潜油电泵井下工作状况的动态模拟

1、前 言随着油田开采时间的延长，含水率的不断上升，利用电动潜油离心泵来保持或提高油井产量已成为一种发展趋势。近几年来国内外潜油电泵发展很快。不论是潜油电泵制造技术，机组改造，还是潜油电泵的应用技术和应用水平都有了很大的发展和提高。在油田生产中，有相当比例的原油是靠潜油电泵生产出来的，特别是苏联，潜油电泵井的产量已达到原油总产量的50，这都充分说明，潜油电泵是机械采油的发展趋势。潜油电泵是一种高效率、适合于高产、深井的机械采油设备。由于它排量大、结构简单、管理方便，目前已成为我国海上油田的主要采油设备。目前国内外应用比较广泛的人工升举方法有潜油电泵、有杆泵、水利活塞泵及气举。潜油电泵与其他集中人工

2、升举方法相比较，有其独到的特点。潜油电泵适应于产液量比较高的油井抽油，一次性投资比较高和受下井深度限制是这种方法的缺点。这种泵一个独特的应用就是把同一井中上部水层中排出的水转注到下部的注水层中，用于油田注水能够有效地利用能量，提高效率。潜油电泵机组可以利用特殊电缆下入油井中，座入预先装好地标准井筒内，以便诱导液流，当油井达到自喷时再将其起出。这种系统地主要问题时电缆的气侵。潜油电泵的下井深度主要是受其耐温等级的限制，下井深度越大，温度越高，对电机和电缆的绝缘耐温等级要求越高，这样潜油电泵的下井深度就受到一定的限制。其次潜油电泵的下井深度还将由厂家提供的电机极限功率来决定，而电机功率则受装在小直

3、径机壳中电机轴的限制。例如114.3mm外径的电机下入140.mm的套管井中，其极限功率为148kw，127mm外径的电机下入177.8mm套管中，其极限功率为296kw。由于电机散热条件的限制，潜油电泵不能下在油井射孔井段以下，否则必须采用护罩导流使井液通过电机，解决电机的散热问题。综上所述，使用潜油电泵抽油具有以下优缺点：潜油电泵的优点：1. 大排量采液是这种采油方法的主要优点。但是，目前潜油电泵也较多地应用于产液较低地油井。2. 这种泵能把油井中上部水层的水注到下部的注水层中。3. 操作简单，管理方便，在市区应用有利于美化环境。4. 能够较好地运用于斜井与水平井以及海上采油。5. 容易处

4、理腐蚀和结蜡。6. 容易安装井下压力传感器，并通过电缆将压力信号传递到地面，以便进行压力测量。7. 检泵周期较长，油井生产时效相对比较高，利于原油生产。潜油电泵的缺点：1. 潜油电泵下入深度受电机额定功率的限制。油套管尺寸和井底高温使潜油电泵的下入深度受到限制。大型高功率设备没有足够的环形空间冷却电机，会造成电机的损坏。2. 由于多级大排量高功率潜油电泵比较昂贵，使得初期投资较高，特别是电缆的费用比较高。如果需要抗腐蚀或耐高温费用则会更高。3. 由于整套装置都安装在井下，一旦出现故障，需要起出全部管柱进行修理，造成作业费用增加和停产时间过长。4. 井下高温容易使电缆出现故障，高温、腐蚀和磨损可

5、能造成电机损坏。高汽油比会使升举效率降低，而且会因气锁使泵发生故障。5. 动力源仅适应于采用电源。对于没有电源的零散井，不适用此种采油方式。为了全面掌握潜油电泵井生产时井下机组的工况、保证设备有效工作、延长检泵周期、提高生产管理技术水平，以及判断分析故障原因、提高挖掘油井潜力，我们有必要对潜油电泵井下的工作状况进行动态模拟。本文将介绍如何利用通用软件对潜油电泵井下的工作状况进行动态模拟。1动态模拟技术的国内外发展1.1 国外研究状况动态模拟的发展较稳态模拟略迟。有关动态模拟研究成果的报道出现于70年代初期，随着计算机的普及和计算能力的不断提高，加上近似计算方法（如有限元法、有限差分法、有限体积

6、法等）的发展，基于数值计算的计算流体力学（CFD）方法形成，并得到了蓬勃的发展。初期的动态模拟软件虽然都取得了很好的效果，但由于处理的变量少，应用范围狭窄，只能对个别具体装置进行动态研究。这一时期尚未能形成通用化的动态模拟系统。进入80年代后，动态模拟走向了它的成熟期，众多动态模拟软件纷纷推出，模拟软件的开发、研制走向专业化、商品化。模拟计算的准确性、可靠性大大加强，应用范围不断拓宽，功能更加丰富，使用愈加方便。90年代是动态模拟的深入发展期，从“离线”走向“在线”，从稳态模拟发展到动态模拟和实时优化，从单纯的离线稳态计算发展到和工业装置紧密相连的动态模拟。这一时期，动态模拟得到了长足的发展，

7、新的模拟软件不断问世1。1.2 国内研究状况我国动态模拟起始于20世纪60年代末，整个70年代是国内自行开发模拟软件的大发展时期。随着计算机硬件的飞速发展，工程技术软件从限于几个公式、几百个语句的程序发展成为具有良好界面、多种计算机语言、多功能的软件系统。至70年代末80年代初，国内模拟软件水平已接近国外的先进水平。更深层次的模拟技术先进控制和动态模拟，却起步于20世纪90年代，并且仅仅在为数不多的大型工业装置中实现，实时优化基本上处于空白。如何赶上世界先进水平，是今后系统工程界值得深入思考的问题。1.3 今后发展方向当前,我国在过程的模拟计算方面已经进行了一系列工作，并取得了令人瞩目的成绩。

