電動潛油螺桿泵舉升工藝技術優化 研究與應用

陳 銳 韓岐清 鄭小雄 韓 濤

中國石油大港油田公司采油工藝研究院,天津 300280

0 前言

受油稠、井眼軌跡復雜等因素交織影響,常規有桿泵舉升工藝在稠油井生產過程中桿管偏磨等問題突出,油井難以實現長效生產。電動潛油螺桿泵舉升工藝系統效率高，生產運行參數調節便捷，維護管理方便,已在各油田稠油油井中得到推廣應用。韓勝華等人[1-9]研究形成的電動潛油螺桿泵舉升工藝基本解決了稠油油井桿管偏磨等問題,但因其對適應的舉升揚程及原油黏度還存在技術局限性,目前還無法滿足泵掛較深的特稠油井生產需要。

基于前人研究形成的電動潛油螺桿泵舉升工藝技術,通過優化配套潛油電機及螺桿泵等關鍵設備,同時以油井實際生產數據為依據,優化設計轉子負載扭矩及系統效率等關鍵工藝參數,有效提高了電動潛油螺桿泵舉升工藝的適應性,滿足了特稠油井的生產需要。

1 工藝原理

電動潛油螺桿泵機組將電機、減速器、撓性軸、螺桿泵及電纜下入井內,螺桿泵與油管及地面管線連接。地面電源通過變壓器、控制柜及接線盒連接后,經電纜將電能送至井下電機,電機旋轉經過撓性軸驅動螺桿泵,達到井液舉升目的[10-13],工藝配套見圖1。

2 技術研究思路

為最大程度提高工藝適應性,根據螺桿泵技術特性和適應能力,結合目標井油藏、流體及井況特征,優選電機和螺桿泵規格型號,同時在優選定子橡膠材料及規格參數的基礎上,優化設計工藝參數,并結合現場應用效果分析評價工藝的技術可行性和經濟有效性,形成適應不同井況的工藝配套技術系列,技術思路見圖2。

圖2 技術思路

2.1 關鍵配套技術

2.1.1 低轉速大扭矩永磁同步電機

傳統電機額定功率高,油井在低液量生產過程中電動潛油螺桿泵機組溫度高,易出現電機燒等問題,系統運行可靠性得不到有效保證,通過優化配套低轉速(250 r/min)、大扭矩(912 N·m)永磁同步電機,不僅有效解決了機組溫度高的問題,且大幅度提高了電機功率利用率,降低了運行能耗(電機功率11 kW),同時不再配套減速裝置,有效降低了運行故障率。

2.1.2 高性能螺桿泵

為提高螺桿泵技術性能,結合目標井地層流體物性特征,優選定子橡膠材質及轉子表面處理方式,以滿足油井生產需要。同時結合產液量要求,優選螺桿泵規格型號,并優化設計定、轉子外徑及長度等規格參數,從而提高螺桿泵技術性能,優化后的主要性能指標見表1。

表1螺桿泵主要性能指標

額定轉速/(r·min-1)排量/(m3·d-1)揚程/m含氣率/(%)H2S含量/(%)含砂量/(%)2502～200≤2 6003035

2.2 技術適應條件

優化配套的電動潛油螺桿泵舉升工藝技術在適應原油黏度、排量范圍及最大揚程等方面具有更好的技術優勢,具體技術適應條件見表2。

表2技術適應條件對比表

配套技術原油黏度/(mPa·s)日產液/(m3·d-1)最大揚程/m原油溫度/℃含砂量/(%)H2S含量/(%) 井斜角/(°)全角變化率/(°)·(30 m)-1優化前5 00015～2001 800120210903優化后12 0002～2002 600120530905

3 工藝參數優化設計

3.1 工藝優化設計流程

依據油井儲層物性、流體物性及管柱設計數據,對油井產液量及動液面進行分析預測,再結合確定的泵掛深度、螺桿泵及配套電機的規格型號及定轉子規格參數,對比分析螺桿泵特性曲線[14-16],根據動液面及產量合理調整螺桿泵轉速,在保證油井產能的前提下最大限度地將工作點調整到系統效率最高點附近,工藝優化設計流程見圖3。

圖3 工藝優化設計流程

3.2 關鍵工藝參數

3.2.1 轉子負載扭矩

螺桿泵轉子扭矩可用如下經驗公式計算分析[17-20]:

(1)

3.2.2 系統效率

螺桿泵的系統效率為有功功率與轉子輸入功率之比,計算公式為:

(2)

4 現場應用實例

圖4 螺桿泵工作特性曲線模擬分析

5 結論

1)優化配套形成的電動潛油螺桿泵舉升工藝技術適應性得到了明顯提高,能適應原油黏度大于10 000 mPa·s特稠油油井的生產需要。

2)工藝生產參數設計不合理,將導致螺桿泵實際運行工況與最佳效率點存在偏差,降低油井排量效率。