i o np e r i o do ft h eo nf i e l d i ta l s oc a ne c c u r a t e | y d i r e c to i lf i e l d s0 1 1a c c o u n to f d e c r e a s i n gt h ee l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p n o l l g yc o n s u m p t i o na n dr e a l i z i n g e n e r g y - s a v i n go f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p o i lw e l l sa saw h o l e k e yw o r d s ：l a m a d i a no i lf i e l d , s u p e rh i g hw a t e r - c u td e v e l o p m e n tp e r i o d ，e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ， e n e r g y - s a v i n gt e c h n i q u e m 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作 了明确说明并表示谢意 1 作者签名： 签! ：2 查日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名：孙t 吉 导师签名：墨参r 纠 日期：日期： i 创新点摘要 特高含水期潜油电泵井节能降耗技术研究 创新点摘要 本文具有以下创新点： ( 1 ) 建立了潜油电泵井优化参数设计的不同计算模型，各个模型问相互独立，是独立的可执行程 序。 ( 2 ) 开发了电泵井优化参数设计软件，通过软件操作平台可以直接浏览，计算、选择，进行电泵 方案优化设计。 i v ( 3 ) 优化参数设计技术是以电泵单井为核心， “) 全面细致地对电泵节能新技术进行介绍， 根据单井具体情况进行个性化设计，独立性强。 并进行现场应用，可直接指导油田生产。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 引言 目前，喇嘛甸油田共有三种机械采油举升方式：抽油机、电泵和螺杆泵。潜油电泵 采油技术作为一种产液量高、排量效率高、检泵周期长、方便管理的机械采油方式，在 油田得到了广泛应用。尤其在高产液井( 产液 3 0 0 t d ) 上的普及应用，具有其它举升 方式无可替代的优势，在油田提液上产方面做出了突出贡献，是油田长期保持稳产的重 要手段之一。 大庆油田白1 9 8 1 年开始大规模应用潜油电泵技术，目前全油田共有潜油电泵井 2 4 4 4 口，占机采井总数的6 4 5 ；年举升液量1 5 3 x1 0 8 t ，占总举升液量的3 4 7 9 1 年耗电约7 2 7 1 0 8k w h ，占油田采油用电的2 1 3 8 ，能耗较高。 目前，喇嘛甸油田共有潜油电泵井4 3 0 口，占枫采井总数的1 5 溉；泵型8 种，从 5 0 m 3 d 到5 5 0 m 3 d 不等；年举升液量3 2 6 0 xl i f t ，占总举升液量的4 3 ；年耗电1 7 9 x 1 0 8k w h ，占机采井总耗电量的4 8 3 ，能耗偏高，在采油成本构成中占有较高比例。 进入特高含水开发阶段的喇嘛甸油田，随着潜油电泵井在油田中的广泛应用，电泵 设计配置与生产动态变化间存在众多不协调环节，表现为：一是电泵机组设计扬程单一。 目前电泵机组出厂设计扬程均为1 0 0 0 m ，根据实际扬程为折算动液面、油压所相当的扬 程、举升管路的压损三项之和的计算方法，在保证一定合理沉没度的情况下，我厂9 0 9 6 以上的电泵机组对扬程的需求均低于1 0 0 0 m 。二是电泵机组装机功率偏高。