电潜泵采油简介VIP

电潜泵采油技术简介 目录 一 电潜泵采油概述 二 电潜泵采油系统 三 油井产能分析 五 电潜泵采油系统优化设计 四 井筒流体压力 温度计算 深井泵 有杆泵 无杆泵 地面驱动螺杆泵 电动潜油离心泵 水力活塞泵 水力射流泵 游梁式抽油机 深井泵 链条式抽油机 深井泵 一 电潜泵采油概述 无杆泵采油也是一种机械采油方法 它与有杆泵采油的主要区别在于动力传递方式不同 有杆泵采油是利用从地面下入井内的抽油杆作为传递地面动力的手段 带动井下抽油泵 将原油抽至地面 电潜泵全称电动潜油离心泵 简称电泵 是将电动机和泵一起下入油井内液面以下进行抽油的井下举升设备 电潜泵是井下工作的多级离心泵 同油管一起下入井内 地面电源通过变压器 控制屏和潜油电缆将电能输送给井下潜油电机 使电机带动多级离心泵旋转 将电能转换为机械能 把油井中的井液举升到地面 近些年来 国内外电潜泵举升技术发展很快 在油田生产中 特别是在高含水期 大部分原油是靠电潜泵生产出来的 电潜泵在非自喷高产井或高含水井的举升技术中将起重要的作用 一 电潜泵采油概述 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 一 电潜泵采油概述 4 地面占用面积小 能够较好地运用于斜井与水平井以及海上采油 电潜泵举升方式的主要缺点 1 下入深度受电机功率 油套管直径 井筒高温等的限制 2 比较昂贵 初期投资高 3 作业费用高和停产时间过长 4 电机 电缆易出现故障 目录 一 电潜泵采油概述 二 电潜泵采油系统 三 油井产能分析 五 电潜泵采油系统优化设计 四 井筒流体压力 温度计算 1 潜油电泵机组组成 井下部分 潜油电机 保护器 分离器和多级离心泵 潜油电缆 地面设备 辅助设备 扶正器 测温测压装置 单流阀 泄油阀 井口穿越器 接线盒 潜油电泵供电流程 地面电源 潜油电机 控制屏 变压器 潜油电缆 潜油电泵抽油工作流程 分离器 单流阀 多级离心泵 井口 泄油阀 地面出油干线 二 电潜泵采油系统 定频驱动 降压变压器 控制柜变频驱动 降压变压器 变频器 升压变压器 潜油电机是潜油电泵的动力机 它驱动潜油泵抽汲地下的原油潜油电机主要是由细长的固定部分和旋转部分组成的 整个外形像一个细长的钢管 结构组成 定子系统 转子系统 止推轴承 油循环系统 上下接头 二 电潜泵采油系统 潜油电机 结构特点 外形与多级离心泵相似呈细长形 定子和转子亦分数节 每节定子都固定在电机壳上 转子靠键和定位卡簧固定在轴上 电机为悬挂式 上部有止推轴承 承受转子重力和其它轴向力 电机内充满专用润滑油 起润滑 冷却 增强电机绝缘性能和平衡电机内外压力的作用 潜油电机的性能参数包括功率 电流 电压 转速 频率等 一般都在潜油电机的铭牌上给出 潜油电机的型号及参数 二 电潜泵采油系统 保护器是潜油电泵的重要组成部分之一 保护器的作用 1 密封电机的动力端 防止井液进入电机内部造成绕组短路 并保持电机内的压力和井内的压力系统相连通 2 在运行过程中 对电机内润滑油的膨胀和收缩有容纳和补偿作用 3 承受来自多级离心泵的轴向力 4 连接电机和泵 分离器 为泵传递动力 目前 国内外在潜油电泵机组中所使用的保护器种类很多 但从其原理来看 使用比较普遍的有两种 即沉淀式和胶囊式保护器 保护器 二 电潜泵采油系统 保护器的型号 二 电潜泵采油系统 油气分离器是潜油电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 