论文部分内容阅读
[摘要]：合理进行潜油电泵选型是实现电泵井高效生产的前提，本文探讨了电泵生产井的产能预测与分析问题、机组选型优化与机组部件配套、油井高温腐蚀问题、油井含砂磨损以及含气影响等问题、机组变频调速以及潜油电泵系统效率问题，指出潜油电泵选型工作是确保潜油电泵抽油井高效生产，机组处于最佳运行状态的重要前提。
[关键词]：潜油电泵 采油工程 人工举升 电泵选型
中图分类号：TE355.5+4 文献标识码：TE 文章编号：1009-914X（2012）35- 0030-01
前言：
潜油电泵作为一种重要的机械采油设备，在油田开发采用的各种泵型中占有相当大的比例，但是在潜油电泵选型配套上依然存在一些问题， 由于潜油电泵井的产量预测和抽汲参数的选择有误差，使潜油电泵系统偏离了高效区、不能在理想工况点下工作的情况。即使泵的排量效率[1]很高，机组的系统效率仍然很低，能耗大。因此，根据油井的产能情况，合理准确地选配机组，是保证其最大限度发挥工作效能， 让用户获得最大经济效益的重要前提。在电潜泵机组的实际选型配套过程中，有可能忽视一些重要的应用条件， 导致泵型选择结果不利于电潜泵机组的合理、稳定、可靠地工作。因此， 笔者就电潜泵机组选型所涉及到的容易忽视的几个问题进行初步探讨。
1.泵的优化选型与配套
（1） 泵轴功率
当潜油电泵的型号，扬程确定之后，最好的做法是根据选定泵型的排量系列， 用对应的单级叶导轮最大轴功率而不是高效点的单级轴功率来求得泵轴功率进行计算。也可以根据已经计算完的排量、扬程以及密度效率来计算轴功率。
（2） 泵推荐工况区
用户在选用潜油电泵时需要了解潜油电泵特性曲线，以便判断所选用的潜油电泵是否在高效区工作。通过离心泵的特性曲线（如图1所示）可知，在抛物线顶部附近泵效率变化小，抛物线顶点就是泵运行的最高效工作点， 包含该点的小区域构成离心泵的推荐工况区，必须对此区域内部及其边界排量、扬程、轴功率进行综合分析与验算。
（3） 泵轴载荷
对于浮动泵来說，由于叶轮与导壳之间以及叶轮与叶轮之间都有一定窜动空隙，叶轮在工作中处于浮动状态，部分轴向力通过分离器轴传递给保护器止推轴承，泵轴承载能力没有问题，当泵的排量较大、扬程较高时， 泵轴启动载荷明显增加， 此时应核算泵轴承载能力。
对于压紧泵来说，由于泵轴和叶轮是一个整体，所以泵轴向力以及叶轮自身的轴向力全部通过分离器轴传递给保护器止推轴承，此时须考虑使用高承载止推轴承。
对于扬程高排量大的机组使用，此时Monel-K500材料轴可能无法满足强度要求，需要采用Inconel-718材质的高强度轴以满足高扬程高排量的要求。Monel-K500与Inconel718主要在于材料成分上的不同。印尼油田CNOOC区块高排量172系列潜油电泵通过采用Inconel718高强度轴平均寿命有了大幅度的提高。
（4） 离心泵沉没度
离心泵必须有足够的沉没度才能正常运转，如果吸入口压力过低将会导致吸入口压力低于泡点压力，此时游离气体大量产出，导致离心泵气锁欠载停机，所以选择时需要充分考虑吸入口压力也就是离心泵沉没度。
因此，在离心泵选型时，如没有对应于额定排量的泵型， 最好采用比预测排量稍小一号的叶轮型号，但应根据预计产量对应的扬程要求来计算叶导轮级数， 从而使泵沉没度长期保持不变。
（5） 斜井应用问题
当潜油电泵安装在斜井时，如果井筒能够提供足够的吸入口压力，电泵机组尽量放在直井段，安装在造斜点以上井段中。
在计算离心泵扬程时，不同于直井，需要考虑泵挂处垂直深度，而不是实际深度，实际深度和垂直深度存在一定差别，对于斜度非常大的油井，扬程可能存在几百米的差别，同时在斜井还应该考虑选择高效分离器提高气体的分离效率，保护器应该选择胶囊式保护器或者胶囊沉淀式保护器。