对比同排量、 不同举升方式( 2 0 0 m 3 d 电泵、1 2 0 0 型螺杆泵、1 4 型节能抽油机) 实际消耗的功率可以 看出，电泵机组实际消耗的功率远远高于同排量其它举升设备，说明电泵配置与实际生 产需要之问存在一定的差距，导致比其它机采设备耗电量大。三是目前电泵井井下配套 电机为异步潜油电动机，经测试功率因数小于0 8 ，导致无功功率大，能耗损失高。四 是随着潜油电泵井供排关系的变化，电泵井的排量与油井供液能力不相匹配，经常出现 欠载或过载停机等现象。所有这些都严重制约着潜油电泵技术的发展，越来越与油田开 发方针“降本增效”相矛盾，不利于电泵举升设备的普及应用，也面临被同排量的螺杆 泵替代的局面。 为了解决以上问题，我们研究与应用了潜油电泵井参数优化设计技术、自动补偿 控制技术、永磁同步电机技术、电泵变频调速技术以及推广应用成熟管理技术，强化电 泵井的日常管理工作，改善了电泵井工作状况，提高了电泵井经济运行能力，实现了电 泵井节能降耗的目的。 第l 章潜油电泵井能耗现状、论文研究内容及节能发展方向 第1 章潜油电泵井能耗现状、论文研究内容及节能发展方向 随着经济的发展，人们对石油的需求日益增加，石油工业在整个国民经济中的地位 日益重要。而作为三大举升方式之一的潜油电泵是石油的重要抽汲方式，在石油工业中 占有举足轻重的地位。 潜油电泵技术是一种集机械、电机、电力电子、自动控制、电磁学、水力学、绝缘 材料、地质学等多学科技术相融合的技术，国内并没有专门的科研院所进行具有针对性 地研究开发。目前世界上潜油电泵机组的生产商主要分布在美国、俄罗斯、中国。中国 自上世纪八十年代初引进美国技术，已成为潜油电泵的主要生产国。作为国内最大的、 唯一具有专门的潜油电泵研究机构的潜油电泵制造商大庆力神泵业，本着一切为了市场 的宗旨，多年来一直致力于潜油电泵技术的开发研究工作，不断拓宽潜油电泵的应用范 围和领域。目前，大庆力神泵业潜油电泵的技术水平与技术发展基本代表了国内潜油电 泵的行业水平，其产品早已畅销国内中石油、中石化、中海油的各个油田，近年来，又 远销苏丹等国外市场，受到国内外广大电泵用户的青睐。喇嘛甸油田乃至大庆油田目前 应用的潜油电泵绝大多数是大庆力神泵业生产的电泵机组。 喇嘛甸油田目前共有潜油电泵井4 3 0 口，占机采井总数的1 5 0 1 泵型8 种，从5 0 m 3 d 到5 5 0 m 3 d 不等；年举升液量3 2 6 0 1 0 t ，占总举升液量的4 3 ；年耗电1 7 9 x1 0 8 k w h ， 占机采井总耗电量的4 8 3 ，能耗较高。虽然潜油电泵井在大排量、长检泵周期及便于 管理等方面具有其它举升方式无法比拟的优势，但为了扩大潜油电泵井的推广应用空 间，增加其市场竞争能力，降低潜油电泵井运行能耗势在必行。 1 i 电泵井能耗状况分析 潜油电泵系统由井下部分( 潜油电机、保护器、油气分离器以及多级离心泵等) 、 地面部分( 控制屏、接线盒) 以及连接井下和地面部分的中间部分( 电缆) 所组成。系 统工作时，电力经过变压器、控制器、电缆，通过电机转化为机械能，驱动多级离心泵 运转，将机械能转化为液体能，从而把井下液体举升到地面“1 。 通过对排量为2 5 0 m 3 d ，扬程为1 0 0 0 m 的电泵能耗、效率进行测试瞪1 ( 图卜1 ) 可 以看出，潜油电泵系统主要能耗集中在离心泵和电机上。 2 输入功率 6 7 2 k w 各部分能耗 各部分效率( ) 9 2 99 8 69 9 7 7 9 85 6 7 图卜l 电泵井能耗、效率测试图 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 上述测试数据表明，分离器和离心泵的能耗为2 1 2 2k w ，保护器和电机的能耗为 1 2 3 9k w ，分别占总能耗3 9 4 k w 的5 3 8 和3 1 4 。因此，分离器和离心泵的能耗是影 响电泵高效运行的主要因素。 1 2 论文主要研究内容 喇嘛甸油田目前在用的潜油电泵井共4 3 0 口，其中聚驱2 0 6 口，水驱2 2 4 口。平 均单井日产液2 3 7 6 吨，日产油1 0 6 吨，综合含水9 5 5 3 ，排量效率为9 3 。1 ，平均 检泵周期为1 2 4 2 天。喇嘛旬油田潜油电泵井的用电量占机采井总耗电量的4 8 3 ，比 重大。 