否则 就要选用吸入口 吸入口可单独使用 也可和潜油泵加工制做在一起 油气分离器作用 作为井液进入潜油泵的吸入口 当混气液体进入离心泵之前 先通过分离器进行气 液两相分离 被分离出的气体进入油 套管环形空间 液体则进入潜油泵内 这样就可以避免气体对泵产生气蚀 减少气体对潜油泵工作性能的影响 从而提高泵效及延长泵的使用寿命 使潜油电泵机组能够正常运转 二 电潜泵采油系统 按其结构及气体从混合液分离的方式不同 把分离器分为三种类型 沉降式 重力式 气液分离器 旋转式 离心式 气液分离器和涡流式气液分离器 分离器种类 沉降式分离器 离心式旋转分离器 涡轮式旋转分离器 二 电潜泵采油系统 旋转式分离器结构 旋转式分离器主要是由诱导轮 叶轮 导轮 分离腔 分流壳 轴及上 下接头等部件所组成 其结构如图所示 二 电潜泵采油系统 首先诱导叶轮将油气引入低压吸入叶轮区 然后 低压吸入叶轮使油气混合液获得稳定的压头 叶轮的高速旋转使混合液的流向经过导向轮后 由径向流变为轴向流进入分离腔 混合液在高速旋转分离腔内做匀速圆周运动 由于离心力原理 比重大的液体甩向外围 比重轻的气体则聚集于轴心附近 被甩向外围的液体 经分流壳进入泵的第一级 气体则经过分流壳的分叉流道 再经过上接头放气孔进入油套环空 旋转式分离器工作原理 潜油电泵的主要结构 潜油泵是由多个单级离心泵串联而成 每一级由一个转动的叶轮和一个固定的导轮 壳 组成 叶轮内的油液随着叶轮的旋转而旋转 以实现压能的转换 导轮的主要作用是在转换液体压能的同时 把部分高速动能变成低速能量 泵的叶轮分 浮式 叶轮和 固定 式两种 浮式叶轮多用于中小排量泵 固定式叶轮一般用于大排量泵 二 电潜泵采油系统 潜油电泵的工作原理 潜油电泵是在井下工作的多级离心泵 它的工作原理与地面离心泵相同 当充满在叶轮流道内的液体在离心力的作用下 从叶轮中心沿叶片间的流道甩向叶轮四周时 液体受叶片的作用 使压力和速度同时增加 并经导轮的流道被引向次一级叶轮 这样 逐级流过所有的叶轮和导轮 进一步使液体的压能增加 逐级叠加后就获得一定的扬程 从而将井液举升到地面 二 电潜泵采油系统 潜油电泵的结构特点 潜油离心泵和普通的地面离心泵相比 在结构上有如下特点 1 直径小 级数多 长度大目前潜油泵的叶轮级数一般为150 450级 这种特殊性质决定了潜油泵泵的外形尺寸又细又长 一般由几百级叶轮组成的一台泵 其总长度一般为 4 35m 导致泵轴和泵壳体在制造 加工上都有很大的困难 也不便于组装 运输及施工 所以潜油泵一般采用分节装配 每节长1 7m 每台泵由1 5节组成 二 电潜泵采油系统 2 轴向卸载 径向扶正为了消除轴向力 采用了轴向卸载机构 各级叶轮上均装有止推垫片 承受泵的轴向力 当泵工作时 叶轮止推垫片压在导轮上 这样轴向力就可通过导轮逐级传递到泵壳上去 而导轮止口与叶轮裙部相摩擦 则起到多级扶正的作用 保证了轴不弯曲运行 3 泵吸入口装有特殊装置 如油气 油砂分离器潜油电泵在工作时 输送的是多相流体介质 即液相 油和水 气相 自由气体 和固相 砂 蜡 盐和其他机械杂质 各相对泵的工作特性都有独特的影响 尤其是气体和砂的影响最为严重 所以 在使用潜油电泵时 必须根据油井实际情况 在泵吸入口安装气体处理装置和防砂装置 以减少气体和砂子进入潜油泵 4 泵出口处上部装有单流阀和泄油阀 潜油电泵的型号 二 电潜泵采油系统 潜油泵的性能参数 包括排量 压头 扬程 轴功率 效率 转速等 一般都在潜油泵的铭牌上给出 