PIPESIM 軟件在渭北油田電潛泵采油設(shè)計(jì)的應(yīng)用

周文彬，張志全，奚 睿，吳亞星，張 彬，楊樹(shù)東

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司監(jiān)督中心，天津 300450）

渭北油田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中部，構(gòu)造平緩，屬于淺層低滲透油藏，埋深位置200～1 000 m[1]。渭北油田在開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，存在泵效低、壓裂達(dá)不到理想的效果以及集輸成本高。為了解決這些問(wèn)題，本文應(yīng)用PIPESIM 軟件進(jìn)行電泵采油設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而選擇一個(gè)適合渭北油田開(kāi)采的優(yōu)化方案。

PIPESIM 軟件是Schlumberger 公司開(kāi)發(fā)的一種工程應(yīng)用軟件，主要用于多相流穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算、生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化分析、采油及集輸工程計(jì)算、分析及設(shè)計(jì)工具，在油氣工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用[2]。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，軟件輸入數(shù)據(jù)方便、結(jié)果一目了然，并且它可以模擬從油藏到整個(gè)地面工作中整個(gè)多相流生產(chǎn)系統(tǒng)，是一款很好的生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。

1 電潛泵采油工藝

電潛泵全稱電動(dòng)潛油離心泵（Electrical Submersible Pump），簡(jiǎn)稱電泵（ESP）。在現(xiàn)代采油技術(shù)中，電潛泵采油工藝是一種進(jìn)步的標(biāo)志，最早是蘇聯(lián)A.S.Arutunoff 發(fā)明的，當(dāng)時(shí)用于抽地層中的水和礦井里的水。同時(shí)，美國(guó)1926 年在Russel 油田井組使用電潛泵的采油，從那個(gè)時(shí)候起就有了原油的開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)，然而中國(guó)是在1965 年進(jìn)行電潛泵的研發(fā)和試驗(yàn)的。

如今，就國(guó)內(nèi)外的制造水平和提高采收率的效益來(lái)看，其中中國(guó)、美國(guó)以及俄羅斯占主要部分。但無(wú)論是生產(chǎn)規(guī)模，還是制造技術(shù)，美國(guó)都處于領(lǐng)先地位。美國(guó)和蘇聯(lián)是世界上生產(chǎn)和使用電潛泵較多的國(guó)家，加拿大、法國(guó)和挪威等國(guó)也生產(chǎn)和應(yīng)用。電潛泵在使用的過(guò)程中具有大排量以及節(jié)約成本等多種好處，近些年來(lái)許多地區(qū)在提高電潛泵經(jīng)濟(jì)效益、穩(wěn)定性以及安全性上做了許多的研究，然后迅速的出現(xiàn)了新的成果，同時(shí)對(duì)于提高采收率有重大的發(fā)現(xiàn)，是重要的機(jī)械采油方法[3]。

1.1 電潛泵采油設(shè)計(jì)原理

電潛泵的優(yōu)點(diǎn)：排量揚(yáng)程范圍大，能把油井中上部水層的水注入到下部的注水層中；在使用過(guò)程中操作和管理都非常方便、簡(jiǎn)單；在海上采油時(shí)，能夠同時(shí)很好的使用水平井以及斜井；腐蝕和結(jié)蠟容易處理；容易安裝各種溫度、壓力傳感器；檢泵周期長(zhǎng)、油井生產(chǎn)時(shí)效相對(duì)較高，有利于原油生產(chǎn)。

電潛泵的缺點(diǎn)：電潛泵下入深度受多種因素（油套管內(nèi)徑的大小、井口和井底溫度）的限制；由于多級(jí)大排量高功率的電潛泵價(jià)格比較昂貴，初期投資高；由于電纜和電機(jī)環(huán)境的惡劣性，造成維修成本高，同時(shí)腐蝕性和高溫易使電機(jī)損壞；動(dòng)力源僅適用于采用電源，對(duì)于沒(méi)有電源的零散井，不適合采用這種采油方式[4]。