为了降低潜油电泵井的运行能耗，主要从影响电泵井能耗的主要因素入手，重点 在能量消耗不合理的环节上下功夫，同时运用潜油电泵井节能新方法、新技术，并强化 电泵井的日常管理等工作，达到降低潜油电泵井能耗的目的。 因此，本文主要研究内容分为以下几个部分： ( 1 ) 潜油电泵井优化参数设计技术研究。 ( 2 ) 潜油电泵井其它节能降耗技术研究。 ( 3 ) 潜油电泵井管理，为节能降耗作保障。 1 3 潜油电泵井节能发展方向 为了做好潜油电泵井的节能降耗工作，在研究节能新技术、推广应用节能成熟技 术、强化潜油电泵井管理等工作的同时，进一步挖掘潜油电泵井的节能潜力，拓展潜油 电泵井的节能空间，明确潜油电泵井的节能发展方向非常重要。 喇嘛甸油田潜油电泵井的平均动液面较高、系统效率偏低，因此，今后潜油电泵 井的节能降耗工作应从以下几个方面开展工作。 ( 1 ) 科学合理地选井选泵 对于潜油电泵井，科学合理地选井选泵口3 是重要前提，在生产的过程中要随着井 况的变化适时调整地面参数，做到供排关系的协调，使潜油电泵始终工作在最佳工作区， 保证潜油电泵井的正常高效生产。 几十年来，油田潜油电泵井方案设计单一、管柱模式统一，导致电泵配置中装机功 率过高、扬程设计偏大，且实际能耗比其它同排量的机采举升设备耗电量大，这些都将 制约电泵采油技术的应用和发展。如对比同排量的2 0 0 m s d 电泵、1 2 0 0 型螺杆泵、1 4 型节能抽油机实际消耗的功率可以看出，2 0 0 m 3 d 电泵实际消耗的功率是同排量其它举 升设备的2 倍左右( 表卜1 ) 。 第l 章潜油电泵井能耗现状、本文研究内容及节能发展方向 表1 1同排量举升设备实际消耗功率对比表 举升设备2 0 0 m 2 d 电泵1 4 型节能抽油机1 2 0 0 型螺杆泵 消耗功率，k 霄4 4 3 51 8 8 0 1 6 5 8 从前期开展的电泵井优化参数设计技术现场试验效果来看，节能效果明显。因此， 应根据电泵单井的实际情况，结合电泵优化参数设计软件，进行机组参数配置优化设计， 包括电泵机组泵型、泵扬程、电机型号、级数、泵挂深度等方面的优化设计。从而科学 合理地进行选井选泵。 ( 2 ) 完善大流道抽聚泵和防气技术 完善电泵井大流道抽聚泵和防气技术，优选高效气体分离、乳化降解等技术，努 力提高潜油电泵井的举升排量效率。 由于“滑脱效应”的影响，聚驱潜油电泵井排量效率低，特别是当含聚浓度高于 3 0 0 m g l 时，电泵井的排量效率更低。统计喇嘛甸油田此类井7 2 口，排量效率在6 0 以下的井有6 2 口，占8 6 1 ，严重影晌聚驱电泵井的开发效果。而目前掺水及化学方 法降粘、高效叶导轮技术不能从根本上解决排量低的问题。通过与大庆力神泵业技术人 员多次进行交流，由大庆力神泵业开发研制的大流道抽聚泵，该泵在叶轮材质上、结构 上进行了改进，同时具有大流道的特点，在设计上克服普通叶导轮抽汲聚合物等高粘稠 液体产生的扬程降低和液体滑脱的问题，并能够提高抽汲高粘稠液体的性能。由于在现 场应用的少，效果还有待于在应用过程中不断改进和完善，以提高聚驱电泵井的排量效 率。 对潜油电泵井两言，高气液比往往会带来电泵井的排量效率降低，气蚀、腐蚀严 重，检泵周期下降h 1 等后果。目前，潜油电泵井都采用油气分离器进行油气分离，它 的分离能力为7 0 ，当泵吸入口处气液比小于1 0 时，分离器不起作用。分离器的主要 作用是防止离心泵产生气蚀、气锁。作为泵的吸入口，利用离心力的作用分离井液中的一 游离气，提高潜油电泵的排量效率。 但分离器结构复杂，加工难度大，若分离器与接头件不同轴，会造成在启泵瞬间 由于载荷过大而发生轴断，或者因偏摆度过大使叶轮与分离器内壁发生扫膛，以致外壳 被扫断、叶轮被卡死等现象时有发生，喇嘛甸油田每年因分离器闯题发生捡泵都在l o 口井以上。为此，有必要研制新型电泵井高效油气分离技术来解决上述问题。 ( 3 ) 规范适用条件和界限 潜油电泵井在大排量上的优势是其它两种举升方式所无法比拟的，它具有排量大、 检泵周期长、易于管理等特点，对于高含水、低油气比、低粘度油井尤其适用，排量效 率较高。因此，用好潜油电泵井就必须规范潜油电泵井的适用条件和界限。对于高含油 井、排量大的油井、低油气比油井以及低粘度油井多使用潜油电泵，反之则少用。 “) 推广应用成熟节能技术 通过现场上的应用，成熟节能技术的效果已经有据可查、有目共睹，要想取得好 的节能效果就必须加大已有成熟节能技术的推广应用力度，如永磁同步潜油电机节能技 4 大庆石油学院t 程硕士专业学位论文 术、自动补偿控制柜节能技术、电泵变频调速节能技术以及优化电泵参数设计等技术， 并在应用过程中依据单井具体情况，不断改进、不断完善，更好地适应潜油电泵井的实 际需求，达到降低潜油电泵井降耗的目的。 第2 章潜油电泵井优化参数设计技术研究 第2 章潜油电泵井优化参数设计技术研究 进入特高含水开发阶段及聚驱工业化开采阶段的喇嘛甸油田，由于气液比较低， 电泵井产液量又有较大的阶段性变化，因此，导致目前的潜油电泵方案设计中存在一些 不合理的现象，特别是管柱设计过于单一，扬程偏大，没有突出单井特性：功率匹配不 合理，存在“大马拉小车”现象，能耗偏高拍1 。为此，我们开展了潜油电泵井优化参数 设计技术研究，并自主研发了潜油电泵井优化参数设计软件。 2 ，1 潜油电泵井优化参数设计技术原理 随着潜油电泵井在油田中的广泛应用，电泵井逐渐暴露出设计单一、管柱固定、能 耗高和排量效率下降等问题。其中，主要表现为；一是电泵井的泵祝组设计扬程荦一、 与油井扬程实际需要不相匹配。如大庆油田使用的电泵机组设计扬程均为1 0 0 0 m ，全油 田2 4 4 4 口电泵井中有2 2 8 0 口井的泵挂小于1 0 0 0 m ，扬程偏大：只有1 6 4 口井泵挂深度 大于1 0 0 0 m ，见表2 1 。 表2 - 1大庆油田潜油电泵井泵挂深度统计表 二是经过测试可知，潜油电泵井系统主要能耗集中在离心泵和电机上。因此，为了 优化潜油电泵井方案设计、降低潜油电泵井的能耗，本文主要采取以下技术措施来减少 能耗： ( 1 ) 降低离心泵的级数：通过对单井进行优化参数设计，在满足生产扬程需要的前提 下，降低多级离心泵的叶轮级数，减少离心泵摩擦阻力。 ( 2 ) 降低电机的匹配功率：通过优化参数设计，根据泵叶轮的级数，匹配电机的功率， 减少电机励磁损耗，提高电机的功率利用率。 ( 3 ) 结合油井产液能力和液面状况，在满足产液需要的前提下，上提泵挂，降低电泵 举升高度，减少能耗。 在喇嘛甸油罔先期开展了潜油电泵井优化参数设计现场试验5 口井，其中排量为 2 5 0 m 3 d 扬程为7 0 0 m 、8 0 0 m 的电泵机组各下入l 口井，排量为3 2 0 m ： d 扬程为7 0 0 m 、8 0 0 m 的电泵机组各下入1 口井，排量为4 2 5 m 3 d 扬程为8 0 0 m 的电泵机组下入1 口井。措施 后，5 口井平均单井扬程下降了2 4 0 m ，装机功率由6 4 k w 下降到5 0 8 k w ，下降了2 0 6 ， 见表2 2 。 6 查堡互苎兰堕三堡堡主! 些兰堡垒塞 表2 - 2不同扬程配置奏数前后对比表 泵一型d警 级数潜诎泉警背警电机警警 从试验情况来看( 表2 3 ) ，优化后有4 口井捧量效率保持在8 0 1 2 0 的正常范围 内，排量效率上升了4 个百分点，液面下降了1 3 1 m ，机组运转正常。系统效率明显提 高，现场测试对比4 口井，系统效率上升了1 3 6 7 个百分点，有功节电率达到1 2 2 ， 4 口井单井平均日节电1 8 0 k w h 。 表2 - 3 优化配置后生产变化情况统计 2 1 1 确定潜油电泵井合适泵型 目前，最常用的产能预测方法是采用相对采油指数来计算油井产液量。 产能预测是潜油电泵选择计算中一个很重要的步骤，油井生产能力预测的准确 性，将直接关系到选泵的合理性。目前，在油田潜油电泵的选择计算中最常用的是采用 第2 章潜油电泵) 优化参数设计技术研究 相对采油指数n 3 来计算油井产液量。 对于具体的单井，根据已获取的数据绘出不同流压下的产量曲线。再根据合理开采 流压值，得到该并的预测产液量。通过对喇嘛甸油田6 8 口电泵井试并资料整理分析后 认为：喇嘛甸油田合理开采流压范围在3 4 m p a 之间。根据预测的产量及产量变化形势 选择合适的泵型，尽可能使泵的排量效率在较长的工作时间内保持在8 0 秘1 2 0 的合理 范围内嘲。 