排量 潜油泵的排量有体积排量和质量排量之分 体积排量是潜油泵在单位时间内所抽送流体的体积 既是从潜油泵压出口截面所排出的液体体积 质量排量则是潜油泵在单位时间内所抽送的液体质量 通常所说的排量都是体积排量 只有在计算潜油泵的输出功率时才用质量排量 离心泵的排量取决于 转速 叶轮尺寸 出口压力和液体性质 与泵的级数无关 扬程 是指单位重力的液体流过潜油泵后其能量的增值 即是潜油泵压出口处单位重力液体的机械能减去吸入口处单位重力液体的机械能 取决于 叶轮的圆周速度 H u2 g 和泵的级数 与所泵送的液体的比重无关 二 电潜泵采油系统 潜油泵的性能参数 转速 单位时间内潜油泵内叶轮的回转数 用n表示 单位 r min 功率 指潜油泵的输入功率 即潜油电机传递给潜油泵轴的功率 用P表示 单位为 kW 潜油泵的输出功率是指液体流过潜油泵时由潜油泵传给液体的有效功率 也就是质量排量与单位质量液体流过潜油泵时能量的增值g H的乘积 输出功率用Pu表示 单位 Kw 效率 潜油泵的输入功率与输出功率是不相等的 在潜油泵内有功率损失 功率损失的大小以效率来衡量 潜油泵的效率是输出功率与输入功率之比 二 电潜泵采油系统 潜油电泵的工作特性曲线 二 电潜泵采油系统 潜油电泵的工作特性曲线是指泵的扬程 功率和效率同排量之间的关系曲线 它是选泵设计的重要依据 一般的特性曲线是在固定的转速 电机频率60Hz 转速为3500rpm 下 在相对密度为1 粘度为1mPa s的清水中测试的泵的工作特性 潜油电泵的工作特性曲线 二 电潜泵采油系统 转速影响遵循仿射定律 影响泵特性曲线的因素 转速 二 电潜泵采油系统 影响泵特性曲线的因素 粘度 二 电潜泵采油系统 液体粘度大使得泵的举升功率增加 同时泵的扬程 排量和效率也有所下降 影响泵特性曲线的因素 温度 流体温度对电机和电缆的绝缘程度有较大的影响 流体温度高需要选择耐温等级高的电机和电缆 增加采油成本 当温度比电机的额定温度每高出10 电机的使用寿命就将缩短一半 当温度比电缆的极限使用温度每高出8 4 时 电缆的寿命也将降低一半 气体进泵会占据一定的泵容 必然使液体进泵量减少泵内流体密度与单相液体不同 对泵的功率会产生影响气体对泵内各种能量损失产生影响 使泵的特性偏离单相液体的特性 气体对泵特性的影响主要有以下几方面 影响泵特性曲线的因素 气体 低压实验表明 当泵吸入口气液比小于0 07时 泵的压头 排量曲线与单相液体接近 当泵吸入口气液比大于0 07时 泵的特性偏离单相液体的特性 目前普遍把泵吸入口气液比为0 1作为界线 二 电潜泵采油系统 游离气体过多时 叶轮流道的大部分空间被气体占据 将会使离心泵停止排液 泵内任何一点流体压力 工作温度下流体饱和蒸汽压时 产生小气泡 气泡流入高压区会冷凝和破碎 这时产生的压力很大 使泵易受到冲击和腐蚀 这种现象和水击相似 称作气蚀 气蚀使泵的工作特性变差 排量和效率下降 防止气蚀和气锁 泵的吸入压力足够高 二 电潜泵采油系统 影响泵特性曲线的因素 气蚀 影响泵特性曲线的因素 砂 蜡等 要求含砂小于0 05 含砂后 泵叶轮磨损 排量下降 蜡沉积堵塞叶导轮流道 井液阻力增加 电机负荷增加 严重时过载停机 二 电潜泵采油系统 二 电潜泵采油系统 潜油电缆作为潜油电泵机组输送电能的通道部分 长期工作在高温 高压和具有腐蚀性流体的环境中 潜油电缆包括动力电缆和潜油电机引接电缆 动力电缆分为圆电缆和扁电缆 电机引接电缆只有扁电缆一种 潜油电缆 