基于海上油田低產井回流補液參數優化

安宏鑫，曹廣勝*，白玉杰，孟凡嵩，卜瑞漩，劉宗祁

(1. 東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，大慶 163318； 2. 中國石油大慶油田有限責任公司第二采油廠，大慶 163000； 3. 中國石油大慶油田有限責任公司第六采油廠，大慶 163000)

烏石區塊探明儲量豐富，是南海西部油田今后重要的原油產區，但烏石17-2油田普遍儲量豐度低、單井產能低，部分開發井設計配產較低，僅為20m3/d(地層溫度90～115℃、地層壓力23～30MPa)[1]。現在海上應用最廣泛的舉升方式為電潛泵，這種舉升方式的揚程大，同時泵效較高，修井周期短[2-4]，但在低產井中動液面位于泵吸入口下方，此時流體無法有效對電機進行降溫，電機溫度過高，將導致燒泵事故的發生。

針對低產井人工舉升的問題，中外學者做了大量的研究。劉黎剛等[2]采用節點分析法對電潛泵舉升系統進行優化設計，何巖峰等[3]確定了適合于電潛泵的流動和換熱模型，并對特定參數做出必要的修正。熊杰等[4]設計了一種應用電潛泵排水采氣新工藝；姜建平等[5]分析了渤海油田電潛泵的散熱問題原因及相應的改進措施。王杰祥等[6]建立了電潛泵井筒溫度分布模型，并對海上進行優化。目前對于低產井的開采方法為多采用螺桿泵或采用小排量電潛泵，但此區塊流體溫度較高，達100℃，同時井深為3800m，常規泵無法滿足揚程要求[7]。

現提出一種電潛泵回流補液方法，目的是在滿足揚程要求的同時可以降低電機溫度。研究將對在海上油田低產井中應用常規電潛泵提供方法及理論依據。

1 實驗方法

電潛泵燒泵事故經常發生，其中大多由于電機中繞組中漆包線熔斷所導致。經調研漆包線最高耐溫為130℃。由于電絲熔斷過程較難觀察，故采用保險絲進行大功率實驗，通過溫度傳感器測量溫度來確定電絲熔斷時間。其中保險絲熱量計算公式為

Q=Pt1

(1)

式(1)中：Q為熱量，J；P為功率，W；t1為到達130℃的時間。

對于電潛泵舉升來說，其輸入功率一部分用于舉升液體，一部分用于發熱，其中由于舉升液體的功率稱為有效功率。經調研，電潛泵在海上油田的下泵深度為2700～3100m[8-11]，混合液密度為0.82kg/m3，舉升功率為

P=ρgQh

(2)

式(2)中：ρ為密度，kg/m3；h為下泵深度，m；g為重力加速度。可以計算出電潛泵的泵效為60.27%～69.2%，設實驗用保險絲功率為P1，電機實際功率為P2，實際熔斷時間為t2，則

(3)

實驗裝置如圖 1所示，管長1.2m，直徑10cm，經計算流體流速約為0.11L/s，溫控系統可控制水箱中流體溫度，流體為防凍液；電源為可調大功率直流電源，實驗中輸出電壓為230V；溫度傳感器均勻分布在管道上，通過溫度傳感器機組及電腦進行記錄。

圖 1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

2 模型建立

2.1 物理模型確定

海上常規電潛泵其結構示意圖如圖 2所示。

圖 2 電潛泵結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of electric submersible pump structure

電潛泵主要由潛油電機、氣體分離器及多級離心泵組成，流體從下端流入，在多級離心泵的舉升作用下從上端流出。海上油井其在開采初期狀態十分不穩定，所以主要研究電潛泵系統穩定狀態下的流動及傳熱特征，其在穩定狀態下物理模型為

ρ(u·)u=·[-p2l+K]+F

(4)

ρ·u=0

(5)