（1）下泵深度的確定：對(duì)已投產(chǎn)井，下泵深度是已知的，需檢驗(yàn)計(jì)算是否合理；對(duì)欲轉(zhuǎn)抽或新井，需確定下泵深度。其中考慮因素：泵吸入口處的氣液比、分離器的類型和分離能力以及沉沒(méi)度。

式中：Fgl－泵吸入口處的氣液比；fw－體積含水率；Rgo－生產(chǎn)氣油比；Bo－原油的體積系數(shù)；Bg－天然氣的體積系數(shù)；Rs－泵吸入口處的溶解氣油比。

根據(jù)上面公式，就可以計(jì)算出不同下泵深度所對(duì)應(yīng)的泵吸入口處的氣液比大小，并可以做出下泵深度與泵吸入口處氣液比的關(guān)系曲線。確定下泵深度時(shí)，首先要滿足沉沒(méi)度的要求，然后在分離器的分離能力條件下根據(jù)下泵深度與泵吸入口處氣液比的關(guān)系曲線便可以確定下泵深度。

（2）泵排出口壓力的確定：泵排出口壓力一般要根據(jù)井口壓力及產(chǎn)量按單相管流或多相管流進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)井筒中不含氣時(shí)，一般把油水混合物的流動(dòng)處理成單相流動(dòng)，當(dāng)油水形成乳狀液時(shí)，由于其物性參數(shù)難以準(zhǔn)確確定，將帶來(lái)較大的誤差；當(dāng)井筒中含有游離氣時(shí)，應(yīng)按氣、液兩相管流或油、氣、水三相管流進(jìn)行計(jì)算[5]。

（3）泵吸入口壓力的確定：根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[6]，有兩種確定方法：第一種是由井底根據(jù)流壓按多相管流計(jì)算到泵吸入口，求出泵吸入口壓力；另外一種是由井口沿油、套管環(huán)形空間計(jì)算到泵吸入口，求出泵吸入口壓力。后者涉及到環(huán)空中靜氣柱與沉沒(méi)段液體壓力的計(jì)算。

（4）總動(dòng)壓頭（總揚(yáng)程）的確定：總動(dòng)壓頭（總揚(yáng)程）：泵在設(shè)計(jì)排量下工作時(shí)所需要產(chǎn)生的總壓頭。它是泵送流體到目的地所需要的排出口壓頭與吸入口壓頭之差（見(jiàn)圖1）。由式（2）可以計(jì)算出：

圖1 總動(dòng)壓頭示意圖

式中：H－泵揚(yáng)程，m；Hp－泵掛深度，m；hs－沉沒(méi)度，一般取300～500 m；Hwh-井口回壓折算壓頭，m；Hfr-油管摩擦阻力損失壓頭，按10%計(jì)算。

（5）系統(tǒng)的設(shè)備選擇：多級(jí)離心泵：泵型和總級(jí)數(shù)的確定。泵型選擇，主要根據(jù)泵的設(shè)計(jì)排量，在相應(yīng)的套管直徑及電源頻率等條件下的標(biāo)準(zhǔn)工作特性曲線來(lái)選擇。泵的總級(jí)數(shù)Z 可由下述公式求得：

式中：Hj－單級(jí)揚(yáng)程，可由泵型的標(biāo)準(zhǔn)工作特性曲線查得。

潛油電機(jī)：當(dāng)多級(jí)離心泵的型號(hào)、揚(yáng)程及所需的總級(jí)數(shù)確定以后，潛油電機(jī)所需的功率Pr（kW）為:

潛油電纜：規(guī)格和型號(hào)主要決定于電纜的載流能力和工作環(huán)境。不同電纜的載流能力（見(jiàn)表1）。

表1 電纜規(guī)格和型號(hào)