潜油电机引接电缆的外形结构和各部分的作用都与动力电缆是很相似 但由于工作的环境空间小于动力电缆工作的环境空间 其外形尺寸要比动力电缆小一些 同时 由于其外形尺寸较小 工作环境温度较高 所以 其绝缘强度要求比动力电缆更高 为了提高强度 有些引接电缆在结构上采用铅护套 电缆作用 向井下电机供电 二 电潜泵采油系统 潜油电缆和普通动力电缆相比具有以下特点 1 要求耐高温 油 气和水 有适应井下工作状况的特性 2 外形结构尺寸要符合环形空间的要求 3 为满足油井对机组尺寸的要求 潜油电缆一般采用圆形或扁形 小扁 扁形和扁形 小扁 连接在一起的复合结构 4 要适应井下工作温度50 150 并要求在 30 环境下 进行起下泵作业时 潜油电缆护套层不破裂 电缆头是电机引接电缆与潜油电机相连接的一种特殊密封接头 是潜油电缆的重要组成部分 它主要由上下壳体 铜或钢 上 下绝缘压垫 与电机插座相插配的三相插头 纵向密封胶垫及尾部浇注密封端等组成 潜油电缆 二 电潜泵采油系统 变压器 变压器是一种静止电气设备 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 在潜油电泵油井中的作用是为潜油电机提供工作电压 数百伏至数千伏的电源 控制柜 潜油电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 潜油电泵控制柜分为手动 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 二 电潜泵采油系统 潜油电泵的附属设备 在潜油电泵使用过程中 除了所必须具有的三部分七大部件之外 还要使用一些如测温测压装置 单流阀 泄油阀及接线盒等附属配套设备 这样才能保证潜油电泵的正常使用 测温测压装置 测量井下压力和温度 接线盒 作用主要有两个 1 连接控制柜至井口电缆 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 2 使用接线盒后 可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 在潜油电泵系统中必须使用接线盒 二 电潜泵采油系统 潜油电泵的附属设备 单流阀 单流阀的作用 1 防止停泵时油管内的赃物下沉而卡泵 2 防止泵反转 反转时产生的电流可能烧坏电机和电缆 损坏传动轴 3 若管柱上没有单流阀 当电机还在反转时 若有人重新启动电机 这时机组很可能会损坏 泄油阀 以防止起泵时油管柱中的井液在卸油管时流到地面上 使机组处于井筒中间 以便电机很好冷却 防止电缆与套管内壁摩擦损坏 扶正器 以电能为动力源 电网电压首先经过变压器改变电压后输入到控制柜 通过潜油电缆将电能传给潜油电机 潜油电机将电能转换为机械能 带动潜油泵高速旋转 潜油泵中的每级叶轮 导壳均使井液压力逐步提高 在潜油泵出口处达到潜油电泵机组要求的举升扬程 所提升的井液通过油管被举升至地面 再通过地面管线传输至地面集输系统 2 潜油电泵机组的工作原理 二 电潜泵采油系统 3 潜油电泵机组的特点1 排量范围大2 扬程高3 可以根据产液变化要求进行变频调速4 地面设备占用面积和空间小 适用于海上平台5 使用寿命长6 便于管理7 可适用于斜井与水平井 二 电潜泵采油系统 目录 一 电潜泵采油概述 二 电潜泵采油系统 三 油井产能分析 五 电潜泵采油系统优化设计 四 井筒流体压力 温度计算 三 油井产能分析 油井产能计算方法 1 PI法即生产指数法 流压高于饱和压力 