2 1 2 确定潜油电泵井合理泵挂 根据油藏提出的流压要求，计算油井折算动液面，再根据合理泵效下所需要的吸 入口压力或沉没度来确定泵挂深度。1 。电动潜油泵对迸泵气液比要求比较苛刻，进泵气 液比不能过大，否则会冲击损害设备。因此泵挂深度应在要求的流压下保证足够的泵口 沉没压力，以降低进泵液体的气液比“。 对泵挂深度的确定，我们充分考虑当前油井的供排关系，并充分与油藏结合，掌握 地下形势，根据合理生产流压，计算出潜油电泵井的折算动液面，同时结合合理的沉没 度( 2 5 0 3 5 0 m ) 或泵吸入口压力( 2 3 m p a ) 来确定泵挂深度。 在求得所需的下泵深度后，还应考虑限制泵深的其它条件，如电泵井产量高，需 采用丢手不压并工艺：因封隔器须卡在射孔项界以上，封隔器深度之上还要留有扶正器、 潜油电机及保护器等井下工具或设备所占用的深度，所以，泵挂深度要小于射孔项界深 度并考虑到以上内容的占用量。 如果所求得的下泵深度超过了人工井底或井筒内的某些限制因素，如套管变形点 等，说明所要求的充满程度过高，对本井来说不现实，在给定的流压下无法达到，应采 用降低充满程度要求或提高流压值的方法进行修正“。 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 2 1 3 设计潜油电泵井的扬程 目前，油田电泵扬程设计单一，不能满足单井实际扬程的需要，造成能耗损失严重。 为此，我们把泵扬程的确定作为系统优化设计内容的一部分，运用优化参数设计系统来 确定泵的扬程。 在确定总扬程时充分结合油井动、静态数据。根据流体力学及相关知识d 2 电泵 总扬程为折算动液面、垂直管路损失、油压耗用的扬程三者之和。( 1 ) 利用合理流压值可 确定折算动液面。( 2 ) 在确定管路损失时，采用查图版的方式，得到不同产量1 0 0 0 m 的管 路损失，对这些数据进行拟合得到内径为6 2 m 油管的管路损失随产量及泵深变化的 关系，如果是聚驱井，由于粘度大，管路损失也相对大一些，可对此计算方法进行修币。 通过查图舨的方式，得到管路损失随产量及泵深变化的关系： h 2 6 。1 0 。g ”。0 0 0 l h p ，可确定管路损失。( 3 ) 统计分析后认为：油压0 6 m p a 可满足油田集输、计量要求，因此，在确定油压相当的扬程时取0 6 m p a 。 通过以上方法，可得到不同生产流压下电泵井扬程。从计算中可以看出：若丌采流 压为3 m p a ，喇嘛甸油f f i 有3 3 5 口井泵扬程偏高，占总的电泵井的6 6 7 ：若丌采流压为 第2 章潜油电泵j l ：优化参数设计技术研究 4 m p a ，则喇嘛甸油田电泵井扬程都偏高，见表2 - 4 。 表2 - 4 不同生产流压下电泵井扬程井致统计 在扬程确定后，出潜油电泵井的下泵设计书，并及时与大庆力神泵业技术人员联系 由大庆力神泵业装备、生产合适的叶轮级数和电机功率等参数的电泵机组。 2 2 潜油电泵井优化参数设计软件的研等司 2 2 1 优化参数设计软件研制的理论依据 ( 1 ) 泵吸入口压力与吸入口气液比关系m 溶解气油比 饱和压力下溶解气油比为： r o = 0 1 3 4 2 y 2 。只。币l o 丽 丽y 0 0 0 1 2 5 1 4 1 5 - 1 矿j 1 j ；t 式中r 。饱和压力下的溶解气油比，m a m a ： y 。、y ，一天然气及原油的相对密度： p 。饱和压力，m p a ； t 井底温度，。 流压低于饱和压力，溶解气油比需进行校正： 五= 3 如百p 五“l 导+ 0 2 3 l f , , = 0 6 2 9 x p 圪+ 。3 7 ( o 1 ! 0 ，3 ) b 式中 r 。一校正溶解气油比，泵吸入口压力下的溶解气油比，m 4 m 1 ： f 一校正系数； p 泵吸入口压力，m p a 。 体积系数 l o ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 一j ) 、iilrj一 to p b ) 时： v o g e l 建立的无因次i p r 曲线未考虑含水情况，而就大多数注水开发油田而言，随 着采出程度的增加，油井早晚要见水，如果流压低于饱和压力，就将出现油气水三相渗 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 流。