式中：u為流體速度，m/s；為Hamilton算子，表示空間各方向的全微分；p為壓力，Pa；l為長度，m；K為湍流脈動動能，J；F為體積力向量，N。

物理模型主要包括流動模型和傳熱模型，其中泵內流動流動經過氣體分離器及多級離心泵，其流動模型為湍流流動模型，為了描述模型內部的湍流狀態，采用湍流κ-ε模型，其動量傳遞及連續性方程為

ρu·u+p=0

(6)

(7)

式中：η為動力黏度，kg/(m·s)；Cμ為常數，通過湍流實驗確定其值為0.09；σk為K的湍流普朗特數；k為湍流能量矢量；ε為湍流動能耗散率。

對于泵外回流模型，其流動特征為穩定層流流動模型，采用Navier-Stokes方程和連續性方程用于對模型進行描述，其方程為

(8)

(9)

電潛泵的傳熱模型包括固體傳熱及流體傳熱模型，模型邊界處沒有熱通量，其邊界條件方程為

-λT=0

(10)

式(10)中：λ為熱導率，W/(m·K)。在穩定狀態下模型內部固體及流體傳熱方程為

ρCpu·T=Q+·(kT)

(11)

式(11)中：Cp為恒壓熱容，J/(kg·K)；T為溫度，K；k為導熱系數，W/(m·K)。

2.2 邊界條件設定

幾何模型中油管直徑設置為6cm，套管直徑設置為13.9cm，幾何尺寸與海上油井的多數油套尺寸相同，整個模型初始溫度為293.15K。

3 結果與討論

3.1 實驗結果分析

實驗測定流體溫度分別為90、95、100、105℃下的漆皮線熔斷時間，結果如圖 3所示。

圖 3 熔斷時間曲線Fig.3 Fuse time curve

由圖 3可以看出，在6min左右溫度迅速升高，隨后達到熔斷溫度；隨著流體溫度升高，熔斷時間變短，但程度不大，這說明流體溫度對于電阻存在一定影響，但由于流速較低對于電機溫度影響不大。同時可以看出在7min左右保險絲溫度達到130℃，經調研電機實際功率為30kW，可以計算出在低產井實際生產中在約22min時漆包線開始有熔斷現象。

3.2 低產井井下流動特征和溫度分布

在低產井中存在兩種工作狀態，第一種為動液面處于吸入口以上，此時流量較小但壓力足以使流體進入泵內，稱為正常工作狀態；第二種為動液面處于吸入口以下，此時壓力不足，液面較低，流體無法進入泵內，稱為低產工作狀態。

3.2.1 正常工作狀態下井筒內流體流動攜熱特征

研究攜熱特征首先分析其在不同動液面高度下的流動特征，如圖 4所示，流量為20m3/d。

圖 4 正常工作狀態下不同動液面高度流動特征Fig.4 Flow characteristics of different dynamic liquid surface heights under normal working conditions

圖 5 電潛泵溫度分布Fig.5 Temperature distribution of electric submersible pump

正常工作狀態下，電潛泵附近流體在壓力作用下進入電潛泵，邊界流速大，隨著流體上升，中間流速逐漸增大，兩邊流速逐漸減小。不同動液面高度下流動特征基本相似，正常工作狀態下動液面對于流體流動影響較小。這是由于動液面壓力主要來自氣體分離器分離出的氣體壓力以及液柱壓力，相對于地層壓力來說十分小，基本可視為0，沒有足夠壓力去影響流體。

由于動液面對于流動特征影響較小，進一步研究不同泵效下電機的溫度分布，結果如圖 5所示。其中橫向分析中取電機中心為坐標原點。

可以看出，低產井中電機中心處溫度最高，兩側溫度逐漸降低，電機溫度分布不均勻，電機外部流體溫度遠低于電機溫度，進一步說明低產井中流體對電機的降溫效果十分有限。從縱向來看，整體溫度分布呈山峰狀，峰頂為電機中心，峰兩側溫度快速降低，且隨著高度升高，溫度緩慢降低，說明流體進入泵內及井筒后，降溫過程緩慢，此時流體溫度基本處于穩定狀態。隨著功率變大，泵內溫度升高程度較小，電機升高程度較大，溫度最高為430.47℃，基本呈線性升高。這是由于此時電機受到流體作用比較小，熱量全部為自身發熱功率所產生，所以溫度與功率基本呈線性關系分布。