8、但是，作为较为年轻、发展最为迅速的子学科领域，还存在着不少问题。目前它在工业界还没有得到广泛的应用。动态模拟软件的功能应当与动态优化思路相结合，由于研究经费短缺、研究手段相对落后，流程模拟技术与应用领域的发展受到了一定程度的限制。从我国的现状和已有的成果看，针对我国过程工业调优和控制基础较差的特点，在推行计算机集成过程系统中，只有应用人工智能化的优化和控制方法，对现有工业装置、测量和控制设备进行特殊要求并降低投资成本，才有可能走出一条低投入、高产出的路子1。近几年来，国内外已进行了多方面的研究，并开发出了一些动态模拟软件。多媒体环境下的结构动态模拟软件作为结构计算机模拟软件平台开发的方向之一，

9、充分利用文本、图形、图像、超文本、三维动画、音频和视频等多种媒体手段。它将科学可视化、临场感、交互引导结合到一起来产生一种沉浸感，将对象和结果及过程生动地展现于屏幕上，使技术人员得到结果和过程的定性与定量相结合的直观演示，大大减轻了技术人员的行为难度。但是目前的多媒体环境下的动态模拟软件存在不少问题，无法很好地满足实际应用的需要2。随着国际市场的竞争愈演愈烈，人们正在试图通过改进企业业务过程以降低成本，提高产品质量和缩短市场的响应时间，从而保持在竞争中的优势。因此，要在企业内部将工作过程、人的参与以及二者间的相互作用、软件与硬件间的相互作用综合集成起来的同时，将企业本身与其所生存的环境相结合，

10、通过过程系统技术与管理的综合集成来实现过程企业整个供应链的整体优化和可持续发展，充分发挥动态模拟的优势。计算机集成制造系统（CIMS）是今后发展方向之一。2 潜油电泵工作原理、系统组成及国内外研究现状2.1 潜油电泵工作原理3潜油电泵是由多级叶导轮串接起来的一种电动离心泵，除了其直径小长度长外，工作原理与普通离心泵没有多大差别，原理图如图1所示。其工作原理是：当潜油电机带动泵轴上的叶导轮高速旋转时，处于叶轮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的四周，由于液体受到叶片的作用，其压力和速度同时增加，在导轮的进一步作用下速度能又转变成压能，同时流向下一级叶轮入口。如此逐次地通过

11、多级叶导轮的作用，流体压能逐次增高而在获得足以克服泵出口以后管路阻力的能量时而流至地面，达到石油开采的目的。图1 潜油电泵工作原理图表述潜油电泵性能的主要参数有：额定排量Q、额定扬程（压头）H、额定轴功率P、额定效率、额定转速n等参数。潜油电泵的额定排量和效率取决于泵型，额定扬程决定于泵型和级数，额定轴功率由额定排量和扬程确定，额定转速取决于电机结构。2.2 潜油电泵系统组成及作用3潜油电泵采油系统由井下和地面两大部分组成，如图2所示。图2 潜油电泵采油系统组成示意图1配电盘；2变压器；3控制柜；4接线盒；5采油树；6潜油电缆；7测压阀泄油阀；8大扁护罩；9单流阀；10泵出口；11小扁护罩；1

12、2潜油电泵；13气体分离器；14保护器；15潜油电机；16PSI/PHD；17扶正器2.2.1 井下系统组成及作用潜油电泵井下系统主要由电机、潜油电泵、保护器、分离器、测压装置(PSI/PHD)、动力电缆、单流阀、测压阀泄油阀、扶正器等组成。2.2.1.1 潜油电机潜油电泵电机又叫潜油电机，它是潜油电泵机组的原动机，一般位于最下端。它是三相鼠笼异步电机，其工作原理与普通三相异步电机一样，把电能转变成机械能。但是，它与普通电机相比，具有以下特点：机身细长，一般直径160mm以下，长度510m，有的更长，长径比达28.3125.2；转轴为空心，便于循环冷却电机；启动转矩大，0.3s即可达到额定转速

13、；转动惯量小，滑行时间一般不超过3s；绝缘等级高，绝缘材料耐高温、高压和油气水的综合作用；电机内腔充满电机油以隔绝井液和便于散热；有专门的井液与电机油的隔离密封装置保护器。潜油电机结构如图3所示，它由定子、转子、止推轴承和机油循环冷却系统等部分组成。图3 潜油电机结构示意图1扁电缆；2止推轴承；3轴；4电缆头；5注油阀;6引线；7定子；8转子；9扶正轴承；10壳体；11润滑叶轮；12滤网；13放油阀（1）定子定子的功能是产生旋转磁场，将电能转变成磁能，主要包括定子铁芯、黄铜夹段和定子绕组等。定子铁芯是由许多彼此绝缘的圆形硅钢片重叠而成的，铁芯内圆周上有用来嵌入绕组导线的玉米形切槽，外圆周电机油

14、循环的油槽。定子铁芯横截面目前有两种形式，一种是开式结构，一种是闭式结构。黄铜夹段是为了防止转子扶正轴承被磁化而加入的一段磁阻较大的黄铜。定子绕组是较粗的外面包裹有耐油、气、水，耐高温高压和高绝缘强度材料的均匀铜导线，输送励磁电流。绕组制作有两种方式，一种是工程塑料挤制，一种是薄膜绕包烧结。定子绕组都是星形联接，星点结构一般如图4。 图4 星点结构示意图（2）转子转子是产生感应电流而受力转动并将电磁能转变成机械能的部分，由转子铁芯、转子绕组、短路环、轴和键组成，如图5所示。同定子一样，转子也由许多段组成，每段通过键与轴相连，各段转子间有扶正轴承，扶正轴承与黄铜夹段相对应，转子的上下端用螺帽或卡

