基于C語言的螺桿泵采油系統優化研究

李瑞英，吳春梅，姜赫，董云峰，王艷芹

（大慶師范學院機電工程學院，黑龍江大慶，163712）

1 研究背景現狀及意義

螺桿泵采油是目前大慶油田注水后期生產井最經濟高效的人工舉升方法之一，比較適合于稠油、低產和出砂油田的開發使用，近年來的應用規模不斷擴大，截止2019年底，大慶油田螺桿泵井已達9000口左右。隨著油田開發形勢的日益嚴峻，以及螺桿泵的應用規模不斷擴大，螺桿泵井系統設計的優化水平對生產效果的影響也在逐漸增大[1][2]。本項目開展螺桿泵井設備選型及工作參數優化設計方法研究，以大慶油田采油井為研究對象，井筒類型為直井、定向井，井深小于1200m，不考慮氣體影響出砂影響[3][4]。對螺桿泵選井、選泵、桿柱選配模型進行修正和完善，建立一套科學的優化設計方法。通過適量的理論計算和現場試驗，引入計算機語言進行編程，根據室內螺桿泵固定轉速下的水力特性檢測曲線，分析漏失、載荷特性，建立拓展計算模型，可計算給出任意轉速條件下特性曲線，從而實現程序化自動尋優，對現場由井選泵或由泵選井起到很好的指導作用，大大提高生產效率和現場應用的可靠性；建立不同系列螺桿泵井用抽油桿柱的選配模版，提高桿柱設計方法的實用性和可靠性，同時使泵的工作點最大限度地趨近系統效率最高點。螺桿泵采油的優化設計不但可提高整個系統的系統效率，而且可使螺桿泵與采油井之間達到合理匹配，提高螺桿泵的使用壽命，延長油井的運轉周期，減少故障的發生，有利于提高油井產能，延長油井的免修期，減少油田生產的成本，增加經濟效益。采用C語言，編制螺桿泵采油系統優化軟件，可實現螺桿泵井采油系統設備選型和工作參數優化設計及評價等功能。該方法是對現有的螺桿泵舉升設備和配套工藝參數進行充分整合和優化配置，該項目成果的推廣應用，將對于充分發揮螺桿泵工藝的整體技術優勢具有重要指導意義，對于降低設計及生產成本，提高螺桿泵井系統效率，提高大慶油田高含水后期的開發效益具有重要的意義。

2 優化系統設計

通過對大慶油田螺桿泵井流入流出特性、抽油桿強度及能耗等綜合研究分析，建立拓展計算模型和抽油桿柱的選配模版，引入計算機語言進行編程，進行軟件開發，編制“螺桿泵井設備選型及工作參數優化軟件”，確定螺桿泵井采油系統最佳設備選型和工作參數，實現其優化設計及評價等功能，實現程序化自動尋優。軟件各功能模塊關系流程圖如圖1所示。

圖1 軟件各功能模塊關系流程圖

■2.1 計算模型和力學模型的建立

通過對井下泵的合理選配技術研究，對螺桿泵選井、選泵、桿柱選配模型進行修正和完善，建立一套科學的優化設計方法，建立計算模型。選泵的內容包括：排量系列、轉速范圍、泵級數、工作溫度等。本項研究的重點在于如何獲得現場條件下的井下泵工作特性。

通過對螺桿泵井抽油桿柱合理選配技術研究，建立桿柱力學模型和生產管柱的管流特性是基礎；同時考慮扭矩的強度校核和扶正器的合理布置。本項研究將通過理論計算和現場試驗相結合的方法，建立螺桿泵抽油桿的力學模型。

■2.2 軟件開發及結果分析

軟件開發，編制螺桿泵采油系統優化軟件，采用C語言編程實現，實現螺桿泵井采油系統設備選型和工作參數優化設計及評價等功能。點擊“報警查詢”進入動態實時報警界面，如圖2。顯示當前所有正在進行的過程參數報警和系統硬件故障報警，并按報警的時間順序從最新發生的報警開始排起，報警優先級別和狀態用不同的顏色區別，未經確認的報警處于閃爍狀態。報警內容包括：報警時間、過程變量名、過程變量說明、過程變量的當前說明、報警設定值、過程變量的工程單位和報警優先級別。

