寬幅電潛泵技術開發及渤海油田應用

張光一 杜丹陽 李令喜 劉躍忠 黃新春 楊璐

摘 要：渤海“雙高”油田占比大，常規電潛泵因高效工作區無法滿足實際生產中產液量大幅變化需要而導致非故障換泵，為油田帶來了作業成本增加及產油損失。同時，多種類電潛泵不利于油田管理及提高作業效率，為此需要減少泵型種類，開發寬幅電潛泵。本文主要對寬幅電潛泵設計開發難點進行了分析，通過采用計算機仿真設計方法，實現了電潛泵葉導輪寬幅性能優化目的，并分別通過葉輪、整機測試及油田現場應用驗證寬幅電潛泵使用效果。結果表明，通過使用軟件替代手工設計計算，可有效提高葉導輪開發效率，縮短開發周期，更適用于三維空間曲面葉片開發;采用全壓緊結構形式更有利于電潛泵高效工作區的拓寬及電潛泵的運行。本文驗證了通過優化葉導輪水力性能及泵內結構，可有效提高電潛泵對油田復雜流體井況下生產的適用性，可為“雙高”油田精細挖潛，克服自然遞減、持續綠色穩產提供借鑒作用。

關鍵詞：寬幅泵;葉導輪;高效區

0引言

渤海油田自1967年開發以來，通過管理模式與技術的不斷創新，已穩固發展為我國近海最大采油基地。但當前，以高含水、高可采儲量采出程度并稱的“雙高”油田在渤海已達到19個，儲量及年產量占比均達到50%以上，這一數據在“十三五”末期預測將達到65%以上。特別是自2015年至2019年以來，換大泵作業井數占比逐年增加（2.48%升至20.09%）。

此類換泵主要是因為常規電潛泵高效工作區較窄（排量范圍有限），無法適應油田實際生產過程中產液大幅度變化問題。導致電潛泵工作在非高效區內發生偏磨影響效率及壽命或者需要更換大泵滿足提液生產需要。據不完全統計，僅2015年工程技術公司在渤海投產電潛泵中就有59%的產品運行超出額定流量高效區。此類檢泵，造成了不必要的作業成本及原油產量損失。

同時，常規電泵型號種類較多，以50～2000m3/d排量電泵為例，單一制造廠泵型多達22多種，而各廠家間產品各不相同，油田管理方需要常年儲備大量庫存，既造成了庫存積壓和資金嚴重占壓，同時也降低了作業準備時效。

將葉輪型號種類減少，研制開發出高效區較寬、適用流量范圍更大的寬幅電潛泵，滿足“雙高”油田生產需要，避免不必要的換泵作業，成為油田降本增效重要手段和迫切需求。

1 寬幅電潛泵開發

1.1 國內外研究進展

經調研，前期國內各大油田仍主要使用常規電潛泵進行生產，國內并未開發寬幅電潛泵技術及相關產品。

國外方面，美國貝克休斯和斯倫貝謝公司已擁有此類寬幅潛油電泵產品（貝克休斯公司為FLEX系列技術，簡稱F系列;斯倫貝謝公司為RC系列），并于2014年起向中國市場逐步推廣應用，目前寬幅技術全部為國外公司壟斷。

1.2 寬幅電潛泵設計開發

為實現寬幅技術國產化，中海油能源發展工程技術公司于2016年成立了項目組，開展渤海“雙高”油田高效寬幅舉升技術研究。

1.2.1 寬幅泵高效工作區范圍的確定

根據渤海油田2016年元月機采井運行數據統計得知，產液量為50-1000m3/d的生產井占比達到89.27%，因此開發寬幅電潛泵，主要需要解決這部分生產井的寬幅生產需要。結合渤海常用生產管柱及現有電潛泵情況，寬幅泵產品開發確定為387系列及538系列各三種典型泵型，設計流量覆蓋50-1400m3/d。