電纜的電壓損失可按式（5）計(jì)算：

式中：ΔU－電纜的電壓損失，V；I－電機(jī)的工作電流，A；L－電纜的長(zhǎng)度，km；R－導(dǎo)體的有效阻抗，Ω/km；cosΦ-有功功率因數(shù)；X-導(dǎo)體的電抗，Ω/km；sinΦ-無(wú)功功率因數(shù)。

變壓器：變壓器的容量必須能夠滿足電機(jī)最大負(fù)載的啟動(dòng)，應(yīng)根據(jù)電機(jī)的負(fù)載來(lái)確定變壓器的容量。

2 PIPESIM 建立模型

本文以渭北油田為例，油藏平均埋深550 m，采液指數(shù)為0.077 8 t/（d·MPa），原始地層壓力2.06 MPa，平均孔隙度12.2%，平均滲透率0.76×10-3μm2，原油密度0.810 2 g/cm3，黏度6.64 mPa·s，地層溫度29.2 ℃，原油凝固點(diǎn)5～27 ℃[7]，使用的是黑油模型，其物性指標(biāo)（標(biāo)況）含水率：90%，氣油比：79.06 m3/m3，天然氣密度0.984，地層水密度1.026，原油API 為30。關(guān)于渭北油田一些基本參數(shù)表以及構(gòu)建的模型（見(jiàn)表2，表3）。

表2 高壓物性參數(shù)

表3 油藏及流入?yún)?shù)

利用上面數(shù)據(jù)建立單井模型，并且使用Hagedorn and Brown 多相流相關(guān)式確定該井是否能自噴。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出（見(jiàn)圖2），流入與流出沒(méi)有交點(diǎn)，從而得出該井不能自噴。

圖2 單井仿真結(jié)果

2.1 選泵及優(yōu)化設(shè)計(jì)

電潛泵在確定生產(chǎn)能力（必須滿足供液的能力）以前，同時(shí)讓電潛泵的系統(tǒng)效率最高和消耗的能量最小，對(duì)下泵的深度、泵的型號(hào)、各組件的工作參數(shù)必須滿足以下條件：泵的實(shí)際排量滿足油井設(shè)計(jì)產(chǎn)量和在所選泵的最優(yōu)排量極限內(nèi)使用；下泵的深度須小于油層中間部分的深度；泵的外圍徑小于油套管內(nèi)徑和進(jìn)泵的氣液比不大于8%。同時(shí)，電潛泵在正式使用前需要滿足以下部分的要求：

（1）電潛泵井機(jī)組安裝質(zhì)量應(yīng)符合SY/T5167.4 的技術(shù)要求；采油井口裝置和管道線的安裝正確，并且符合相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；電潛泵的電纜線路和高壓變壓器安裝到位，穩(wěn)定可靠高壓變壓器的次級(jí)輸入電壓檔調(diào)到與電潛泵井下機(jī)組相對(duì)應(yīng)的電壓值以及電壓波動(dòng)不大于±10%，同時(shí)三相電壓不平衡值不小于2%；需要依據(jù)不同采油井的情況對(duì)不同深度的電潛泵機(jī)型進(jìn)行挑選；對(duì)不同的采油井，不同類型的電潛泵是關(guān)系電潛泵機(jī)組運(yùn)行壽命的關(guān)鍵選擇。針對(duì)渭北油田每個(gè)區(qū)塊的采油井的情況各不相同，各有各的特點(diǎn)；針對(duì)不同電潛泵的舉升適應(yīng)范圍應(yīng)較為廣泛，同時(shí)為了找到適應(yīng)不同采油井在不同時(shí)期和不同工作狀況（產(chǎn)液量的高低、氣體飽和度高低、采油井的井液伴隨腐蝕性液體的含量、地層表面出砂情況）下的生產(chǎn)。最后，電潛泵設(shè)計(jì)人員根據(jù)上述情況，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的不同工況、不同類型的最佳的電潛泵類型。