（6） 泵工作的稳定性
对多节串联离心泵配置， 当单节泵壳体长度显著不同时， 泵易振动， 严重时会引起连接螺钉疲劳破坏断裂， 使机组掉井。所以， 应当尽可能均匀分配多节泵壳体号。
2.潜油电机配套
潜油电机功率包括泵轴功率、吸入口、保护器、变压器和变频器的损耗功率等。配套除了满足总功率匹配外， 还应考虑如何保证自身散热条件和降低潜油电缆的压降损失。为了保证自身散热， 推荐潜油电动机外壳流体流速大于1英尺/秒。为了降低动力电缆压降损耗， 推荐优先采用高电压、低电流电动机。对于大功率电潜泵机组， 还要考虑电动机轴承载能力校验问题。在套管内径足够大的条件下， 优先采用大直径潜油电机。
3.动力电缆选择
动力电缆的选择需要考虑以下3个主要因素：
（1） 确保电缆电压降损失不影响潜油电动机启动电压，推荐经验公式：
电缆电压损失 < （30V / 1000英尺 ×电缆长度）；
电动机启动电压 = 电动机额定电压- 4 倍电缆压降损失；
电动机启动电压 > 0.5 倍电动机额定电压。
上述公式考虑了4倍的潜油电动机启动系数，如果某些潜油电动机启动系数大于4倍， 还要采取特殊的启动方式。在选择动力电缆时，首先要按上述公式校核潜油电动机的启动电压是否得到保证。
（2） 确保电缆与套管之间有足够间隙，按照机组向井底水平投影原理， 确定电缆与套管必须有足够的间隙， 以免刮伤电缆。
（3） 确保动力电缆有足够的绝缘等级。动力电缆的绝缘主要由机组安装位置井眼温度、电机运行电流等来决定。电缆绝缘要求又决定了电缆尺寸规格的选择。特别指出， 潜油电缆的耐温等级和它的工作温度不是一回事， 工作温度直接与电流强度相关， 这可通过电缆压降曲线图来查找选择。选择电缆尺寸就高不就低， 必须往大尺寸上靠。此外， 电缆长度应比机组实际泵挂深度长30到48米左右。
4.油井腐蚀、含砂、高含气及机组变频变速问题
不少油田油井含二氧化碳和硫化氢等腐蚀性成分，随着含水越来越高，腐蚀已经不可忽略，没有做防腐处理的电泵机组运行数天就遭受严重腐蚀，在进行机组配套之前必须了解油藏是否含有腐蚀性气体成分以便针对性的进行防腐处理。
随着油田开发的深入，恶化的油井地层条件随着提液的增加，出砂更多，井液含砂量大，砂粒进入离心泵内，造成叶轮的止推垫片和摩擦副磨损，同时机组无故障停机时泵内砂粒沉降，造成砂卡，从而造成潜油电泵的工作寿命缩短或不同程度的检泵。尽管目前已经出现各种类型的防砂电潜泵，在含砂油井潜油电泵选型配套过程中， 需要明确井液含砂量（含砂量不超过5‰）、酸溶性、砂粒度、石英砂含量、砂粒几何特性等。上述参数可以通过试验取得经验数据。如果上述数据不全， 应当谨慎考虑是否下防砂电潜泵。为适应含砂环境下的工作， 潜油电动离心泵内防砂主要从以下几个方面考虑： 增加止推表面的硬度；增加各级叶导轮表面的硬度；采用压紧或定型压紧叶轮。
5.结论与建议
（1） 潜油电泵机组选型配套工作是确保电潜泵生产井高效生产、机组处于最佳运行状态的重要前提， 应用工程师应当清楚明了、灵活掌握正确的选型配套原则。
（2） 提出了在潜油电泵机组选型配套过程中容易忽视的一些问题， 并给出了相应的解决处理方法和经验数据， 可供现场油田用户和应用工程师参考。
（3） 完善的管理是潜油电泵井长期稳定、长期、可靠地工作的重要保证，建议油田用户和应用工程师经常收集与电潜泵机组潜油电泵机组选型配套的信息， 不断改进和完善选型配套方法， 提高选型配套水平。
参 考 文 献
[1] 师世刚，邵永实，刘军，等. 潜油电泵技术：下册[M] . 北京：石油工业出版社，2004 ：932134.