p e t r o b r a s 根据油流的v o g e l 方程和水油的生产指数， 三相渗流时的i p r 曲线及计算公式： 吼= 坛一p b ) p 耐= 从几何学角度导出了油气水 + 告 一+ 南( i 一里爿， 万一了q ，( o g 吼) 兀( 石j 一号) + o 1 2 5 0 - l ) p b ( s 一s 。z q 。- q 一6 9 。 咒一1 ，。a a p b ，则： 歹= q 槲仨一p 咖) 测试时，如果p m 。 p b ，则： 其中： ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 7 ) 扛砑i 毒腼习 q 。8 ) 一o 割一o 引2 ( 2 - 1 9 ) 第2 章潜油电泵井优化参数设计技术研究 根据以上方程即可绘制出在地层压力大于饱和压力时的i p r 曲线。 地层压力小于饱和压力( p r p b ) 时： 在不考虑地层污染情况下，采用v o g e l 方程表示如下： 俐一卜詈一。倒i 江z 根据已知参数算出吼一，吼一的表达式如下所示： ( 2 - 2 1 ) 式中 口。产液量，t d ； p 。测试井底流压，。 2 ) 确定泵型 油层中部流压的确定 通过泵吸入口压力( 沉没压力) 和确定后的泵挂深度来确定，如下： ，0 = o 0 l i p , + 。一h ，b 。】 ( 2 2 2 ) 式中 y ，一井液平均密度，k g 脚3 。 油井产能的确定 第一步：当确定出油井渗流属于哪一种后，应用其相应的公式。进行产量预测。 第二步：绘制相应的油井渗流曲线。 第三步：通过确定后的油层中部流压，从曲线中得出相应的产量。 泵型的选择 目前油田应用的潜油电泵泵型共有5 0 m 3 d 、1 0 0m 3 d 、1 5 0 m 3 d 、2 0 0 m 3 d 、2 5 0 m 3 d 、 3 2 0 m 3 d 、4 2 5 m 3 d 、5 5 0 m 3 d 、6 3 0 m 3 d 、7 0 0 m 3 d 共1 0 种。其中，喇嘛甸油田目前应用的 是前8 种泵型。 li o 8 l 旦二刊 0 ，目s = s s ，最小。 2 2 2 潜油电泵井优化参数设计软件操作平台 第2 章潜油电泵井优化参数设计技术研究 根据潜油电泵井目前的设计方案，在设计方案时只需要优化管柱、泵挂深度、泵型 和扬程即可，因此操作平台有以下四个： ( 1 ) 泵吸入1 3 压力与吸入口气液比关系计算平台 应用该平台主要是绘制泵吸入口压力与吸入口气液比关系曲线和计算泵吸入口压 力为2 m p a 时，吸入口气液比的值，如果泵吸入口气液比的值小于1 0 时取消分离器。 1 6 平台运行前 ( 2 ) 泵挂深度运算平台 利用该平台可完成潜油电泵井泵挂深度的计算。 平台运行前 平台运行后 平台运行后 ( 3 ) 产能预测及泵型设计平台 应用该平台主要是绘制泵产液量与井底流压关系曲线，并应用该曲线实现潜油电泵 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 平台运行前 ( 4 ) 泵扬程设计平台 利用该平台可实现潜油电泵井泵扬程的计算。 平台运行后 平台运行前 平台运行后 2 3 潜油电泵井优化参数设计技术的应用 潜油电泵井优化参数设计技术主要进行三个方面的优化：一是降低离心泵的级数， 减少离心泵摩擦阻力：二是降低电机的匹配功率，减少电机励磁损耗，提高电机功率利 用率：三是结合油井产液能力和液面状况，在满足产液需要的前提下，上提泵挂，降低 电泵举升高度，减少能耗。 2 0 0 6 年，应用潜油电泵井优化参数设计系统随检泵进行优化4 6 口井，年节电1 0 9 0 1 0 4k w h 。系统效率明显提高，节能效果显著。 其中，应用潜油电泵井优化参数设计系统实施降扬程3 2 口井( 表2 6 ) ，平均单井 扬程下降了1 6 9 m ：装机功率下降1 3 7 k w ，下降了1 9 6 ；有功功率下降7 9 k w ，有功节 电率1 2 3 ；排量效率由7 3 6 提高到8 9 9 ，提高了1 6 3 个百分点：系统效率提高了 第2 章潜油电泵井优化参数设计技术研究 7 5 个百分点；平均单井日节电1 8 9 6k w h ，只吨液节电1 8 4k w h ，年节电5 4 6 1 0 4k w h 。 