3.2.2 低產工作狀態下井筒內流體流動攜熱特征

低產工作狀態下動液面位于吸入口下方，首先分別分析動液面位于電機中上部、中下部以及電機下方的流動特征及溫度分布，如圖 6所示。

圖 6 不同動液面下流動特征及溫度分布Fig.6 Flow characteristics and temperature distribution under different moving surfaces

可以看出，動液面能夠部分浸沒電機時，吸入口處流體流速較大，進泵后流速逐漸變小，但動液面下降后，吸入口附近平均流速下降，這是由于在從液面至吸入口這個流動距離上，低產井能量不足導致流體在重力作用下流速逐漸減小，液面下降后，液體從液面至吸入口這個流動距離變長，流體到達吸入口時流速變小，導致吸入口附近的平均流速降低；同時從單個吸入口附近流體來看，整體的流動形態類似于尖端流動，其中吸入口位于尖端，在流動距離變大后，流體向兩側的流速耗散更劇烈，導致吸入口附近的平均流速降低。

當動液面無法浸沒電機時，液體將首先沖擊電機，流速向兩側分布，在吸入口處流速較大，但較部分浸沒電機時小，隨后進入泵內。這個過程中流動形態整體呈圓環狀流動，流體分散至電機兩側后直接沿著吸入口進入泵內，流速耗散十分小。這是由于液面處于電機下方，電機兩側流體主要為氣體，氣體的黏度遠小于液體，所以在流動過程中流速的耗散程度大大減小，直接沿著吸入口進入泵內，不過從整體來看流速較部分浸沒電機時小。

隨著動液面逐漸升高，電機平均溫度逐漸降低，降低幅度較大，但最低溫度仍高達952.44℃，依舊會發生燒泵事故。當動液面未浸沒電機時溫度最高，達4961℃，并且熱量擴散區域較小，此時電機兩側流體流速十分小，無法對電機有效降溫，同時電機兩側主要為氣體，攜熱能力較差，故熱量的擴散區域較小，這也導致了電機溫度最高，遠大于安全溫度。

根據經驗公式，電潛泵壽命與電機溫度的關系式為

(12)

式(12)中：L為電潛泵壽命；T為電機溫度；A、B為常數，不同型號泵的A、B不同。假設安全溫度為T1，則式(9)可以轉化為

(13)

由式(13)可知，當泵型確定時，其壽命與電機溫度呈指數關系，根據前文分析可知，電機最低溫度約為952.44℃，約為安全溫度的4.76倍，相應的壽命約為原有的0.21n倍，可見低產井中電泵壽命大大減小。因此對于電潛泵來說，延長電潛泵壽命應盡力降低電機溫度，從上面分析可知，正常工作狀態下動液面處于吸入口上方，此時電機溫度較低，但由于流量較小，仍無法達到安全溫度范圍；當動液面處于吸入口下方時，此時電機溫度高達952.44℃。故需降低電機溫度首先要提高動液面，使其處于吸入口上方，之后提高流量，使其有足夠的流速對電機進行散熱。

3.3 回流裝置流動特征及溫度分布

根據前文研究結果設計了回流補液裝置，其幾何模型如圖 7所示。

回流裝置短接在油管下端，方便裝置連接，裝置由流量控制器、回流通道、控制軌道組成，其中流量控制器可以沿著控制軌道實現上下移動，當井筒中流量較大時，此時動液面位于吸入口上方，流量控制器在流體沖擊下沿著控制軌道向上運動，封堵回流通道，不發生回流；當流量較小時，此時動液面位于電機以下，電機溫度較高，流量控制器在重力作用下向下運動，打開回流通道，流體通過回流通道進入油套環空，對動液面進行補充，以達到使其升高至電機以上，同時回流流體流過電機也可以起到對電機降溫作用。