[2] 朱君，等 潜油电泵高效运行的途径.油气田地面工程， 第15卷第6期。1996。11月.
[3] 刘庆鸽，等 油井优化设计的产能预测方法. 内蒙古石油化工， 2003： 122.
[关键词]：潜油电泵 采油工程 人工举升 电泵选型
中图分类号：TE355.5+4 文献标识码：TE 文章编号：1009-914X（2012）35- 0030-01
前言：
潜油电泵作为一种重要的机械采油设备，在油田开发采用的各种泵型中占有相当大的比例，但是在潜油电泵选型配套上依然存在一些问题， 由于潜油电泵井的产量预测和抽汲参数的选择有误差，使潜油电泵系统偏离了高效区、不能在理想工况点下工作的情况。即使泵的排量效率[1]很高，机组的系统效率仍然很低，能耗大。因此，根据油井的产能情况，合理准确地选配机组，是保证其最大限度发挥工作效能， 让用户获得最大经济效益的重要前提。在电潜泵机组的实际选型配套过程中，有可能忽视一些重要的应用条件， 导致泵型选择结果不利于电潜泵机组的合理、稳定、可靠地工作。因此， 笔者就电潜泵机组选型所涉及到的容易忽视的几个问题进行初步探讨。
1.泵的优化选型与配套
（1） 泵轴功率
当潜油电泵的型号，扬程确定之后，最好的做法是根据选定泵型的排量系列， 用对应的单级叶导轮最大轴功率而不是高效点的单级轴功率来求得泵轴功率进行计算。也可以根据已经计算完的排量、扬程以及密度效率来计算轴功率。
（2） 泵推荐工况区
用户在选用潜油电泵时需要了解潜油电泵特性曲线，以便判断所选用的潜油电泵是否在高效区工作。通过离心泵的特性曲线（如图1所示）可知，在抛物线顶部附近泵效率变化小，抛物线顶点就是泵运行的最高效工作点， 包含该点的小区域构成离心泵的推荐工况区，必须对此区域内部及其边界排量、扬程、轴功率进行综合分析与验算。
（3） 泵轴载荷
对于浮动泵来說，由于叶轮与导壳之间以及叶轮与叶轮之间都有一定窜动空隙，叶轮在工作中处于浮动状态，部分轴向力通过分离器轴传递给保护器止推轴承，泵轴承载能力没有问题，当泵的排量较大、扬程较高时， 泵轴启动载荷明显增加， 此时应核算泵轴承载能力。
对于压紧泵来说，由于泵轴和叶轮是一个整体，所以泵轴向力以及叶轮自身的轴向力全部通过分离器轴传递给保护器止推轴承，此时须考虑使用高承载止推轴承。
对于扬程高排量大的机组使用，此时Monel-K500材料轴可能无法满足强度要求，需要采用Inconel-718材质的高强度轴以满足高扬程高排量的要求。Monel-K500与Inconel718主要在于材料成分上的不同。印尼油田CNOOC区块高排量172系列潜油电泵通过采用Inconel718高强度轴平均寿命有了大幅度的提高。
（4） 离心泵沉没度
离心泵必须有足够的沉没度才能正常运转，如果吸入口压力过低将会导致吸入口压力低于泡点压力，此时游离气体大量产出，导致离心泵气锁欠载停机，所以选择时需要充分考虑吸入口压力也就是离心泵沉没度。
因此，在离心泵选型时，如没有对应于额定排量的泵型， 最好采用比预测排量稍小一号的叶轮型号，但应根据预计产量对应的扬程要求来计算叶导轮级数， 从而使泵沉没度长期保持不变。
（5） 斜井应用问题
当潜油电泵安装在斜井时，如果井筒能够提供足够的吸入口压力，电泵机组尽量放在直井段，安装在造斜点以上井段中。
在计算离心泵扬程时，不同于直井，需要考虑泵挂处垂直深度，而不是实际深度，实际深度和垂直深度存在一定差别，对于斜度非常大的油井，扬程可能存在几百米的差别，同时在斜井还应该考虑选择高效分离器提高气体的分离效率，保护器应该选择胶囊式保护器或者胶囊沉淀式保护器。
（6） 泵工作的稳定性