表2 - 6 电泵井优化参数设计降扬程平均单井效果 应用潜油电泵井优化参数设计系统实施换小泵1 4 口井( 表2 7 ) ，平均单井装机功 率下降1 8 7 k w ，下降了2 8 8 ；有功功率下降了9 k w ，有功节电率1 5 2 ；排量效率由 5 2 9 提高到8 0 8 ，提高了2 7 9 个百分点；系统效率提高了8 5 个百分点：平均单井 日节电2 1 6k w h ，日吨液节电1 9 6k w h ，年节电5 4 4 1 0 4k w h 。 8 表2 - 7 电泵井优化参数设计换小泵平均单井效果 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第3 章潜油电泵井其它节能降耗技术研究 3 1自动补偿控制柜技术研究 潜油电泵井自动补偿控希柜技术是针对目前电泵井电网系统功率因数偏低，消耗 的无用功过高而研制的。其原理是利用电容与潜油电机对电压超前和滞后的特性，在变 压器输出侧安装补偿器，补偿6 k v 侧电压与电流过大的相位角，即功率因数，降低电网 消耗的无用功，达到节能的目的“”。 3 1 1 自动补偿控制柜技术的节能原理 机采井工作时的电能能耗主要包括两个部分：一是电机做功实际消耗的电能。二是 电流通过导线传输时的线路损耗( p = 3 1 2 r ) ，简称线损。线损又由有功电流和无功电流 组成。电机因做功所消耗的电能是不能减少的，否则就会影晌电机的正常运转，导致电 机不能正常工作，而线路损耗中的无功电流却可以通过一定的方法，使其降低到最低程 度，从而使传输回路上的线损只剩下有功电流的线路损耗1 1 1 自动补偿控制技术就是 根据这一基本原理研制的。 自动补偿控制柜的核心自动补偿控制器是采用t i 公司的混合信号处理器( m s p ) 技术，具有集成度高、测量精度高、处理速度快、功耗低等特点，保证了系统的可靠性 和抗干扰能力。它采用了数字信号处理算法，大大提高了测量精度和抗干扰能力，能可 靠地运行在大谐波、非正弦屯流、强干扰等恶劣环境下，实现多参数( 电压、电流、有 功功率、功率因数、相位) 的测量“。控制算法使用了模型识别和预估分析算法“”， 确保采用最优化的电容投切方案，自动识别故障( 过压、元件损坏等) 并报警。并且采 用监控三相电压和三相电流，从而保证测量和控制的准确性和可靠性，能够真j 下可靠地 实现长时间连续稳定运行。 自动补偿控制柜主要是提高机采井的功率因数，最大限度地将无功电流降低到最低 程度，使无功线损降低到接近为零。 自动补偿控制柜技术具有以下七项主要功能1 ： 具有全面测量监控能力：监测各相电压、电流、有功功率、功率因数、相位等 参数。 具有自动识别负载情况，采用分组智能投切方式，补偿精度高，控制稳定。 具有过压、过流、欠压、元件故障等异常保护功能，确保长期安全运行。 具有存储能力，记录运行时各种参数。 ， 具有有功功率累计功能。 采用中文图形显示界面，显示信息量大，易于操作。 助率因数投切门限、投切时问、响应时| 1 日j 、保护参数等参数可设定。 第j 章潜油电泵井其它节能降耗技术研究 自动补偿控制柜的主要技术参数o ”如下：响应时问：0 i s 2 4 h 可调。投切 组数：l 组3 组。测量精度：1 。环境温度：一3 0 + 5 0 。工作电压：3 8 0 v 2 3 0 0 v 。频率：5 0 h z 。补偿方式：三相补偿。过补切除时问：i s 外壳防护等级： i p 2 3 3 1 2 自动补偿控制柜技术的现场应用及效果 2 0 0 5 年，喇嘛甸油田共在喇十一变线路中的8 1 ：3 电泵井上安装了自动补偿控制柜， 通过对这8 口井补偿前后数据的对比发现：功率因数由补偿前的0 7 o 8 4 之问，提高到 补偿后的0 9 o 9 9 之间，平均功率因数由补偿前的0 8 0 提高到补偿后的0 9 7 ，提高了 0 1 7 ；运行电流也有不同程度的下降，平均运行电流由补偿前的4 1 2 a 下降到补偿后的 3 3 7 a ，节电效果较好，见表3 l 。 