在一個高度上回流通道均勻分布，一個圓周面上存在4個回流通道；回流通道上下三層，分別為通道1、2、3，以便在不同流量下調整回流流量。

紅色部分為流量控制器；銅色部分為回流通道； 藍色為流體流動軌跡；回流通道數為3圖 7 回流補液裝置原理圖Fig.7 Schematic diagram of reflux fluid supplement device

3.3.1 回流裝置不同流動通道數流動特征

取回流裝置一個回流通道面進行分析，不同流量下所打開的回流通道數不同，不同開啟通道數的流動特征如圖 8所示。

圖 8 不同回流通道數的流動特征Fig.8 Flow characteristics of different numbers of return channels

由圖 8 可以看出，流體在分流口處分開，流入回流通道的平均流速較向上流動的平均流速大，這說明大部分流體流入回流通道；在開啟通道數為1、2時，隨著回流通道數增大，最上方回流通道的流速減小，中間回流通道流速變大。但當開啟通道數為3時，最上方回流通道流速較開啟通道數為1時大，而且通道2基本無流速，通道3流速十分小。為進一步分析回流通道的流動特征，對回流通道數為1及3的流線進行繪制，如圖 9所示。

圖 9 不同流道數下流線分布Fig.9 Streamline distribution under different numbers of runners

由圖 9可以看出，部分流體在流過回流通道后將沖擊套管，這部分流體在沖擊套管后向兩側流動，結合圖 6可知向上流動部分流體流速較小。但是由于管徑較小，在流道上下兩側都產生了渦流，導致上側流體必須越過渦流來繼續流動；向下流動的流體雖然同樣遇到渦流，但是流體本身處于渦流的邊緣，不需要越過即可繼續流動，所以這就導致了流體在流出回流通道后出現流速短暫耗散，耗散這部分即為向上流動的流體。向下流動部分流體在進入油套環空后逐漸擴大流體域，這使得原本流速較小的通道2流速更小，同時對于通道3存在一定的沖擊作用，導致原本流速較小的通道3內流體在壓力作用下很難流出，這也導致了從分流口進入的流體更早地進行擴散，使中心流速呈曲線形，而且由于內部的高流速導致部分流體將從通道3重新進入內部，這進一步增大了內部流速。但結合圖 8可知，當開啟通道數為2時不會出現這種情況，這是由于未開啟通道3，不存在流速補充，對通道2流動無影響。

3.3.2 采用裝置后溫度

為研究回流裝置的降溫能力，分別分析了在采用回流裝置前后的溫度分布，如圖 10所示，流量為20m3/d。

由圖10可以看出，采用回流裝置后，電機溫度大幅降低，且降幅隨著泵效降低而升高，平均下降182.2℃，基本達到實際生產要求的安全溫度范圍，這可以說明回流裝置對于低產井電潛泵系統可以有效降溫，實現不同泵效下電機的穩定運行。

圖 10 不同泵效溫度分布Fig.10 Temperature distribution of different pump effects

同時可以看出，在采用回流裝置后，電機內部和邊緣溫度差較小，溫度分布均勻，這說明回流裝置對電機降溫為整體性降溫。而且隨著泵效升高，電機邊緣初始降溫位置不同，為了方便理解，將第一個溫度下降的位置與電機中心的距離定義為溫降距離，第一個達到流體平均溫度的位置與電機中心的距離定義為等溫距離。在采用回流裝置前溫降距離在不同泵效下基本相同，采用后溫降距離隨著泵效增加逐漸變小，等溫距離與采用前基本相似，這進一步說明回流裝置的降溫性能強。

3.3.3 流體流動影響

流體流動影響主要包括流量影響和流體溫度影響，不同流量下電機溫度分布如圖 11所示。

由圖11可知，在采用回流裝置后，不同流量下電機溫度基本相似，且內部溫度分布均勻；與采用前相比，電機平均下降溫度為28.36℃，降幅隨著流量增加而減小。同時降溫距離和等溫距離均變小。為進一步研究流體流動影響，分析了不同流體溫度下電機的溫度分布，如圖 12所示。