（2）控制柜結(jié)構(gòu)與性能應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，控制柜距離井口應(yīng)不小于10 m，在戶內(nèi)使用應(yīng)有防護(hù)措施。采油井的井口應(yīng)安裝接線盒，保證接線穩(wěn)定牢固，同時(shí)連接導(dǎo)線的截面積必須大于16 mm2。在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)該根據(jù)油嘴的尺寸、油井的生產(chǎn)能力、電潛泵的排量大小進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后安裝電流卡片時(shí)，記錄筆尖應(yīng)置于卡片的零位，不能出現(xiàn)位置的誤差和偏移。

（3）當(dāng)電潛泵工作時(shí)，時(shí)刻關(guān)注以及注意電潛泵的使用情況和狀態(tài)；對(duì)油井產(chǎn)能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，做到各個(gè)狀態(tài)反饋為動(dòng)態(tài)平衡；當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該及時(shí)調(diào)整，使整個(gè)系統(tǒng)安全進(jìn)行，同時(shí)減少損失；為了確保電潛泵機(jī)組的正常進(jìn)行和運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)該對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題有針對(duì)性、系統(tǒng)性的解決；整個(gè)電潛泵每天的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)督、保護(hù)器的安全性、電纜的傳導(dǎo)性是否有效，都可以通過(guò)產(chǎn)能系統(tǒng)反饋至各部門(mén)，然后及時(shí)調(diào)整，從而延長(zhǎng)電潛泵使用壽命[8]。

根據(jù)渭北油田的地質(zhì)情況，根據(jù)下列的設(shè)計(jì)條件（見(jiàn)表4），對(duì)渭北油田選擇合適的電潛泵以及所需電泵級(jí)數(shù)、所需功率。

表4 電潛泵設(shè)計(jì)條件

同時(shí)在模型中輸入泵的設(shè)計(jì)參數(shù)并選擇泵廠商為Reda，型號(hào)為Reda HN13000，可以得出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電泵特性曲線，由曲線可以看出泵速為60 Hz，級(jí)數(shù)為1。

由此，可以得出：隨著流量的增大，功率先增大，當(dāng)達(dá)到一定的流量后，功率逐漸減小。因此，針對(duì)渭北油田的情況，在對(duì)電潛泵優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該先提前選擇泵的型號(hào)，明確泵的具體性能以及參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)所需要采油井的基礎(chǔ)原始資料、采油井目前產(chǎn)能和生產(chǎn)數(shù)據(jù)（油井靜壓和回壓、采油井的產(chǎn)液量、含水率的高低、采油指數(shù)、地層靜壓和井底流壓、總生產(chǎn)氣液比以及產(chǎn)氣量）、采油井資料（井深位置和長(zhǎng)度、套管磨損程度及部位、地層狀況分析、井口壓力、產(chǎn)能預(yù)測(cè)）。在優(yōu)化機(jī)泵配置的基礎(chǔ)上對(duì)采油井的預(yù)測(cè)，這直接關(guān)系到采收率的多少。通過(guò)優(yōu)化電潛泵的機(jī)組配置及安全穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)效益高的工藝配套措施，實(shí)現(xiàn)潛油電泵高效運(yùn)行，最后提高采油井的采收率。采油井的產(chǎn)能預(yù)測(cè)水平的高低直接影響電潛泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)特性曲線可以看出：如果電潛泵泵井的有效揚(yáng)程足夠大，因此系統(tǒng)的效率和有效功率會(huì)比較高。所以在地層靜壓一定的情況下，為了提高系統(tǒng)效率和有效功率必須要確定最優(yōu)的下泵深度和提液量，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際調(diào)整有效揚(yáng)程和提液量，最后獲得更高的采收率。

3 電潛泵的調(diào)產(chǎn)

通過(guò)上文對(duì)電潛泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)在有針對(duì)性對(duì)電潛泵進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到增產(chǎn)的目的。