15、簧固定。图5 潜油电机转子总成示意图1短路环；2油道；3硅钢片；4扶正轴承；5轴（3）止推轴承由于潜油电机是立式悬挂结构，其轴向载荷由止推轴承承担。止推轴承除承担轴向载荷，还承担因偏转运动而产生的径向载荷。潜油电机的止推轴承有两种，一种是滚动轴承，一种是滑动轴承，见图6。图6 潜油电机用止推轴承(a)1双列向心球面滚子轴承；2单向推力向心球面轴承(b)1动块；2摩擦垫；3静块；4扶正轴承（4）循环冷却系统潜油电机冷却系统由润滑叶轮、滤网、定子油道、油孔和空心电机轴及电机油等组成，带走电机定子和转子在交流和涡流作用下产生的热量，达到冷却电机和保护绝缘材料的作用，延长电机寿命。2.2.1.2 潜油

16、电泵潜油电泵为多级离心泵，包括固定和转动两大部分。固定部分由导轮、泵壳和轴承外套组成；转动部分包括叶轮、轴、键、摩擦垫、轴承和卡簧。潜油电泵分节，节中分级，每级就是一个离心泵，结构组成如图7所示。潜油电泵按叶轮是否固定分为浮动式、半浮动式和固定式三种。图7 潜油电泵结构示意图1花键套；2泵头；3上部轴承总成；4泵壳；5导轮；6叶轮；7泵轴；8键；9上止推垫；10下止推垫；12卡簧；12泵底座与普通离心泵相比，潜油电泵具有以下特点：直径小，排量范围大，外径一般为85.5102mm，排量范围可达308000；级数多，长度长，扬程范围宽，级数可达400级，长度可达20m，扬程一般在1504500m；

17、泵吸口有气体分离或压缩装置，防止气蚀和提高泵效；有径向扶正，轴向卸载和液压平衡机构。潜油电泵在工作时，由于进出口之间存在很大的压力差，产生很大的轴向力。为减小或消除轴向力，在叶轮上下部装有止推垫，通过导轮将轴向力传递给泵壳。径向扶正和轴向卸载机构如图8所示。图8 径向扶正和轴向卸载机构1止推轴承；2叶轮；3导轮；4扶正位置液压平衡机构有两种，一种是平式叶轮液压平衡机构，如图9所示，一种是混流型叶轮的平衡机构，如图10所示。平式叶轮的平衡原理是，经增压后的流体大部分流向导轮，一部分进入A、B区，因A、B区连通，压力相等，达到平衡目的，只要面积相等，则轴向力抵消。混流型叶轮的平衡原理是，在叶轮的中

18、心部位打孔，使得B区内的压力接近泵吸入口压力，从而消除部分轴向力。图9 平式叶轮液压平衡机构1轴；2导轮；3上摩擦垫；4叶轮；5下摩擦垫图10 混流型叶轮的平衡机构（1）叶轮叶轮是潜油电泵的核心部分，它是将机械能转变成生产流体压能的关键部件，液体通过叶轮时，液体的压能和动能都得到增加，叶轮结构如图11所示，采用铸造后机加工工艺生产。 图11 叶轮结构示意图1轴；2导轮；3上摩擦垫；4平衡孔；5叶轮；6下摩擦垫按叶轮的作用，可将潜油电泵中的叶轮分为浮动叶轮、顶部浮动、叶轮压紧叶轮、轴承叶轮等四种。前三种叶轮在泵中的安装顺序是：从上到下依次为压紧叶轮、顶部浮动、浮动叶轮。浮动叶轮在装配后允许有一定

19、的轴向窜动量，叶轮之间互不影响。有这样几点好处：装配时不存在轴向的长度累积误差问题；在一定排量范围内，叶轮处于浮动状态，叶轮消耗的摩擦功率小，泵效比较高，接触部分的磨损小。它不能承受轴向载荷，也不能传递自身的轴向力，其轴向载荷是通过止推垫片传递给泵壳的。对于浮动叶轮，泵工作排量必须处于合理排量范围内工作叶轮才处于悬浮状态，否则，叶轮要么靠上贴紧导轮，要么靠下贴紧导轮，都增加摩擦和磨损。轴承叶轮也叫短把叶轮，其轮毂比普通的短13mm，装配时用塑料轴承代替被切去部分，运转时处于浮动状态，有助于减轻潜油电泵的振动。一般是每610级装一个轴承叶轮和塑料轴承。顶部浮动叶轮在每一节泵中都有一个，其安装在半

20、环键的下面，轮毂尾部短6mm，相当于半环键的长度。压紧叶轮在泵轴上由两端的半环键固定起轴向定位作用，由压紧螺母将多级叶轮压紧，达到首尾相连的目的，叶轮与泵轴间无窜动，能够承受较大的轴向力。（2）导轮导轮是泵的固定部分，其与叶轮吸入口配合形成吸入室将液体引入下一级叶轮的进口处。它一方面将动能转变成压能和降低速度减小摩阻损失；一方面改变流向，将流体导入下一级叶轮入口，导轮结构见图12。图12 导轮结构示意图（3）轴泵轴将来自电机的扭矩传递给泵内的每一级叶轮，并通过花键连接传递给上一节泵。其特点是传递功率大，细长，两端为花键，轴向上有一通长的键槽，图。其材料强度高，韧性和塑性好，耐腐蚀。美国使用的材

21、料一般为蒙乃尔,K-500合金材料，抗拉强度达960MPa，屈服强度为686MPa，硬度为HRC36，冲击韧性为100J/cm，延伸率达28%。国内尚未找到与,K-500性能指标相近的材料，国内代用材料在强度上与K-500相近，但塑性和韧性没有达到。直线度要求为万分之一，即0.1/1000，直径公差控制在0.05mm以内。一般采用冷拔工艺制成。（4）平键潜油电泵的平键为细长形键，尺寸为，安装在泵轴与叶轮之间。其侧面为工作面，不能承受轴向力，保证叶轮可以轴窜动。美国材质一般为K-500，国内材料为1Cr19Ni9Ti，一般采用冷拔工艺制造。（5）泵壳泵壳是泵的外壳，它是多级叶导轮的支架。要求直线

