PIPESIM 软件在渭北油田电潜泵采油设计的应用

周文彬，张志全，奚 睿，吴亚星，张 彬，杨树东

（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司监督中心，天津 300450）

渭北油田位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡中部，构造平缓，属于浅层低渗透油藏，埋深位置200～1 000 m[1]。渭北油田在开发生产过程中，存在泵效低、压裂达不到理想的效果以及集输成本高。为了解决这些问题，本文应用PIPESIM 软件进行电泵采油设计优化，从而选择一个适合渭北油田开采的优化方案。

PIPESIM 软件是Schlumberger 公司开发的一种工程应用软件，主要用于多相流稳态模拟计算、生产系统优化分析、采油及集输工程计算、分析及设计工具，在油气工业中有着广泛的应用[2]。在实际的应用过程中，软件输入数据方便、结果一目了然，并且它可以模拟从油藏到整个地面工作中整个多相流生产系统，是一款很好的生产系统优化设计软件。

1 电潜泵采油工艺

电潜泵全称电动潜油离心泵（Electrical Submersible Pump），简称电泵（ESP）。在现代采油技术中，电潜泵采油工艺是一种进步的标志，最早是苏联A.S.Arutunoff 发明的，当时用于抽地层中的水和矿井里的水。同时，美国1926 年在Russel 油田井组使用电潜泵的采油，从那个时候起就有了原油的开发及生产，然而中国是在1965 年进行电潜泵的研发和试验的。

如今，就国内外的制造水平和提高采收率的效益来看，其中中国、美国以及俄罗斯占主要部分。但无论是生产规模，还是制造技术，美国都处于领先地位。美国和苏联是世界上生产和使用电潜泵较多的国家，加拿大、法国和挪威等国也生产和应用。电潜泵在使用的过程中具有大排量以及节约成本等多种好处，近些年来许多地区在提高电潜泵经济效益、稳定性以及安全性上做了许多的研究，然后迅速的出现了新的成果，同时对于提高采收率有重大的发现，是重要的机械采油方法[3]。

1.1 电潜泵采油设计原理

电潜泵的优点：排量扬程范围大，能把油井中上部水层的水注入到下部的注水层中；在使用过程中操作和管理都非常方便、简单；在海上采油时，能够同时很好的使用水平井以及斜井；腐蚀和结蜡容易处理；容易安装各种温度、压力传感器；检泵周期长、油井生产时效相对较高，有利于原油生产。

电潜泵的缺点：电潜泵下入深度受多种因素（油套管内径的大小、井口和井底温度）的限制；由于多级大排量高功率的电潜泵价格比较昂贵，初期投资高；由于电缆和电机环境的恶劣性，造成维修成本高，同时腐蚀性和高温易使电机损坏；动力源仅适用于采用电源，对于没有电源的零散井，不适合采用这种采油方式[4]。

（1）下泵深度的确定：对已投产井，下泵深度是已知的，需检验计算是否合理；对欲转抽或新井，需确定下泵深度。其中考虑因素：泵吸入口处的气液比、分离器的类型和分离能力以及沉没度。

式中：Fgl－泵吸入口处的气液比；fw－体积含水率；Rgo－生产气油比；Bo－原油的体积系数；Bg－天然气的体积系数；Rs－泵吸入口处的溶解气油比。

根据上面公式，就可以计算出不同下泵深度所对应的泵吸入口处的气液比大小，并可以做出下泵深度与泵吸入口处气液比的关系曲线。确定下泵深度时，首先要满足沉没度的要求，然后在分离器的分离能力条件下根据下泵深度与泵吸入口处气液比的关系曲线便可以确定下泵深度。

（2）泵排出口压力的确定：泵排出口压力一般要根据井口压力及产量按单相管流或多相管流进行计算。当井筒中不含气时，一般把油水混合物的流动处理成单相流动，当油水形成乳状液时，由于其物性参数难以准确确定，将带来较大的误差；当井筒中含有游离气时，应按气、液两相管流或油、气、水三相管流进行计算[5]。

（3）泵吸入口压力的确定：根据相关文献[6]，有两种确定方法：第一种是由井底根据流压按多相管流计算到泵吸入口，求出泵吸入口压力；另外一种是由井口沿油、套管环形空间计算到泵吸入口，求出泵吸入口压力。后者涉及到环空中静气柱与沉没段液体压力的计算。

（4）总动压头（总扬程）的确定：总动压头（总扬程）：泵在设计排量下工作时所需要产生的总压头。它是泵送流体到目的地所需要的排出口压头与吸入口压头之差（见图1）。由式（2）可以计算出：