1.2.2 寬幅泵葉導輪開發

寬幅性能主要通過葉導輪水力性能體現在流量、揚程和效率三方面，三者相互影響。流量--泵效率曲線為拋物線形式，高效區越寬，邊界點效率越低;流量--揚程曲線中揚程性能則是隨著流量的增大而變低（如圖1所示）。

因此，開發寬幅泵的難度在于拓寬高效區的同時，盡可能減緩效率和揚程變化。此時常規二維平面葉導輪水力性能很難滿足設計需要，為此，需要設計三維空間曲面葉片。

國內傳統葉導輪設計主要依靠手工計算，設計結果需要多次開模鑄造樣件驗證，開發周期長、成本高、效率低。為解決這些問題，本次開發全程創新采用軟件設計方式，即通過Cfturbo進行水力模型設計，應用UG進行零部件三維建模，使用ANSYS 實現模型網格化、計算仿真、性能測試及反設計（圖2至圖4），有效解決泵效率手工計設計無法計算問題。

結合3D打印技術，對開發的6種葉導輪進行了打印及快速性能測試，性能均達到或優于產品設計要求。

1.2.3 寬幅泵葉導輪壓緊結構選擇

由于泵高效工作區拓寬后，揚程變化范圍更大，即不同流量下葉導輪受到的軸向力變化增大，使得葉輪及止推墊片磨損加劇，此時需要將泵葉導輪的壓緊結構由浮動改為全壓緊，使葉輪和導殼之間始終存在空間不發生摩擦，所有的軸向力由高承載保護器止推軸承承擔。

根據對常規全壓緊結構電泵裝配工藝分析，優化了葉導輪壓緊裝置及裝配工藝，并設計了專用工裝及工具，同時增加了軸伸調節裝置，單節全壓緊泵裝配效率提高30%以上，并提高了一次裝配成功率。

對6種典型泵型寬幅泵進行性能測試，流量可覆蓋50-1900m3/d，測試結果優于設計指標。

測試結果顯示，寬幅電潛泵高效工作區范圍優于常規電泵87%-275%，優于國標4.5%-17.5%，并達到國外同期產品性能水平。與原有技術相比，泵型種類可減少72%。

2 寬幅電潛泵渤海油田現場試驗

根據油田生產實際需要，自2017年起寬幅電潛泵已在現場累計應用50余井次，最長運行超過800d，目前產品運行平穩，滿足了油田對電潛泵寬幅生產的需要。

以某油田生產井A1為例，其設計產液量300 m3/d，按照常規電泵選型，應為型號為X2700型（高效區范圍262-440 m3/d），但該油井實際生產過程中受到平臺限液生產及提頻提產等措施影響，產量維持在83-458 m3/d之間，采用寬幅泵KF250型產品（高效區范圍覆蓋110-460 m3/d）后，避免了電泵的非高效工作區運行隱患。

3 結論

①通過設計開發三維寬幅葉導輪，將原有泵型種類降低了72%，并解決了電潛泵高效工作區拓寬難題，最大程度緩解了電潛泵實際生產中非高效區運行偏磨問題，減少了不必要的措施換泵帶來的作業和產油損失;②全壓緊結構寬幅泵因將泵軸向力由葉輪導殼承擔改為高承載保護器承擔，因此更有利于電泵在更寬幅的高效工作區內運行;③采用水力開發及模擬仿真軟件，可有效提高電泵葉導輪設計效率，更適用于三維空間曲面葉片開發，同時可解決手工計算無法計算泵效問題;結合3D打印快速成型技術，可有效避免常規開發方式多次金屬鑄造開模驗證成本浪費及開發周期長問題;④寬幅電潛泵舉升技術已逐步獲得各用戶認可，但仍需要通過更長時間的現場運行驗證效果及不斷完善性能，從而全面完成三新三化推廣應用工作。

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作者簡介：

張光一（1966- ），男，工程師，碩士，主要人工舉升相關工作，公司：中海油能源發展股份有限公司工程技術機械采油分公司。

基金項目：國家科技重大專項項目“渤海油田高效采油工程及配套技術示范”（2016ZX05058-003-019）資助。