黏性液體對潛油電泵特性影響的實驗研究

張曉嬌

中國石油大慶油田力神泵業有限公司 (黑龍江 大慶 163311）

在選井選泵的過程中，根據井況基本條件，確定泵排量和揚程。由于井液的黏度對潛油泵揚程、排量和泵效皆構成影響，而常規潛油泵的特性實驗都是在清水狀態下測試出來的，實驗中假定井液黏度和水相同，用標準的水所做泵特性曲線來進行潛油電泵選擇設計。潛油電泵最初是應用在水井或系統相似的高含水井中，所以這樣的選擇比較準確。近幾年來，在低含水油井中應用潛油電泵的用戶發現，泵在黏度比較大的原油中的工作特性比所期望的工作特性要差得多[1-2]。因此在選井選泵過程中，必須對泵的揚程、排量和泵效進行修正，以確保機組的可靠運行，防止電機過載等問題的出現。潛油電泵在運行過程中，由于電泵機組與油井生產參數匹配不合理，經常出現泵偏離高效區，不能在理想工況點下運行，具體表現為兩方面：一是泵選得過大，不能充分發揮其能力，造成能源浪費，使止推軸承和葉輪產生磨損，從而縮短了電泵機組的壽命；二是泵選得過小，不能高效開采油氣田，易造成電機過載和燒壞。由文獻[3-9]知，甘油(丙三醇)是一種很好的實驗液體，無色、無毒，水溶液性質穩定，黏度變化范圍在1～1 499 mPa·s。以Q10型潛油電泵為例，結合實驗開展了黏性液體對潛油電泵特性影響的實驗研究。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

1）實驗材料：95#工業甘油（密度1.267 g/cm3）,自來水（密度1.000 g/cm3）。

2）實驗儀器：XMZ-102型數字溫度計、ESJ-30攪拌器、TVC-7型便攜式數顯黏度計、懸浮式密度計、250 mL量筒、1 000 mL燒杯、20 mL注射器等。

1.2 實驗設備

1.2.1 實驗用葉導輪相關參數

為直觀體現黏性液體對潛油電泵特性曲線的影響，以Q10型潛油電泵為例，研究黏性液體對潛油電泵特性曲線的影響。室內實驗潛油電泵葉導輪的規格和組裝級數見表1。

表1 實驗用潛油電泵葉導輪規格相關參數

1.2.2 水力模型實驗臺

水力模型實驗臺包括：液體箱、三相異步電動機、ZJ型轉矩轉速傳感器、Q10型潛油電泵、0～1.6 MPa壓力表、0～2.5 MPa壓力表、YKLK-S-80型質量流量計、DB-2型水力模型控制柜等。水力模型實驗臺如圖1所示。

圖1 水力模型實驗臺結構示意圖

2 結果與討論

2.1 實驗液體的選擇

一般情況下，配制不同的黏性液體都會選擇液體增黏劑或者某種液體通過不同濃度的配制實現不同的黏度。例如：聚合物和不同量的水進行配制，但是對于高分子聚合物，其水溶液容易降解，其黏度隨著實驗過程的進行在逐漸降低，且聚合物不易溶于水，必須由攪拌器長時間勻速攪拌才可以與水均勻混合，對實驗的進展帶來不便。

甘油(丙三醇)是較好的實驗液體，無色、無毒，甘油水溶液性質穩定，幾乎不揮發，不會對實驗環境產生污染，對實驗者沒有危害。甘油可以通過水稀釋的方法獲得不同的黏度，甘油溶液的黏度隨濃度變化，變化范圍在1～1 499 mPa·s，如圖2所示。甘油水溶液黏度改變時，其密度的變化范圍很小，有利于把黏度因素獨立出來進行研究，如圖3所示。

2.2 實驗液體的配制

分別配制實驗液體：甘油濃度50%、60%、70%、75%、80%、85%、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%的甘油水溶液，室內小劑量甘油水溶液黏度隨著濃度變化曲線如圖4和表2所示。

圖2 甘油黏度隨濃度變化曲線

圖3 甘油相對密度隨濃度變化曲線

2.3 潛油電泵的工作特性曲線

利用水力模型實驗臺，通過大量實驗，完成了黏性液體對Q10型潛油電泵特性曲線影響的圖版，如圖5所示。

表2 室內不同濃度小劑量甘油溶液黏度測量值

圖4 甘油水溶液黏度隨濃度變化曲線

圖5 黏性液體對Q10型潛油電泵特性曲線影響的圖版

根據圖5可以得出黏性液體影響潛油電泵的特性，Q10型潛油電泵的效率隨流量的增大先增大后減小，流量不變的情況下黏度增大效率降低；揚程隨流量的增大而減小，流量不變的情況下黏度增大、揚程降低；功率隨流量的增大平緩上升，流量不變的情況下黏度增大、功率降低。隨著黏度在1～198 mPa·s變化時，在潛油電泵高效工作區，其所需功率急劇增加在93～404 W變化，揚程在7.7～0.2 m下降，最高效率在55%～8%下降。因此在選泵過程中，必須對泵的揚程、排量和泵效進行修正，使得潛油電泵能夠在合理的工況區運行，以提高泵效。

3 結論

1）黏性液體影響潛油電泵的特性，隨著黏度在1～198 mPa·s變化，Q10型潛油電泵在高效工作區，其所需功率在93～404 W急劇增加，揚程在7.7～0.2 m下降，最高效率在55%～8%下降。

2）黏度在1～198 mPa·s變化時，不同排量下潛油電泵有合理的工況點，可以為葉導輪配套優選設計提供借鑒。

3）通過大量實驗數據，獲得了在1～198 mPa·s黏度范圍內，黏度的變化對潛油電泵工作性能影響的定量規律:潛油電泵的效率隨流量的增大先增大后減小，流量不變的情況下黏度增大、效率降低；揚程隨流量的增大而減小，流量不變的情況下黏度增大、揚程降低；功率隨流量的增大平緩上升，流量不變的情況下黏度增大、功率降低。