2 IPR法 流压低于饱和压力 1 PI法 即产液指数法 适用于流压高于饱和压力 当流压高于饱和压力时 液流近似单相流 其特性曲线是一条斜率为 J 的直线 式中 q 油井日产量 m3 d 已知 Pws 油层静压 MPa 已知 pwf 在产量为q时的流压 MPa 已知 J 产液指数 m3 d MPa根据已知的油井生产测试数据 q Pws Pwf 即可计算出斜率 J 毫无疑问 当流压Pwf 0时 产液量q为最大值 q Pws Pwf J 三 油井产能分析 1 PI法 即产液指数法 适用于流压高于饱和压力 计算出qmax后 用斜率 J 即可画出一条直线 在 PI 曲线以内每一个流压值 Pwf 都对应于一个相应的产量值 q 根据 PI 曲线 有关工程师可以选择合适的生产制度 选择合适排量的电潜泵机组 三 油井产能分析 2 IPR法 即沃格法 适用于流压低于饱和压力 基本方程 q qmax 1 0 2 Pwf Pws 0 8 Pwf Pws 2 式中 q 测试时的日产量 m3 d 已知 Pws 油层静压 MPa 已知 Pwf 在q产量下时的井底流压 MPa 已知 qmax 油井最大日产量 m3 d 未知 三 油井产能分析 目录 一 电潜泵采油概述 二 电潜泵采油系统 三 油井产能分析 五 电潜泵采油系统优化设计 四 井筒流体压力 温度计算 四 井筒流体压力 温度计算 由于电潜泵的存在 井筒内的压力 温度不再呈连续分布 而是在电潜泵位置处存在跳跃 为电潜泵所提供的提升液体所需的压力 为井下电泵机组的由于电机和电缆发热引起的温升 所以电潜泵不但是提供生产所需动力的动力源 而且还是一个固定热源 其中 泵挂深度以上为油管流动 泵挂深度以下为套管流动 二者的差异在于流通截面不同 同时压力 温度也不同 因此 建立井筒内不同井段的压力和温度分布模型 是电潜泵的优化设计的基础 一 压降预测模型 四 井筒流体压力 温度计算 多相管流压力计算公式很多 如Hagedorn Brown法 Beggs Brill法 Orkiszewski法 Aziz法 Duns Ros法和Cornish法 Hasan Kabir法等 这些方法各具有一定的适用条件 如Hagedorn Brown法适用于低气液比的高产排液井 Orkiszewski法适用于高气油比的中低产井 Beggs Brill法可用于计算垂直 水平及任何倾斜角度的多相流 一 压降预测模型 四 井筒流体压力 温度计算 Beggs Brill方法可用于计算垂直 水平及任何倾斜角度的多相流 压降梯度方程为 陆地井筒温度场分析 二 电潜泵井筒温度场 四 井筒流体压力 温度计算 电潜泵吸入口至排出口段 CD段 泵排出口至动液面深度段 DE段 动液面至井口段 EF段 电潜泵井的井筒温度分布与自喷井类似 但井下电泵机组与潜油电缆的发热使得井筒内的流体获得额外的热量 海上井筒温度场分析 二 电潜泵井筒温度场 四 井筒流体压力 温度计算 与陆地电潜泵井相比 海上电潜泵井要经过海水段和海平面以上的空气段 其井身结构特点与陆地电潜泵井不同 导致井筒总传热系数不同 在海底之上至平台井口可分为两部分 一部分是海底至海面深度段 一部分是海面至平台井口位置 在这两段 套管外还有隔水管 隔水管与套管的环形空间为水泥层 隔水管的外壁直接与海水和空气接触 目录 一 电潜泵采油概述 二 电潜泵采油系统 三 油井产能分析 五 电潜泵采油系统优化设计 四 井筒流体压力 温度计算 从系统工程学的角度来看 油井应用潜油电泵抽油的过程可以作为一个系统来考虑 