表3 - i 喇十一变线路电泵井应用自动补偿柜节能效果对比表 2 0 0 6 年，又在喇i l 的6 0 1 2 3 南干线的5 口电泵井上安装了自动补偿控制柜( 表 3 - 2 ) ，通过对补偿前后数据的对比发现，平均单井无功功率由4 3 0 2k w 下降到1 4 8 6k w ， 下降2 8 1 6k w ，下降了6 5 4 ：功率因数由0 8 4 提高到0 9 7 5 ，提高了0 1 3 5 ；运行电 流由4 5 5 8 h 下降到3 8 6 5 h ，下降了6 9 3a 。这5 口井年节电1 2 3 1 0 4k w h 。 表3 - 2 喇i 一1 南干线电泵井应用自动补偿柜节能效果对比表 人庆石油学院工程硕 ：专业学位论文 以喇十一变电度表现场采集数据为例，进行潜油电泵井补偿前后节能效果和经济 效益分析： 自动补偿全部开：2 0 0 5 年1 1 月1 4 日，电度表读数1 2 8 o k w h 自动补偿全部关：2 0 0 5 年1 1 月2 0 日，电度表读数2 2 7 3 k w h 2 0 0 5 年1 1 月2 6 日，电度表读数3 3 5 9 k w h 电度表电压互感器变比：6 0 0 0 1 0 0 = 6 0 电度表电流互感器变比：3 0 0 5 = 6 0 补偿开时每天的用电量：( 2 2 7 3 - 1 2 8 0 ) x 6 0 x 6 0 6 = 5 9 5 8 0 ( k w h ) 补偿关时每天的用电量：( 3 3 5 9 - 2 2 7 3 ) x 6 0 x 6 0 6 = 6 5 1 6 0 ( k w h ) 补偿开时每天的节电量= 补偿关时的用电量一补偿开时的用电量 = 6 5 1 6 0 5 9 5 8 0 = 5 5 8 0 ( k w h ) ， 每度电按0 4 6 元计算，则全年节省电费： 5 5 8 0 0 4 6 x 3 6 5 1 1 0 0 0 0 = 9 3 ，6 8 8 2 ( 万元) 3 1 3 几点认识 ( 1 ) 自动补偿能够动态、高速跟踪无功功率的变化，投切及时准确，可以避免固定式 补偿所出现的欠补或过补现象。 2 ) 自动补偿采用逐级循环投切方式，补偿精度高，抗干扰能力强，具有抑制自身发 电功能。 ( 3 ) 自动补偿能够实现线路无功功率的实时补偿，并降低了用电设备的运行电流，使 用电设备的温升下降，从而延长了变压器、电机的使用寿命。 ( 4 ) 电泵井中有l 口井( 喇6 - 2 4 1 5 ) 补偿后功率因数( o 9 0 ) 达不到9 5 以上，是 因为这口井补偿前功率因数( 0 7 0 ) 较低。因此，对功率因数较低的井，建议设计补偿 柜时加大电容容量，确保补偿后功率因数能够达到9 5 以上。 3 2 永磁同步电机技术研究 随着油田开发进入特高含水期，油井的含水率不断上升，为保证油用的稳产。采油 能耗逐步攀升。1 9 9 6 年，大庆力神泵业公司就已经敏锐地意识到这问题，并着手开 发研制了节能型潜油电泵产品稀土永磁同步潜油电机。 3 2 1 永磁同步电机技术的节能原理 第3 章潜油电泵井其它节能辟耗技术研究 永磁同步电机与异步电动机相比，减少了定子电流和定子电阻损耗，从而使其效率 比同规格的电动机提高2 8 个百分点。永磁同步电动机具有功率因数高( 达到0 9 5 以 上) 、体积小、重量轻陋1 等特点，有利于改善电网供电状况，是一种技术较成熟、工艺 较稳定的节能产品。 稀土永磁同步潜油电机是大庆力神泵业的专利产品，该电机具有功率因数高、转 速恒定、运行效率高、体积小、重量轻( 同比下降l0 9 6 ) 等特点。稀土永磁同步电机与 异步电机的主要技术指标对比见表3 3 。 表3 - 3 永磁同步电机主要技术指标 从表中可以看出，永磁同步电机的功率因数达到0 9 5 ，比异步电机的功率因数 ( o 8 0 ) 高0 1 5 ；永磁同步电机的效率为8 5 ，比异步电机的效率( 8 0 9 6 ) 高5 ；永磁 同步电机的转速为3 0 0 0 r p m ，异步电机的转速为2 9 0 0 r p m ，转速恒定。 稀土永磁同步潜油电机是在1 1 4 系列电机的基础上研制丌发的“”，