22、度为0.1/1000，材料的抗拉强度较高，弹性和刚性好。一般采用25Mn材料，美国采用钢板卷焊成型，国内采用无缝管热扎或冷拔制造。2.2.1.3 保护器保护器又叫潜油电机保护器，是潜油电泵所特有的。其位于电机与气体分离器之间，上端与分离器相连，下端与电机相连，起保护电机作用。其基本作用有以下四个方面：密封电机轴动力输出端，防止井液进入电机；保护器充油部分允许与井液相通起平衡作用，平衡电机内外腔压力，容纳电机升温时膨胀的电机油和补充电机冷却时电机油的收缩和损耗的电机油；通过其内的止推轴承承担泵轴、分离器轴和保护器轴的重量及泵所承受的任何不平衡轴向力；起连接作用，连接电机轴与泵分离器轴，连接电机壳

23、体与泵分离器壳体。保护器的种类很多，从原理上可以分为连通式保护器、沉淀式保护器和胶囊式保护器等三种。对于一般井，只用一种保护器；对于特殊井，有用两级或多级串接的组合式保护器，一般组合方式是沉淀式保护器+胶囊式保护器。2.2.1.4 气体分离器气体分离器，又叫油气分离器，简称分离器，位于潜油电泵的下端，是泵的入口。其作用是将油井生产流体中的自由气分离出来，以减少气体对泵的排量、扬程和效率等特性参数的影响，和避免气蚀发生。按不同的工作原理，可将其分为沉降式（重力式）和旋转式（离心式）两种。但基本原理是相同的，都是利用气液的重度差制成的，通过增加气泡的轴向速度，降低径向向心速度来分离的，不过前者是自

24、然分离，后者强制分离。在泵挂处流压高、自由气液比低的井，用一级分离器即可；对于压力低、自由气液比高于30%的井，用二级分离器串联即可进行充分的气液分离。2.2.1.5 测压装置潜油电泵井测压系统有两大类，一类是电子式的，一类是机械式的。主要用于监测油井的供液和电机工作温度情况。电子式的有PHD和PSI两种，可以进行连续测；机械式的也有两种，一种是测压阀，一种是毛细管，前者通过钢丝作业实施但不能连续监测，后者通过毛细钢管传递压力，可以连续工作和监测。2.2.1.6 动力电缆动力电缆是电机与地面供电和控制系统相联系传送电力纽带和PSI/PHD信号的通道，是一种耐油、耐盐水、耐其它化学物质腐蚀的油井

25、专用电缆，工作于油套管之间。分为小扁电缆（又叫电机引线，俗称小扁）、大扁电缆（俗称大扁）和圆电缆。按温度等级可以分为90、120、150等3个等级，部分厂家还可生产更高等级的潜油电缆。电缆一般由导体、绝缘层、护套层和钢带铠装组成。导体芯线一般是三芯实心或三芯七股铜绞线，作用是传递电能。2.2.1.7 电缆头电缆头是电机和电缆连接的特殊部件，其质量好坏直接关系到电机的运行寿命，要求较高的电气和机械性能。目前，各个潜油电泵生产厂家都有自己独特的产品种类较多。从性能和结构分为两种：缠绕式和插入式。2.2.1.8 单流阀其作用主要是：保持足够高的回压，使得泵在启动后能很快在额定点工作；防止停泵后泵以上

26、流体回落引起机组反转脱扣；便于生产管柱验封。一般安装在泵出口12根油管处，采用标准油管扣于上下油管连接。2.2.1.9 泄油阀泄油阀一般安装在单流阀以上12根油管处，它是检泵作业上提管柱时油管内流体的排放口，以减轻修井机负荷和防止井液污染平台甲板和环境。泄油阀目前有两种：投棒泄流、投球液力泄流。前者用于稀油和高含水稠油井比较合适，用于稠油井泄油成功率低；后者可以重复使用，用于低含水稠油更好，成功率高。2.2.1.10 扶正器扶正器主要用于斜井，位于电机尾部，使电机居中，使得电机外部过流均匀，散热环境好，防止电机局部高温而损坏。“Y”型管柱井不采用。2.2.1.11 电缆护罩电缆护罩与电缆一起通

27、过绑带固定在油管外表面，防止电缆在下井过程中受到机械损伤。分大扁护罩和小扁护罩两种。小扁护罩结构一般是槽钢结构，尺寸较小。大扁护罩有笼形结构和筒形结构两种。2.2.2 地面系统组成及作用如图2所示，潜油电泵采油系统的地面部分由配电盘、变压器、控制柜或变频器、接线盒和采油树井口组成，部分特殊油田还配有变频器集中切换控制柜。2.3 潜油电泵国内外研究现状32.3.1 国外研究现状潜油电泵全称为电动潜油离心泵，最早是由苏联人A.S.艾鲁托诺夫（A.S.Arutunoff）研究发明的，当时用于抽地层中的水和矿井中的水。A.S.艾鲁托诺夫于1923年把这种泵的概念介绍到美国，美国第一台潜油电泵在洛山矶问

28、世。1926年美国开始在坎隆斯的鲁赛尔（Russell）油田应用潜油电泵抽油，从此开始了潜油电泵用于原有生产的历史。美国在潜油电泵的研究制造和使用方面已油近七十年的历史，无论是在制造工艺，还是在应用技术方面都居世界领先地位。美国和原苏联是世界上生产和使用潜油电泵较多的国家，加拿大、法国和挪威等国家也生产和应用潜油电泵，其中美国在潜油电泵的技术方面，处于世界领先地位。由于潜油电泵采油具有排量大，使用经济等优点，近些年来许多国家的专家都致力于研究和提高潜油电泵的适应性、经济性、可靠性与先进性，先后出现了许多新技术和新成果，并在采油实践中取得了较好的经济效益。2.3.1.1电缆悬挂式潜油电泵美国Re

