螺桿泵井動液面的電功率計深方法研究與應用

■計量

螺桿泵井動液面的電功率計深方法研究與應用

陳偉剛

中國石油大慶油田有限責任公司井下作業分公司（黑龍江大慶163453）

為提高螺桿泵井動液面計深的準確率，及時準確獲取動液面資料，研究了電功率的動液面計深方法。通過測試不同運行參數下的電功率，可反映并推算出螺桿泵光桿扭矩變化，再推算舉升壓差，進而求得動液面深度。將計算得到的液面深度與回聲儀測試結果對比，發現兩者差值較小，可以滿足動液面測試的要求。通過將兩個測試結果進行相互驗證，可以更容易發現測試異常問題井。該研究為螺桿泵井液面計深提供了技術支持。

螺桿泵井；動液面；功率；扭矩

大慶油田某采油廠高流壓螺桿泵井共有319口（其中水驅井268口、聚驅井51口），平均流壓6.58MPa，平均沉沒度695.73m，平均轉速83.89r/min。

通過對319口高流壓井進行現場動液面核實，其中資料不符井37口，占流壓核實井數的11.6%，沖洗套管后復測液面，流壓達到正常水平。

當套壓、油層中部深度和舉升液體密度一定時，井底流壓與動液面深度成正比，因此動液面測試結果不準確是導致流壓不準的直接原因。而該廠螺桿泵井的動液面由井下液面測試儀通過回聲測試技術獲得，說明資料不符井的回聲測試結果存在異常[1-2]。但目前該廠所有螺桿泵井均采用井下液面測試儀對動液面深度進行測試，缺少其他測試（計量）技術，異常資料只能在審核資料時借助其他資料考證、查錯，并不能在采集時就被及時發現，這對生產中及時準確地獲得動液面（流壓）資料造成了一定的影響。通過研究螺桿泵井動液面電功率測試法，可以直接獲得螺桿泵井動液面數據，而且通過將電功率測試法與井下液面測試儀測試結果相互驗證，若測試結果較接近（根據現場經驗一般取100m以內），說明井下液面測試儀資料為真實值，否則為測試異常井，應立即采取進一步復測措施。

1 螺桿泵井動液面電功率計深方法研究

螺桿泵井動液面電功率測試法是通過測試不同運行參數下的電功率（如圖1，P0、P1、P2分別為轉速n0、n0調整為n1后的短時間內、以轉速n1生產一段時間后的有功功率），推算螺桿泵光桿扭矩變化，再推算舉升壓差ΔP，進而求得動液面深度。

圖1 不同運行參數下的電功率隨時間變化情況

正常運轉情況下，抽油桿柱主要受到3種扭矩的作用：轉子舉升液體的有功扭矩、定子與轉子間的摩擦扭矩、抽油桿柱與采出液的摩擦扭矩[3]，總的扭矩可表示為：

式中：M為光桿扭矩，N·m；Mp為轉子的有功扭矩，N·m；Mf為定子與轉子間的摩擦扭矩，N·m；My為抽油桿柱與采出液的摩擦扭矩，N·m。

其中：

式中：ΔP為舉升壓差,MPa；q為泵轉排量,mL/r；k0為定子套橡膠的剛度，N·m/mm2；δ為襯套橡膠在井下因熱溶脹而增加的過盈量，mm；δ0為定轉子間初始過盈量，mm；f為定轉子間的摩擦系數,無量綱；R為轉子半徑，mm；μ為液體黏度，Pa·s；n為光桿轉速，r/min；Dt為油管內徑，mm；d2為抽油桿外徑，mm。

螺桿泵轉速由n0調整為n1后的短時間內（表1），舉升高度未變（即ΔP不變），則由公式（2）可知舉升扭矩Mp不變，即Mp0=Mp1；由公式（3）可知定子與轉子間的摩擦扭矩Mf只受定轉子間過盈量、摩擦系數、轉子半徑等參數影響，也不變，即Mf0=Mf1；由公式（4）可知主要是桿液摩擦扭矩My發生變化，且My與轉速成正比，即My0/My1=n0/n1。因此：