在这个系统中 油井和潜油电泵机组分别是该系统的两个子系统 所以 在潜油电泵的应用中 油井和潜油电泵机组这两个子系统的协调 即油井的生产能力与潜油电泵的排量及扬程是否匹配 将直接影响潜油电泵的应用效果 潜油电泵机组的选择与其他机械采油方法一样 没有一成不变的科学公式可循 其计算过程也并不复杂 但是 必须系统地考虑所有的因素 最重要的是必须能够满足油井产能的要求 最大限度地发挥油井的潜能 由于泵和电机的特性受到油井中所举升的混合流体性质的影响 所以 在进行选泵设计时 必须考虑到所举升流体的密度 粘度 含气量 含水量及井底温度等诸因素 五 电潜泵采油系统优化设计 计算机优化设计中 流入动态关系 IPR 曲线采用了油 气 水三相流动时的广义IPR曲线方法 垂直管流的压降计算采用合适的方法 把获得规定泵口压力下的最高产量和最低能耗为设计目标 并获得电泵机组工作参数 泵型 泵深 级数等 和工况指标 油压 功率 效率 吨油耗电量等 等参数 五 电潜泵采油系统优化设计 在满足由油井供液能力所确定的产量的前提下确定下泵深度 选择泵型和计算工作参数 使产液最高和能耗最小 并满足以下条件 1 泵的实际排量应满足要求的油井设计产量 在所选泵的推荐范围内工作 2 下泵深度不大于油层中部深度H 即HP H 3 泵的最大外径小于套管内径 DP DC 表示泵与套管的允许间隙值 4 进泵气液比RPI 10 一 设计任务 五 电潜泵采油系统优化设计 通常 由于地面出油管线的压力降变化范围不大 可将井口压力作为常数 这样 设计的油井生产系统范围只从井口到油层 在油层 井底 泵的入口处分别设置四个节点 并把泵看作功能节点 以泵两端的压差作为求解节点 求解时分别以井口压力和油藏压力为起点计算泵的排出压力和入口压力 根据产量按选定泵型后 根据该泵的特性曲线和设计排量求出单级泵的平均扬程 功率和效率 利用泵两端的压差和泵的单级扬程可计算出泵的级数 泵排量 泵效率和功率等 五 电潜泵采油系统优化设计 二 所需数据资料 油井原始资料 1 油井套管尺寸及规格 2 油管尺寸及其连接螺纹规格 3 油层中部深度及射孔井段 4 井底温度 5 饱和压力及原始气油比 6 是否为斜井 造斜点深度及狗腿度 原油物性资料 1 原油相对密度 2 天然气相对密度 3 原油粘度 4 等腐蚀物含量 5 含砂量 五 电潜泵采油系统优化设计 二 所需数据资料 油井生产数据 1 油管压力及套管压力 2 油井产液量及含水率 3 产液指数及产油指数 4 地层压力及井底流动压力 5 生产气油比及总产气量 其他资料 1 套管损坏情况及部位 2 井场供电网络电压及频率 设计数据 1 设计泵挂深度 2 设计产量 五 电潜泵采油系统优化设计 设计计算的主要步骤如下 1 已知设计产液量的条件下 根据油层的流入动态 IPR曲线 确定井底流压Pwf并计算其压力布和气液比 以给定的泵入口压力或泵入口气液比率确定下泵深度 2 以井口压力为起点 向下计算井筒压力布 求出下泵深度处的压力 即为泵出口压力 3 泵出口压力与泵入口压力之差即为泵的有效总扬程 三 潜油电泵井优化设计 五 电潜泵采油系统优化设计 4 气液混合物从泵入口到出口 由于压力不断增加 泵内气液比不断地减少 每一级导叶轮的工作条件也将不同 故在设计时 应将有效总扬程分段 假设分为n段 在给定泵的特性曲线的基础上 逐段校核计算排量 扬程和功率 i 1 2 3 n 式中 H Q 和N 第i计算段的单级扬程 排量 效率和功率 H i Q i i 和