29、da公司研制了一种新型特殊结构的电缆悬挂式潜油电泵，不用油管，利用电缆与钢丝绳将潜油电泵下入井底，不动管柱就可实现起下修泵。经过现场试验结果表明起下作业速度提高了1020倍。利用套管出油，降低了油流阻力，有利于提高潜油电泵的功率、效率、扬程和排量，整套装置的总效率提高了2030。对于168mm套管柱，如果采用电缆悬挂式潜油电泵采油，其扬程可达到1200m，排量可达1000 ,常规潜油电泵在相同扬程条件下，其排量只有500。2.3.1.2 动力油管潜油电泵和潜油电泵用环形防喷器挪威Framo公司研制了动力油管潜油电泵，它与动力油管相连接，安装在177.8mm油管之内，井液经油管和动力油管之间的环

30、形空间上流到地面。动力油管长11.914.9m，最大外径为88.9mm环形空间过流面积为0.0144m2，而外径为139.7mm油管的过流面积只有0.0118m2，环形空间过流面积较大。动力油管由标准油管和接头组成，可成为井下设备和井下隔离液循环提供动力。在动力油管内有一根同轴电缆，将电力传送给井下电机，通电之后，加压的液体由动力油管向外排液，不会发生倒流的现象。其内部液体有助于冷却电机。变速驱动装置可使泵处于最佳工况抽油，并具有较好的软启动特性。美国还研制了用于潜油电泵的环形防喷器。2.3.1.3 潜油电泵高压电机美国ODI公司研制了潜油电泵用高压电机，其优点是：可使电耗损随着电压增高而减少

31、，节约更多的动力消耗，具有很好的使用经济性。实践证明：较短时间所节约的费用，就可以抵偿变压器和动力电缆等消耗的费用。ODI公司潜油电泵的高压电机耐温可达121149度，其结构紧凑、设计更合理，功率容量较高，运行安全可靠。在大于140mm（5.5in）套管中，电动机功率可达147.1kw；在大于178mm（7in）套管中，电动机功率可达336.9kw。2.3.1.4 用空气代替矿物油的高效电机美国MagenyGrande公司研制了利用空气代替矿物油的高效电机，工作转速为10500r/min，其优点是：在高转速下运行，具有较高的工作效率，使用方便，可靠性好，具有很好的使用经济效益。2.3.1.5

32、变频驱动潜油电泵美国研制和应用了变频驱动潜油电泵，利用变频调速改变潜油电泵的工作性能，可满足各种油井最佳采油的需要，扩大了潜油电泵的使用范围。潜油电泵的排量与工作转速成正比，扬程与工作转速平方成正比。按这种变化规律可大幅度地调节排量与扬程、与油井参数进行合理匹配。变频驱动地频率由30Hz增大到90Hz时，排量变化3倍，扬程变化9倍。近年来，美国Reda公司和centrilift公司又研制了改进型潜油电泵变频驱动装置。Reda 公司研制的改进型变频驱动装置，利用微机监控输出电压和频率，具有诊断功能和关机等保护功能。Centrilift公司研制的改进型变频驱动装置，装有数字显示器，参数以数字形式在

33、表盘上显示，很直观。此外还增加了不平衡电流探测回路。2.3.1.6 动力电缆卡箍美国FPH公司研制了一种新型潜油电泵动力电缆卡箍，结构设计独特、新颖，可用一般钢材、不锈钢、蒙乃尔合金或镍铜合金制成。可以卡住圆形电缆、扁形电缆、电缆鞍和狭条形销装电缆等。适用于1AwG、2AwG、4AwG、6AwG等四种规格电缆，具有卡紧牢靠、防松脱等性能。经过使用效果较好。新型电缆卡箍用气动打捆机和密封器张紧并扣锁。2.3.1.7高寿命涂层轴承美国Vapor Kobe公司研制了烟气体扩散涂层工艺技术，用于潜油电泵的固定衬套和旋转组成的滑动轴承表面的涂层，具有较高的使用寿命。衬套位于泵的吸入端。轴承采用普通钢制造

34、，利用烟气体扩散合金涂层后，其表面硬度较高，一般比钨或淬火钢表面的硬度还高。硬度大于HRC75。涂层厚度为0.0760.18mm这种烟气体扩散合金涂层，在工作时具有较好的轴承性能，不易破裂、脱落，还具有良好的抗腐蚀能力，而且轴承表面的摩擦系数很低，提高潜油电泵的工作效率、降低电缆消耗。这种涂层轴承，其成本比硬质合金或陶瓷轴承还要低，造价便宜。被称为高寿命涂层轴承。目前，美国已有数百台潜油电泵应用了高寿命涂层轴承，连续使用一年半以来，尚未发现任何问题，是一种很值得推广应用的新工艺和新技术。2.3.1.8 防砂潜油电泵和耐腐蚀潜油电泵为了适应出砂较多的油井采油需要，国外研制与应用了防砂潜油电泵，与

35、常规潜油电泵不同的是：采用了分离砂结构和排砂结构。可把石油中的含砂分离出来，并把砂子排出去，确保石油含砂量较低，提高泵叶轮和导轮以及轴承的使用寿命。此外，还采用了橡胶轴承，适应含砂石油的需要。因为各地区石油成分不同，有些地区石油中含有各种腐蚀介质。（例如：含有等气体以及含盐水与氯离子等）对潜油电泵有很严重的腐蚀能力。为了适应这些油井需要，国外研制与应用了耐腐蚀潜油电泵，与常规潜油电泵不同的是采用了许多耐腐蚀材料，例如不锈钢等材料。2.3.1.9 高效能潜油电泵美国ODI公司在潜油电泵的离心泵结构设计中作了如下改进：1） 离心泵的所有叶轮均采用浮动式结构。2） 利用小倾角代替平衡孔，可使液体流动