圖 11 不同流量溫度分布Fig.11 Temperature distribution at different flow rates

圖 12 不同流體溫度時溫度分布Fig.12 Temperature distribution at different fluid temperatures

由圖 12 可以看出，采用回流裝置前，不同流體溫度下電機溫度基本相同，溫度分布不均勻，這是由于電機溫度完全是由電機自身功率所產生的熱量，這使得電機溫度自然地呈現內高外低，流體對電機影響極小，導致電機溫度基本相同。在采用后電機溫度平均降幅為122.87℃，隨流體溫度升高而降幅下降，不過整體來看電機溫度隨著流體溫度升高而升高，這是由于采用后，大量流體流過電機，對于電機來說，其最低溫度隨著流體溫度升高而升高，同時流體溫度升高后其與沸點之間的差減小，散熱能力也相應減小，兩者共同作用下導致降幅逐漸下降。采用后其溫降距離與等溫距離較未采用時均減小，進一步說明裝置的有效性。

3.4 回流方案分析

3.4.1 回流裝置位置

回流液體為泵內原有液體，根據前文分析可知，流體溫度越低降溫效率越高，故回流流體溫度一方面應處于穩定狀態，另一方面溫度應盡可能低。因此對電潛泵在縱向上溫度分布進行分析，縱向溫度分布結果如圖 13所示。

圖 13 電潛泵溫度分布Fig.13 Temperature distribution of electric submersible pump

圖 14 不同尺寸下流量分布及溫度分布Fig.14 Flow distribution and temperature distribution under different sizes

由圖 13 可以看出，流體在10m高位置溫度較低，且溫度基本穩定，因此在位于入口位置10m高處完全可以滿足前文所述流體要求，雖然高度越高溫度越低，但高度升高較高后溫度變化十分小，可以不考慮。

3.4.2 回流尺寸

回流裝置中回流通道為主要部分，因此需要對回流通道的尺寸進行進一步優化，以確保達到最大回流量。取一個回流通道，分析在不同尺寸下的流量及溫度分布，其結果如圖 14 所示，流量為 20m3/d。

由圖14可以看出，當回流通道尺寸為3～4cm時，回流流量最大。回流后電機溫度分布均勻，溫降距離基本相同，1cm時等溫距離較大，其他等溫距離基本相同。這是由于當尺寸為1cm時，流體流速較大，大部分流體將沖擊套管，導致流速減弱，降溫能力較其他尺寸時下降。當尺寸為3～4cm時，其溫度分布曲線相似，電機溫度與其他相比為最低。由于回流裝置外徑為6cm，所以回流通道尺寸設置為3～4cm即可，不需要進一步優化。

4 結論

(1)流體溫度對于電機溫度影響不大，在電機實際功率約為30kW時，在低產井中約22min時漆包線開始有熔斷現象。

(2)在低產井中動液面位于吸入口上方時，電機溫度最低為278.4℃；動液面位于泵吸入口下方時，溫度最低為952.44℃。所以低產井下采用常規電潛泵一定會發生燒泵事故，同時電潛泵泵壽命最少減小為原有的0.21倍。

(3)采用回流補液裝置后，不同泵效下電機溫度分布變均勻，同時溫度較采用前降低130℃，泵效為60.27%時電機溫度為197.86℃；不同流量和流體溫度下電機溫度也大幅降低，流量20m3/d，流體溫度100℃時電機溫度為155.92℃，采用回流補液裝置后電機溫度基本處于安全范圍內，說明回流裝置具有很強可行性。

(4)泵上方10m處流體溫度較穩定，流體基本不變，故回流補液裝置短接在泵上方10m及以上皆可；回流通道尺寸在3～4cm時，回流量最大，相應的電機溫度也為各尺寸中最低。