图1 总动压头示意图

式中：H－泵扬程，m；Hp－泵挂深度，m；hs－沉没度，一般取300～500 m；Hwh-井口回压折算压头，m；Hfr-油管摩擦阻力损失压头，按10%计算。

（5）系统的设备选择：多级离心泵：泵型和总级数的确定。泵型选择，主要根据泵的设计排量，在相应的套管直径及电源频率等条件下的标准工作特性曲线来选择。泵的总级数Z 可由下述公式求得：

式中：Hj－单级扬程，可由泵型的标准工作特性曲线查得。

潜油电机：当多级离心泵的型号、扬程及所需的总级数确定以后，潜油电机所需的功率Pr（kW）为:

潜油电缆：规格和型号主要决定于电缆的载流能力和工作环境。不同电缆的载流能力（见表1）。

表1 电缆规格和型号

电缆的电压损失可按式（5）计算：

式中：ΔU－电缆的电压损失，V；I－电机的工作电流，A；L－电缆的长度，km；R－导体的有效阻抗，Ω/km；cosΦ-有功功率因数；X-导体的电抗，Ω/km；sinΦ-无功功率因数。

变压器：变压器的容量必须能够满足电机最大负载的启动，应根据电机的负载来确定变压器的容量。

2 PIPESIM 建立模型

本文以渭北油田为例，油藏平均埋深550 m，采液指数为0.077 8 t/（d·MPa），原始地层压力2.06 MPa，平均孔隙度12.2%，平均渗透率0.76×10-3μm2，原油密度0.810 2 g/cm3，黏度6.64 mPa·s，地层温度29.2 ℃，原油凝固点5～27 ℃[7]，使用的是黑油模型，其物性指标（标况）含水率：90%，气油比：79.06 m3/m3，天然气密度0.984，地层水密度1.026，原油API 为30。关于渭北油田一些基本参数表以及构建的模型（见表2，表3）。

表2 高压物性参数

表3 油藏及流入参数

利用上面数据建立单井模型，并且使用Hagedorn and Brown 多相流相关式确定该井是否能自喷。根据仿真结果可以看出（见图2），流入与流出没有交点，从而得出该井不能自喷。

图2 单井仿真结果

2.1 选泵及优化设计

电潜泵在确定生产能力（必须满足供液的能力）以前，同时让电潜泵的系统效率最高和消耗的能量最小，对下泵的深度、泵的型号、各组件的工作参数必须满足以下条件：泵的实际排量满足油井设计产量和在所选泵的最优排量极限内使用；下泵的深度须小于油层中间部分的深度；泵的外围径小于油套管内径和进泵的气液比不大于8%。同时，电潜泵在正式使用前需要满足以下部分的要求：

（1）电潜泵井机组安装质量应符合SY/T5167.4 的技术要求；采油井口装置和管道线的安装正确，并且符合相应的技术标准；电潜泵的电缆线路和高压变压器安装到位，稳定可靠高压变压器的次级输入电压档调到与电潜泵井下机组相对应的电压值以及电压波动不大于±10%，同时三相电压不平衡值不小于2%；需要依据不同采油井的情况对不同深度的电潜泵机型进行挑选；对不同的采油井，不同类型的电潜泵是关系电潜泵机组运行寿命的关键选择。针对渭北油田每个区块的采油井的情况各不相同，各有各的特点；针对不同电潜泵的举升适应范围应较为广泛，同时为了找到适应不同采油井在不同时期和不同工作状况（产液量的高低、气体饱和度高低、采油井的井液伴随腐蚀性液体的含量、地层表面出砂情况）下的生产。最后，电潜泵设计人员根据上述情况，设计出相应的不同工况、不同类型的最佳的电潜泵类型。

（2）控制柜结构与性能应符合设计要求，控制柜距离井口应不小于10 m，在户内使用应有防护措施。采油井的井口应安装接线盒，保证接线稳定牢固，同时连接导线的截面积必须大于16 mm2。在生产时应该根据油嘴的尺寸、油井的生产能力、电潜泵的排量大小进行优化设计，最后安装电流卡片时，记录笔尖应置于卡片的零位，不能出现位置的误差和偏移。

（3）当电潜泵工作时，时刻关注以及注意电潜泵的使用情况和状态；对油井产能结构进行优化，做到各个状态反馈为动态平衡；当某个系统发现有问题时，应该及时调整，使整个系统安全进行，同时减少损失；为了确保电潜泵机组的正常进行和运转，应该对出现的问题有针对性、系统性的解决；整个电潜泵每天的运行状态监督、保护器的安全性、电缆的传导性是否有效，都可以通过产能系统反馈至各部门，然后及时调整，从而延长电潜泵使用寿命[8]。