36、平滑，还可以阻止砂砾进入叶轮、导轮和轴承增大了离心泵的容积效率，还提高了离心泵的使用寿命。这种泵称为高效能潜油电泵。2.3.1.10 自动平衡叶轮离心泵法国AIstbom公司研究成功自动平衡叶轮潜油电泵离心泵。其工作叶轮处于浮动状态以实现液力的自动平衡。2.3.1.11 井下潜油电泵传感器和新型仪表美国ODI公司研制JDHS5000型井下潜油电泵传感器，可将井底信号通过动力电缆精确地传送到地面，还可以打印出参数的数值。传感器的测试工作压力范围为0.535.2Mpa，测试工作温度范围为-4149。测量精度为。美国还研制和应用了新型潜油电泵仪表。可以测量离心泵入口压力和排出压力：吸入口温度；电机中

37、的矿务油温；动力电缆的绝缘等级等，可为地面提供实时的数据，为判断井下潜油电泵的工作状态提供了主要依据。2.3.1.12 可回收潜油电泵单流阀美国BSM工具公司研制与应用了可回收潜油电泵单流阀，它是由wJ型单流阀改进的新结构，包括两种可以互换的柱塞、阀座等。可回收潜油电泵单流阀的主要优点是：其内孔直径较大，流道面积较大，适用于打排量采油，如果需要更换时，拆装方便。wJ型单流阀适用于低压头浅井采油。可回收潜油电泵大直径单流阀适用于高压深井采油，增大了潜油电泵的使用范围。2.3.1.13 用于高温井采油的潜油电泵美国Reda公司对常规潜油电泵进行了结构改进和采用了新型耐高温材料，研制与应用了可以在井

38、温232工况进行采油的潜油电泵。这种高温潜油电泵还可用于蒸汽驱热采油井、地热井、火驱井和其他高温井开采石油或其它液体。影响潜油电泵工作温度的因素较多，主要由：井下环境温度、采出液的比热、注入蒸汽的温度以及泵排液的速度等因素。2.3.1.14 高寿命潜油电泵美国在研究和改进潜油电泵方面的重点是：提高动力电缆的工作性能；加强保护器的功能和效能；提高电机的电压以及提高潜油电泵在各种条件下的可靠性。美国新研制的适用于高气油比、大排量采油的新型潜油电泵。采用了特殊的密封结构形式，其密封效果相当可靠，使用寿命较长，平均修理间限期可以达到4年至8年，被称为高寿命潜油电泵。2.3.1.15 振动声波法诊断潜油

39、电泵原苏联在研究和改进潜油电泵方面的重点是：采用无管式潜油电泵；研究与改进在各种工况条件下应用的各种潜油电泵。例如：高温、含砂、含气、含腐蚀介质等工况；应用单线动力电缆；采用开式叶轮代替闭式叶轮等。原苏联广泛采用了振动声波法诊断潜油电泵工况性能，利用这种方法不仅可以检测潜油电泵机组的制造装配以及修理质量，而且还可以评价油井和潜油电泵的使用工况性能，实践证明：振动声波法诊断潜油电泵的使用效果和经济效益均较好。美国研制了新型潜油电泵诊断信息储存系统，使用效果与经济效益液很好。2.3.2 国内研究现状我国是从1964年开始进行潜油电泵的研制和抽油试验，取得了比较好的效果。特别是近十年来，潜油电泵的制

40、造技术和应用技术在我国得到飞速的发展。为了加快发展我国潜油电泵，原国家经委、对外贸易部及时地以技贸结合方式安排天然气总公司和机电部由天津市共同引进美国潜油电泵制造技术。于1986年6月与美国Reda公司签署了制造潜油电泵许可证合同，技术转让费850万美元。引进地潜油电泵主要有：5.5in、7in套管两个系列，16种泵型，REDALERT电机控制器PCC，以及5种型号动力电缆和3种型号引出电缆。目前，天津市电机厂制造地Reda潜油电泵主要材料已经基本国产化。主要有电机绕组线、糟绝缘、浸渍漆、电机矿构油、接头材料、电缆连接材料、电缆头灌注胶、电机和离心泵外壳、止推轴承材料等。此外还能生产一些潜油电

41、泵的部件，例如沉降式保护器、胶囊保护器、井下压力温度检测装置、电机控制器PCC等。目前天津市电机厂已形成了年产1200套潜油电泵的制造能力，产品质量已经接近或达到美国Reda公司的潜油电泵水平。这些潜油电泵投入我国各油田使用，为更经济有效地开发我国石油作出了卓越贡献。替代了进口产品，为国家节省了大量外汇。在引进美国Reda公司潜油电泵制造技术的同时，通过试制与试验对国外潜油电泵有了进一步深入了解，并将这些先进技术用于改进我国原有的潜油电泵，使原有的潜油电泵技术水平大幅度地向前推进一步。我国自1981年开始在油田大规模使用潜油电泵抽油，几十年来潜油电泵的应用有了较大的发展。日前全国共计有潜油电泵

42、井3700多口，占全国总生产井数的6.7，产量占全国原油总产量的20.7左右，平均检泵周期在1年左右。以大庆油田为例，目前共有1900多口潜油电泵井，占全油田井数的17.3，潜油电泵井产量占全油田总产量的37左右，检泵周期到达800多天，最长运转时间已超过10年。同时，通过 十年的发展，在潜油电泵采油工艺技术上应用和发展了潜油电泵测压阀、不压井分采管柱以及潜油电泵井防气等一系列配套工艺技术。总的来说，随着潜油电泵应用越来越广泛，对潜油电泵提出了许多新的要求。另一方面由于新产品的不断开发、机组的更新改造以及潜油电泵采油工艺的发展。使潜油电泵的应用领域更广阔，应用水平也不断得到提高。3 动态模拟技

