潜油直驱螺杆泵采油系统生产参数优化

屈文涛，马加尚，孙艳萍，邹 伟

（西安石油大学 机械工程学院，西安710065）

潜油直驱螺杆泵采油系统生产参数优化

屈文涛，马加尚，孙艳萍，邹 伟

（西安石油大学 机械工程学院，西安710065）

运用节点分析和最优化方法，结合油井供液能力、螺杆泵工作特性和采油系统的协调条件，研究潜油直驱螺杆泵采油系统合理的生产参数。以系统效率为最优目标，建立潜油直驱螺杆泵效率优化设计模型，通过Matlab软件编制潜油直驱螺杆泵采油系统生产参数优化程序，从而快速、准确地确定合理下泵深度和螺杆泵最佳转速。优化结果与现场数据相符，表明所编制的优化程序是可行的。

潜油电泵；螺杆泵；效率；优化设计

潜油直驱螺杆泵是将动力源置于井下，应用可无极调速的永磁同步电动机，通过保护器和柔性轴连接来驱动螺杆泵，从根本上解决了地面驱动螺杆泵因偏心距引起的杆管偏磨和潜油螺杆泵减速器体积受限、承受转矩大、减速器易出现故障等问题［1-2］。国内外还没有开展潜油直驱螺杆泵采油系统生产参数优化技术研究工作。本文采用节点系统分析法和以系统效率为目标函数的优化方法，从而快速、准确地确定合理下泵深度和螺杆泵最佳转速。

1 节点系统划分

采用节点系统分析法把潜油直驱螺杆泵采油系统划分为原油入井流动子系统、潜油直驱螺杆泵子系统、井筒流动子系统和井口子系统［3］。其中4个节点为井底射流孔中段节点、泵入口节点、泵出口节点和井口节点，如图1所示。

油层、井筒和采油设备的协调条件：

1） 质量守恒。油层生产的混合液、井筒流动的混合液和潜油直驱螺杆泵进、出口排量的质量流量相同。

2） 能量守恒。井底流压与流体在井筒中的起始压力相等；由井底到泵入口处流体的剩余压力与泵的入口压力相等；泵出口压力为井口压力与油管流体的压降之和；泵入口压力为井口套压与油套环空的流体压降之和。

图1 潜油直驱螺杆泵油井生产系统节点划分示意

2 系统优化设计模型

潜油直驱螺杆泵采油系统生产参数优化设计，是在油井能够满足供液能力和符合螺杆泵工作特性曲线的基础上［4］，以系统效率最高为目标，确定出最优的下泵深度和转速。影响系统效率的参数有很多［5-6］，但就潜油直驱螺杆泵采油系统结构特性来讲，系统效率指螺杆泵泵效与机械效率的乘积。

2.1 优化目标函数

潜油直驱螺杆泵采油系统的最大效率为

式中：ηmax为最大系统效率，%；Ql为泵的漏失量，m3；Qt＝5 760enijDT，为螺杆泵吸入泵腔内油气水混合物的体积，m3；Li为不同的下泵深度，m；nij为下泵深度为Li时不同的螺杆泵转速，r／min；e，D，T为螺杆泵自身的结构参数，m；ηN为电机额定效率；β为电机瞬时利用率，β＝Pm／PN；P0，Pm，PN分别是电机空耗功率、电机输出功率和电机额定功率，k W；pc为套压，MPa；pwf为井底流压，MPa；δ为定转子啮合线间的间隙，m；l为啮合线处的缝隙长度，m；r为为油管半径，mm；R为套管半径 mm；ρ，ρ0，ρw分别是混合液体密度、原油密度和水的密度，ρ＝ρ0（1－fw）＋ρw fw，kg／m3；fw为含水率，%。

在涉及该优化目标函数的所有参数中，基于潜油直驱螺杆泵采油系统生产参数优化设计的前提下，需要调整的参数有泵漏失量Ql、螺杆泵吸入泵腔内油气水混合物的体积Qt、下泵深度Li和螺杆泵转速nij，其中影响系统效率η最大的参数为下泵深度Li和螺杆泵转速nij，其余参数因油井和潜油直驱螺杆泵采油系统的选定而成为定值。

2.2 约束条件

1） 油井产液量必须小于井下地质供液能力，大于生产给定的最小产液值，即Q0≤Qt≤Qmax，m3／d，式中，Q0为给定最小产液量。

2） 由螺杆泵特性曲线及其工作区域可知［7］，尽量将工况点落在螺杆泵高效区内，此时螺杆泵效大于50%，即ηv≥50%。

3） 实际下泵深度Li不大于油层中部深度LL，大于600 m，即600＜Li≤LL，m 。

4） 转速对螺杆泵水力特性的影响至关重要［8］，当转速较高时，容积效率也较高，而机械效率稍低，决定着系统效率的变化。确定合理的转速范围，应选取螺杆泵额定转速范围，即0＜nij＜nN，式中nN为螺杆泵额定转速，r／min。