圖2 “報警查詢”界面圖

點擊“趨勢曲線”進入趨勢界面，如圖3。系統具有顯示數據點趨勢的能力，并在同一畫面中同時顯示多組趨勢曲線，本系統采用的是“運行電流”、“輸出功率”、“光桿扭矩”、“動液面”4組趨勢畫面，X坐標軸為時間，Y坐標軸為變量數值，趨勢曲線與系統的數據保存相關。通過雙擊鼠標左鍵，出現如圖3所示界面，可對時間段、顏色、量程、數據偏移等進行修改。

圖3 “趨勢曲線”界面圖

此外，點擊“退出登陸”，即退出當前的登陸狀態，此時點擊“參數畫面”等均無反應，如需查看畫面請重新登陸。點擊“退出系統”，將關閉整個顯示畫面。通過計算分析發現，利用該法建立的模型計算結果與實際情況溫和良好，誤差小，精確度高。

基于以上基本設計參數，利用軟件分別選用泵型為KGLB800-16和KGLB1200-14兩種型號進行設計，抽油桿選擇CYG8HL，計算結果如下表所示。從表中可以看出，在相同井況條件下，兩種泵型的轉速相差很小，但選用KGLB800-16型號的方案的泵效在70.62%，但KGLB1200-14型號泵效只有50.69%，這說明該型號泵型具有較大的漏失量。另外，選擇KGLB800-16型號螺桿泵系統對應的抽油桿安全系數達到了2.21，滿足了桿柱設計要求，但采用KGLB800-16型號螺桿泵的桿柱安全系數只有1.52。因此，該井況條件下的最佳泵型、桿柱分別為KGLB800-16和CYG8HL。

根據該計算結果可見，在滿足產能條件下，應盡量采用小排量螺桿泵、高轉速設計，這樣不僅對設備進行了減型，更加重要的是減少了工作扭矩，提高了安全系數，有利于減少由于過載、疲勞導致的頻繁桿柱失效檢泵作業，從而使整個系統平穩高效運行。

3 項目技術實施及應用

目前高校C語言程序設計課程教學中明顯存在理論和應用的脫節問題，學生學完C語言程序設計仍不會實操具體項目的設計與開發，不會用所學知識去設計并編程解決實際問題。針對多年教學過程中的一些思考和探索，基于目前的現狀和學生的實際情況，本著提高學生適應社會的需求和增加就業籌碼的目的，深入分析目前C語言教學中存在的實際問題，提出C語言程序設計課程改革的研究與實踐，授課過程中使用該項目的子程序，這些子程序是更具體的、與專業結合更緊密的一個個生動案例來進行理論和實踐一體化教學，使學生能更深刻的理解C語言程序設計在本專業具體有什么用，怎么用，讓C語言程序設計的學習更加捷徑化、具體化、實用化，理論更好聯系實際。真正達到了培養好用實用的應用型人才的目的，符合我校應用型人才培養的定位。C語言程序設計課程從理論和實踐兩個方面培養學生能力。該教學模式的實施，有效促進了地方本科院校應用型課程教學質量的提高，深受廣大應用型本科院校學生的歡迎，對所學知識掌握更加全面和認深入，能大規模推廣使用。

表1 螺桿泵優化設計軟件設計方案對比

4 結論

建立了一套科學的計算模型，對螺桿泵選配模型進行修正和完善。對螺桿泵井選井、選泵、桿柱等設備進行選型及其工作參數進行優化。計算給出任意不同轉速條件下特性曲線，實現程序化自動尋優；同時建立了不同系列螺桿泵的選配模版，提高了桿柱設計方法的實用性和可靠性，提高了螺桿泵井系統效率，提高了大慶油田高含水后期的開發效益。