43、术介绍与选择3.1系统模拟概述模拟是利用计算机模型模拟复杂的系统和事件的行为，通过对不同的情况和方案进行比较，得到对系统和事件更深层次的认识。随着计算机科学的发展，模拟已在不同的领域如医学、航空、交通、结构中得到了广泛的应用，并得到了可喜的进展4。在流体领域如水工、海工方面，先是由经典的物理模型试验逐渐转向数值模拟计算。数值模拟计算充分利用了计算机计算的优势，将流体的特征如流速、流向、含沙量等以数值的形式给出，具有投入较小、周期较短的优点，在某些领域已得到了广泛的应用。如马福喜5对水流的数值模拟。数值模拟计算的不足之处在于其数据量的庞大和结果的不够直观，特别是对于复杂流场和复杂边界进行整理分析

44、、加工时更显繁琐。近年来随着计算机图形、图像技术的发展产生了可视化技术，在计算流体力学方面已得到了应用，如朱松林6等和将流体的计算结果以图形的方式表示出来，具有一定的直观性。但是由于流场的流动性和过程性，用静态的图形往往不能起到充分展示其运动规律的效果，而采用动态模拟则可以达到全局通览从而发现其运动规律的目的，并可预演其变化过程。近年来迅速发展的多媒体技术集中了图像和声音的功能，可以把数值模拟计算中枯燥的数据以动态图像的方式予以逼真演示，同时辅以同步的音乐及解说，从而达到虚拟现实的效果，有利于人们对问题的深入理解和认识以及设计者与决策者之间的相互沟通与交流。由于多媒体技术近年来才开始发展，所以

45、国内外在流体方面的研究也是刚刚兴起7。模拟类型模型类型计算机类型经济性物理模拟物理模型模拟计算机费用很高半物理模拟(混合模拟)物理数学模型混合计算机费用中等计算机模拟(数字模拟)数学模型数字计算机费用不高83.2.1 工艺过程、操作程序的确认和设计检验 1）在模型上检验工艺过程参数及设计参数的正确性 2）标准工艺操作程序的确定和检验 3.2.2 控制系统设计检验和测试 1）DCS系统控制设计的确认和检查 2）特殊控制逻辑的检验 3）控制系统参数的调试 4）局部控制系统设计修改和验证等 3.2.3 生产操作人员培训 1）新建厂在开车前的操作人员培训2）模拟开车步骤，模拟DCS系统操作，探讨合理的

46、开车顺序和时间等，培训操作人员熟练掌握生产操作的技能。 3）工厂投产及正常运行后的操作人员培训4）模拟生产操作异常情况, 紧急停车，设备故障等，培训操作人员现场处理 事故和故障诊断的能力。 5）新进厂操作人员培训 6）操作人员技能认证 7）工厂维护训练 3.2.4 技术学校、中等专业学校的教学实习系统3.3 计算机模拟技术简介计算机科学技术的迅猛发展，给许多学科带来了巨大的影响。计算机不但使问题的求解变得更加方便、快捷和精确，而且使得解决实际问题的领域更加广泛。计算机适合于解决那些规模大、难以解析化以及不确定的数学模型。例如对于一些带随机因素的复杂系统，用分析方法建模常常需要作许多简化假设，与

47、面临的实际问题可能相差甚远，以致解答根本无法应用，这时模拟几乎成为人们的唯一选择。在历届的美国和中国大学生的数学建模竞赛（MCM）中，学生们经常用到计算机模拟方法去求解、检验等。计算机模拟(computer simulation)是建模过程中较为重要的一类方法。计算机模拟技术是一种先进生产力，近年来来在我国发展迅速，已在各领域获得广泛应用。并已扩展到产品的全生命周期：方案论证、设计、制造、试验、使用、维护和训练9。系统模拟是在整个运行过程中对系统的模拟，是非常有效的和广泛使用的分析、研究复杂系统的技术。在一定假设条件下，利用数学运算模拟系统的运行，称为数学模拟。现代的数学模拟都是在计算机上进行

48、的，因此也称为计算机模拟，简称模拟(simulation)。 模拟分为静态模拟(static simulation)和动态模拟(dynamic simulation)。数值积分中的蒙特卡洛方法是典型的静态模拟。动态模拟又分为连续系统模拟和离散系统模拟。状态随着时间连续变化的系统，称为连续系统(continuous system)。对连续系统的计算机模拟是近似地获取系统状态在一些离散时刻点上的数值。在一定假设条件下，利用数学运算模拟系统的运行过程。连续系统模型一般是微分方程，它在数值模拟中最基本的算法是数值积分算法。例如有一系统可用微分方程来描述 已知输出量y的初始条件，现在要求出输出量y随时间

49、变化的过程。最直观的想法是：首先将时间离散化，令，称为第k步的计算步距（一般是等间距的），然后按以下算法计算状态变量在各时刻上的近似值 其中初始点按照这种作法即可求出整个的曲线。这种最简单的数值积分算法称为欧拉法。除此之外，还有其他一些算法。 因此，连续系统模拟方法是：首先确定系统的连续状态变量，然后将它在时间上进行离散化处理，并由此模拟系统的运行状态。离散系统(discrete system)是指系统状态只在有限的时间点或可数的时间点上有随机事件驱动的系统。状态量的变化只在离散的随机时间点上发生。假设离散系统状态的变化是在一个时间点上瞬间完成的。为了模拟离散系统，必须设置一个模拟时钟(sim