3 优化设计程序及具体步骤

根据上述采油系统节点划分，求解出泵吸入口和排出口的压差。分别以井口和井底射孔中段两节点为起始点，结合多相管流压降有关计算公式便可求解出泵进出口两端的压差，然后推算出在不同下泵深度时不同转速所对应的螺杆泵泵效和机械效率，从而实现以系统效率为最优目标，确定合理的下泵深度和螺杆泵转速。优化设计程序框图如图2。

图2 潜油直驱螺杆泵采油系统效率优化设计程序框图

4 应用实例

应用Matlab软件编制了潜油直驱螺杆泵采油系统效率优化程序，结合某水井生产数据进行验证。其生产数据如表1。

表1 某水井生产数据

应用该优化程序对某水井进行优化，将程序中螺杆泵转速调整步长设置为10 r／min，下泵深度调整步长设置为30 m。通过对应用程序流程中所记录下的信息进行整理，得到不同下泵深度时不同转速所对应的系统效率曲线，如图3所示。ZQLB40-40型螺杆泵推介转速为65～266 r／min，各下泵深度起始转速设置为65 r／min。

图3 不同下泵深度时转速与系统效率的关系曲线

5 结论

1） 在下泵深度1 356～1 506 m，采油系统效率是逐渐增加的。在下泵深度1 506～1 626 m，采油系统效率逐渐降低。由于受到产液量、泵效、螺杆泵转速等约束条件的制约，下泵深度不同，各转速对应的系统效率曲线长度、挠度不相同。

2） 当潜油直驱螺杆泵下泵深度定为1 506 m，转速定为155～175 r／min时，系统效率为最优。

3） 现场实测效率值与优化结果的误差为4%，在工程允许范围，表明所编制的潜油直驱螺杆泵采油系统生产参数优化程序是可行的。

［1］ 张克岩.潜油直驱螺杆泵［J］.油气田地面工程，2011，30（7）：99.

［2］ 郝明晖，张建.井下直驱螺杆泵潜油伺服系统的设计［J］.机械设计与制造，2011（7）：221-223.

［3］ 李增亮，张来斌，娄晖.电潜单螺杆泵油井生产系统优化设计方法［J］.石油大学学报：自然科学版，2003，27（5）：67-80.

［4］ 李晶，张连社.浅谈单螺杆泵采油井的优化设计［J］.油气田地面工程，2002，21（4）：25-27.

［5］ 张彦廷，李增亮，王旱祥.地面驱动螺杆泵油井生产系统的优化设计［J］.石油矿场机械，2000，29（1）：24-26.

［6］ 林日亿，孙茂盛，张邵东，等.有杆抽油泵沉没度的优化设计方法［J］.石油大学学报：自然科学版，2005，29（4）：87-90.

［7］ 孙焕志，苏艳清.采油用螺杆泵举升优势分析［J］.油气田地面工程，2007，26（7）：11-13.

［8］ 王永昌，杜香芝.螺杆泵试验转速和温度对水力特性的影响［J］.石油矿场机械，2011，40（4）：65-69.

Production System Parameters Opti mization of Direct-drive Electric Submersible Progressing Cavity Pump

QU Wen-tao，MA Jia-shang，SUN Yan-ping，ZOU Wei
（School of Mechanical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China）

By using node analysis and opti mization met hod，co mbing t he liquid supply ability，t he progressing cavity pu mp working characteristics and the wor king coor dination of the production system，t he reasonable pr oduction para meters of t he directive-drive electric sub mersible pr ogressing cavity pu mp systemis researched.Based on the opti mal target of the systemefficiency，the efficiency opti mization design model of t he directive-drive electric sub mersible progressing cavity pu mp is built，the procedure f or opti mizing the production parameters of the directive-drive electric sub mersible pr ogressing cavity pu mp pr oduction systemis written by matlab soft ware，which can quickly，accurately deter mine the rational pu mp depth and rotational speed of the progressing cavity pu mp.The result is line with t he field data，which shows t he procedure written is f easible.

electric sub mersible pu mp；progressing cavity pu mp；efficiency；opti mization design

TE933.307

A

1001-3482（2014）06-0042-03

2013-12-18

陕西省自然科学基金“单螺杆式水力机械转子线型几何理论研究”（SJ08A29）

屈文涛（1970-），男，山东临邑人，教授，现从事螺杆式水力机械及其配套技术研究，E-mail：hx991030＠163.co m。