（1）通過(guò)改變油嘴尺寸實(shí)現(xiàn)調(diào)產(chǎn)。油嘴調(diào)產(chǎn)是通過(guò)對(duì)油嘴尺寸大小進(jìn)行改變從而使得油井產(chǎn)量得到了調(diào)整，其工作原理：通過(guò)改變油嘴尺寸大小來(lái)改變油壓大小，然而改變了泵出口壓力的大小，也就改變了泵的有效揚(yáng)程，從而改變了泵的工作點(diǎn)。油嘴的尺寸大小變小，采油井的油層靜壓升高；電潛泵揚(yáng)程增加，泵的工作點(diǎn)向泵特性曲線的左邊移動(dòng)，導(dǎo)致電潛泵排量減少以及產(chǎn)量減少；相反，油嘴的尺寸大小變大，泵工作點(diǎn)向泵的特性曲線右邊移動(dòng)，導(dǎo)致電潛泵的排量增大，同時(shí)產(chǎn)量增大。

（2）通過(guò)改變泵的頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)產(chǎn)。電潛泵是一種離心泵，其工作特性參數(shù)與泵的旋轉(zhuǎn)速度有著正比例的關(guān)系，即與電潛泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。電潛泵頻率改變時(shí)，電潛泵仍然處于最好的工作范圍內(nèi)進(jìn)行工作，所以這樣對(duì)泵的承受能力、零部件的損耗和壽命影響可以忽略不計(jì)，并且電潛泵與采油井產(chǎn)能匹配得很好，適應(yīng)范圍比較全面廣泛，導(dǎo)致調(diào)產(chǎn)方便，就不需要檢泵作業(yè)；電機(jī)的有效功率也隨頻率的三次方成正比例的變化，在大量放產(chǎn)時(shí)不需要更換大電機(jī)，產(chǎn)量減少時(shí)電機(jī)消耗的功率也隨之變小，節(jié)能效果比較明顯。

（3）通過(guò)回流來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)產(chǎn)。回流調(diào)產(chǎn)不建議使用這一種方法，這種方法經(jīng)濟(jì)效益不高以及成本耗費(fèi)大，并且會(huì)造成油套管的腐蝕以及結(jié)垢、結(jié)蠟、結(jié)死油的現(xiàn)象，這就導(dǎo)致了工作量的增加和實(shí)施作業(yè)的難度。回流調(diào)產(chǎn)是在油井供液量不足時(shí)常出現(xiàn)的停機(jī)，油嘴產(chǎn)量縮減無(wú)效，換泵作業(yè)成本高而無(wú)法實(shí)施變頻調(diào)產(chǎn)的情況下，為了減少停機(jī)次數(shù)以延長(zhǎng)機(jī)組壽命而使用的一種縮產(chǎn)方法。具體的做法是：打開(kāi)采油樹(shù)的油套閥門(mén)，同時(shí)通過(guò)控制閥開(kāi)度讓產(chǎn)出的生產(chǎn)流體一部分從油套環(huán)空返回電潛泵吸口以增加泵吸口壓力和沉沒(méi)度，維持電潛泵的正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）通過(guò)換泵作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。對(duì)于供液量不足或者泵排量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到產(chǎn)能要求，井換泵作業(yè)是一種有效且根本的解決方法。對(duì)于供液不足的井采用更換尺寸小的電潛泵，當(dāng)排量達(dá)不到產(chǎn)能要求時(shí)，采油井需要使用大排量的電潛泵來(lái)解決[9]。

通過(guò)以上四種方法以及對(duì)泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于渭北油田來(lái)說(shuō)，有良好的增產(chǎn)效果以及對(duì)產(chǎn)能預(yù)測(cè)有一定的措施。

4 總結(jié)

（1）本文通過(guò)PIPESIM 軟件，針對(duì)渭北油田，建立了模型以及電潛泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于產(chǎn)能的增加以及預(yù)測(cè)有一定的效果。

（2）根據(jù)電潛泵的工作原理以及優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了四種對(duì)渭北油田產(chǎn)能有效的方法，同時(shí)也起到了一定的預(yù)測(cè)作用。