根据渭北油田的地质情况，根据下列的设计条件（见表4），对渭北油田选择合适的电潜泵以及所需电泵级数、所需功率。

表4 电潜泵设计条件

同时在模型中输入泵的设计参数并选择泵厂商为Reda，型号为Reda HN13000，可以得出标准状态下的电泵特性曲线，由曲线可以看出泵速为60 Hz，级数为1。

由此，可以得出：随着流量的增大，功率先增大，当达到一定的流量后，功率逐渐减小。因此，针对渭北油田的情况，在对电潜泵优化设计时，应该先提前选择泵的型号，明确泵的具体性能以及参数。优化设计时所需要采油井的基础原始资料、采油井目前产能和生产数据（油井静压和回压、采油井的产液量、含水率的高低、采油指数、地层静压和井底流压、总生产气液比以及产气量）、采油井资料（井深位置和长度、套管磨损程度及部位、地层状况分析、井口压力、产能预测）。在优化机泵配置的基础上对采油井的预测，这直接关系到采收率的多少。通过优化电潜泵的机组配置及安全稳定且经济效益高的工艺配套措施，实现潜油电泵高效运行，最后提高采油井的采收率。采油井的产能预测水平的高低直接影响电潜泵的优化设计。通过特性曲线可以看出：如果电潜泵泵井的有效扬程足够大，因此系统的效率和有效功率会比较高。所以在地层静压一定的情况下，为了提高系统效率和有效功率必须要确定最优的下泵深度和提液量，应该根据实际调整有效扬程和提液量，最后获得更高的采收率。

3 电潜泵的调产

通过上文对电潜泵的优化设计，现在有针对性对电潜泵进行优化，从而达到增产的目的。

（1）通过改变油嘴尺寸实现调产。油嘴调产是通过对油嘴尺寸大小进行改变从而使得油井产量得到了调整，其工作原理：通过改变油嘴尺寸大小来改变油压大小，然而改变了泵出口压力的大小，也就改变了泵的有效扬程，从而改变了泵的工作点。油嘴的尺寸大小变小，采油井的油层静压升高；电潜泵扬程增加，泵的工作点向泵特性曲线的左边移动，导致电潜泵排量减少以及产量减少；相反，油嘴的尺寸大小变大，泵工作点向泵的特性曲线右边移动，导致电潜泵的排量增大，同时产量增大。

（2）通过改变泵的频率实现调产。电潜泵是一种离心泵，其工作特性参数与泵的旋转速度有着正比例的关系，即与电潜泵电机的转速成正比。电潜泵频率改变时，电潜泵仍然处于最好的工作范围内进行工作，所以这样对泵的承受能力、零部件的损耗和寿命影响可以忽略不计，并且电潜泵与采油井产能匹配得很好，适应范围比较全面广泛，导致调产方便，就不需要检泵作业；电机的有效功率也随频率的三次方成正比例的变化，在大量放产时不需要更换大电机，产量减少时电机消耗的功率也随之变小，节能效果比较明显。

（3）通过回流来实现调产。回流调产不建议使用这一种方法，这种方法经济效益不高以及成本耗费大，并且会造成油套管的腐蚀以及结垢、结蜡、结死油的现象，这就导致了工作量的增加和实施作业的难度。回流调产是在油井供液量不足时常出现的停机，油嘴产量缩减无效，换泵作业成本高而无法实施变频调产的情况下，为了减少停机次数以延长机组寿命而使用的一种缩产方法。具体的做法是：打开采油树的油套阀门，同时通过控制阀开度让产出的生产流体一部分从油套环空返回电潜泵吸口以增加泵吸口压力和沉没度，维持电潜泵的正常稳定运转。

（4）通过换泵作业来实现增产。对于供液量不足或者泵排量远远达不到产能要求，井换泵作业是一种有效且根本的解决方法。对于供液不足的井采用更换尺寸小的电潜泵，当排量达不到产能要求时，采油井需要使用大排量的电潜泵来解决[9]。

通过以上四种方法以及对泵的优化设计，对于渭北油田来说，有良好的增产效果以及对产能预测有一定的措施。

4 总结

（1）本文通过PIPESIM 软件，针对渭北油田，建立了模型以及电潜泵的优化设计，对于产能的增加以及预测有一定的效果。

（2）根据电潜泵的工作原理以及优缺点，总结了四种对渭北油田产能有效的方法，同时也起到了一定的预测作用。