对多节串联离心泵配置， 当单节泵壳体长度显著不同时， 泵易振动， 严重时会引起连接螺钉疲劳破坏断裂， 使机组掉井。所以， 应当尽可能均匀分配多节泵壳体号。
2.潜油电机配套
潜油电机功率包括泵轴功率、吸入口、保护器、变压器和变频器的损耗功率等。配套除了满足总功率匹配外， 还应考虑如何保证自身散热条件和降低潜油电缆的压降损失。为了保证自身散热， 推荐潜油电动机外壳流体流速大于1英尺/秒。为了降低动力电缆压降损耗， 推荐优先采用高电压、低电流电动机。对于大功率电潜泵机组， 还要考虑电动机轴承载能力校验问题。在套管内径足够大的条件下， 优先采用大直径潜油电机。
3.动力电缆选择
动力电缆的选择需要考虑以下3个主要因素：
（1） 确保电缆电压降损失不影响潜油电动机启动电压，推荐经验公式：
电缆电压损失 < （30V / 1000英尺 ×电缆长度）；
电动机启动电压 = 电动机额定电压- 4 倍电缆压降损失；
电动机启动电压 > 0.5 倍电动机额定电压。
上述公式考虑了4倍的潜油电动机启动系数，如果某些潜油电动机启动系数大于4倍， 还要采取特殊的启动方式。在选择动力电缆时，首先要按上述公式校核潜油电动机的启动电压是否得到保证。
（2） 确保电缆与套管之间有足够间隙，按照机组向井底水平投影原理， 确定电缆与套管必须有足够的间隙， 以免刮伤电缆。
（3） 确保动力电缆有足够的绝缘等级。动力电缆的绝缘主要由机组安装位置井眼温度、电机运行电流等来决定。电缆绝缘要求又决定了电缆尺寸规格的选择。特别指出， 潜油电缆的耐温等级和它的工作温度不是一回事， 工作温度直接与电流强度相关， 这可通过电缆压降曲线图来查找选择。选择电缆尺寸就高不就低， 必须往大尺寸上靠。此外， 电缆长度应比机组实际泵挂深度长30到48米左右。
4.油井腐蚀、含砂、高含气及机组变频变速问题
不少油田油井含二氧化碳和硫化氢等腐蚀性成分，随着含水越来越高，腐蚀已经不可忽略，没有做防腐处理的电泵机组运行数天就遭受严重腐蚀，在进行机组配套之前必须了解油藏是否含有腐蚀性气体成分以便针对性的进行防腐处理。
随着油田开发的深入，恶化的油井地层条件随着提液的增加，出砂更多，井液含砂量大，砂粒进入离心泵内，造成叶轮的止推垫片和摩擦副磨损，同时机组无故障停机时泵内砂粒沉降，造成砂卡，从而造成潜油电泵的工作寿命缩短或不同程度的检泵。尽管目前已经出现各种类型的防砂电潜泵，在含砂油井潜油电泵选型配套过程中， 需要明确井液含砂量（含砂量不超过5‰）、酸溶性、砂粒度、石英砂含量、砂粒几何特性等。上述参数可以通过试验取得经验数据。如果上述数据不全， 应当谨慎考虑是否下防砂电潜泵。为适应含砂环境下的工作， 潜油电动离心泵内防砂主要从以下几个方面考虑： 增加止推表面的硬度；增加各级叶导轮表面的硬度；采用压紧或定型压紧叶轮。
5.结论与建议
（1） 潜油电泵机组选型配套工作是确保电潜泵生产井高效生产、机组处于最佳运行状态的重要前提， 应用工程师应当清楚明了、灵活掌握正确的选型配套原则。
（2） 提出了在潜油电泵机组选型配套过程中容易忽视的一些问题， 并给出了相应的解决处理方法和经验数据， 可供现场油田用户和应用工程师参考。
（3） 完善的管理是潜油电泵井长期稳定、长期、可靠地工作的重要保证，建议油田用户和应用工程师经常收集与电潜泵机组潜油电泵机组选型配套的信息， 不断改进和完善选型配套方法， 提高选型配套水平。
参 考 文 献
[1] 师世刚，邵永实，刘军，等. 潜油电泵技术：下册[M] . 北京：石油工业出版社，2004 ：932134.
[2] 朱君，等 潜油电泵高效运行的途径.油气田地面工程， 第15卷第6期。1996。11月.
[3] 刘庆鸽，等 油井优化设计的产能预测方法. 内蒙古石油化工， 2003： 122.