50、ulate clock)，它能将时间从一个时刻向另一个时刻进行推进，并且能随时反映系统时间的当前值。其中，模拟时间推进方式有两种，下次事件推进法和均匀间隔时间推进法。常用的是下次事件推进法。其过程是：置模拟时钟的初值为0，跳到第一个事件发生的时刻，计算系统的状态，产生未来事件并加入到队列中去，跳到下一事件，计算系统状态，重复这一过程直到满足某个终止条件为止。3.3.1 动态显示的原理 高速地显示一系列静止图像，当图像过渡连续时，由于视觉的暂留，便可产生动画效果。制作动画的商业软件很多，如Animator and Power Animator和3DS等，但由于其主要针对较规则的对象，在机械、建筑

51、和广告业方面应用较好，若用于描述流场的变化，则不太适合。由于目前Windows操作系统的广泛使用，使用其支持的位图格式可以自己设计调色板以显示多种颜色，具有较多的优点；且流行的编程工具如Visual C+、Visual Basic都有丰富的函数库提供支持，故系统采用位图格式作为帧画面的存储格式。 播放间隔的调整及解说音乐的同步在动画播放过程中，帧与帧之间的间隔时间对其效果的好坏具有很大的影响。在不同配置的机器上，由于计算速度及显示速度的差异较大，产生的效果也有很大的差别。通过Windows内部的定时消息函数可以控制两帧间的播放间隔，通过对消息函数的控制可以任意高速两帧间的间隔以达到最佳效果，同

52、时对鼠标消息和键盘消息的处理可暂停播放以充分观察某时刻动画的运动规律。声音在多媒体演示中具有重要的作用。适当的背景音乐及解说可以很大程度地润色演示效果，声音与画面同步可以让人更容易理解演示中细微的变化过程。通过建立辅助线程，即可实现动画与声音的同步。3.4 各类计算机模拟方法的比较计算机动画（Computer Animation）是指借助计算机生成一系列可供动态演示的连续图像的计算机技术，既利用计算机技术、图形原理和成像方法等技术在屏幕上以动态、直观、立体和彩色的方式显示物体运动的图形技术。计算机图形动态模拟就是利用计算机动画的原理来模拟种种随时间变化的物理现象与系统过程的一种技术。它通过将屏

53、幕上显示出来的图形按预定的规律和要求进行变化，以形象、动态、直观和多层次的形式为所研究的客观事物提供客观、可靠和逼真的描述，从而生动、准确的反映事物的实际运动状态。目前，这一技术已广泛地应用于计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助测试（CAT）等领域10。 计算机动画可以通过各种动画制作软件来实现，如Explore、Advanced Visualiger和Solid Works等。这类动画图形制作软件能够较完美的制作出动画系统，但不具备高级语言的计算和管理功能，不能交互的利用图形、计算和文件等重要功能。一些高级语言如Turbo Pascal、Turbo C和Fortran的最新版本，也都增加了动

54、画制作功能，但这些高级语言的图形建模、显示以及动画显示等原理较复杂，对开发人员的编程技术要求较高，开发周期也较长，因此不易于推广普及。 下面我们介绍另一种动画制作软件3DStudioMAX。它运行于Windows等多数操作系统中，其工程环境包括菜单栏、工具栏、命令面板、状态栏/视角控制。建模过程中，除非开发人员进行Collapse操作，MAX将把所有对象保存为参数化对象，这样就有利于开发者在后期制作过程中对模型的进一步修改与完善。为便于开发人员建模操作，MAX为用户提供了大量编辑修改器，允许用户应用网格、面片、等多种手段进行面向型的建模操作，同时用户还可以从节点、边和表面等切入点对既定的型进行

55、次对象层次上的编辑与修改。同时，MAX还提供了丰富而全面的动画制作、编辑与控制工具。此外，关键帧技术(key frame)和各种动画控制器的应用以及第三方厂商提供的各种配套系统，给用户提供了丰富的开发手段。因此，采用3DStudioMAX作为潜油电泵井下工作状况动态模拟的开发工具能够满足要求。3.5 3DS MAX5.0简介113.5.1 工具条 工具条被分为Main Toolbar（主工具栏），Axis Constraints（轴约束栏）和Layers（层工具栏）三部分。在主工具栏(如图14)中，选择区域工具中新增了一种Lasso Selection Region(套索选择范围)，我们可以用

56、鼠标画出我们需要选择的范围(如图15)。图14 主工具栏图15选择模式按钮、锁定按钮和快捷键开关被移到了主工具栏中，当我们要使用非主界面的快捷键时一定要将此快捷键开关打开。在原有的简单的选择集的基础上新增了一个选择集工具，我们可以通过此工具对定义的选择集进行编辑。轨迹视图现在分为曲线编辑视图和摄影表视图，单击此钮默认状态下打开的是曲线编辑视图。轴向约束工具(如图16)脱离出主工具栏，我们可以将其放置在自己认为比较习惯的位置。此工具条可以通过用鼠标右击工具栏的空白区域，在弹出的菜单中选择相应的命令来控制此工具栏的显示或关闭。图16 轴向约束工具3.5.2 状态条 视图下方的状态条区域主要用于对动

57、画的制作进行控制。通过单击时间滑块左侧的按钮（如图17），可以在轨迹视图和时间滑块之间进行切换。坐标输入框不再只能显示物体的坐标，我们可以通过输入数值来移动物体的位置，这样坐标输入框的功能已经变的很实用。3DS MAX5.0中新增的手动添加关键帧取代了老牌的自动添加关键帧的位置，成为3DS MAX5.0主要的关键帧添加方法，自动添加关键帧退到了相对次要的位置。图173.5.3 3DS MAX5.0的建模方法3DS MAX中提供的建模方法有三种：多边形建模、面片建模和NURBS建模。多边形建模技术是基于这样一种理论：从现实生活提取出来的几何形体是由被称为面的许多互相连接的小三角形组成，每个面有不同的尺寸和方向.通过排列这些面，可以用非常简单的三维模型建立起来非常复杂的三维模型，并且多边形可以很容易地被制作成动画。这些理论实际