又由于螺桿泵井的光桿扭矩與電機有功功率存在如下關系[2]：

表1 變參前后扭矩變化情況表

式中：P為電機有功功率，kW；η為驅動裝置傳動效率，%；n為光桿轉速，r/min。

因此，根據測試過程中所得的有功功率P0、P1，可折算出M0，M1，即：

在n0狀態下，光桿扭矩

在n1狀態下，光桿扭矩

由公式（5）

因此

通過以上分析，My0由公式（10）獲得；Mf0根據室內模擬實驗和公式（3）可得出；根據公式（6）獲得表2中正常生產狀態下的光桿總扭矩M0。將以上結果代入公式（1）后即可得出舉升扭矩Mp0，再根據公式（2）就可推算舉升壓差ΔP。

由于動液面深度L0與舉升壓差ΔP之間存在如下關系[4-6]：

式中：L0為動液面深度,m；H為泵掛深度,m；Pt為套壓,MPa；a為舉升液體密度,g/cm3。

即可推算出動液面深度。

2 螺桿泵井動液面電功率計深方法應用

試驗中，測量螺桿泵井工況改變前5s內P0、n0等數據；變頻調參后n1=1/2n0,測量螺桿泵井工況改變后5s內P1、n1等數據。使用回聲儀同步測試動液面深度，將螺桿泵井動液面電功率計深方法獲得的結果與回聲儀測試動液面深度對比驗證12井次，如表2所示。

由表2可知，電功率法計算液面深度較回聲儀同步測試動液面深度絕對誤差在100m以內（能夠滿足現場要求），相對誤差為2.5%～10.9%。首先認為采用回聲儀同步測試動液面深度是準確的，而兩種方法測試的誤差源于電功率液面計深方法中的P0、n0、P1、n1等相關參數均應為理論上參數變化前后的瞬間值，但實際上P和n等參數是隨時間在一定范圍內不斷波動的，直接采集一組數據計算是不科學的。為了盡可能地降低原始數據的誤差，試驗中采集的P和n等數據均為5s內數據的算術平均值。

單井測試情況以A井為例，該井采用120mL/r螺桿泵生產，實際轉速60r/min，正常生產時光桿測試扭矩為223N·m（表2），有功功率3.361kW。首先用回聲儀測試動液面深度為367m，然后調整該井轉速60r/min至30r/min，測得有功功率為2.185kW（表3），應用電功率液面計深法計算得出該井正常生產狀態和降參瞬間狀態的總扭矩分別為214.77N·m和171.45N·m，測算的舉升扭矩為85.80N·m，對應的舉升壓差4.49MPa，該井泵深899.7m，含水84.4%，套壓為0.2MPa，通過公式（11）確定的動液面深度為390.824m（圖2），與回聲儀測試液面深度差值為24m（表2）。

表2 應用情況表

表3 A井測試數據表

圖2 A井電參數測試圖

3 結論

1）螺桿泵井動液面的電功率計深方法，通過采集變轉速前后螺桿泵有功功率等參數，可以獲得螺桿泵井總扭矩、有功扭矩、動液面等參數。

2）將螺桿泵井動液面電功率計深方法獲得的結果與回聲儀測試動液面深度對比驗證12井次，誤差較小，可以滿足動液面測試的需要，可以更容易發現測試異常問題井。

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In order to improve the accuracy of the dynamic liquid level depth measurement of the screw pump well and obtain the accurate data of the dynamic liquid level in time,a method of measuring the dynamic liquid level depth of screw pump well by electric power was proposed.By testing the electric power under different operating parameters,the torque of the rod of the screw pump can be calculated,then the lifting pressure difference can be calculated,and finally the dynamic liquid level depth can be calculated.The liquid level depth calculated by this method is compared with that measured by the echo tester,and it is found that the difference between them is small,which can meet the requirements of dynamic liquid level test.Through the mutual verification of two results,it is easier to find abnormal wells.

screw pump well;dynamic liquid level;power;torque

左學敏

2016-10-17

陳偉剛（1981-），男，工程師，主要從事油田作業管理工作。