有杆抽油泵沉没度的优化设计方法_林日亿

收稿日期:2005-01-06
作者简介:林日亿(1973-),男(汉族),湖南桂阳人,讲师,博士研究生,从事热力采油和热能利用的教学与科研工作。

文章编号:1000-5870(2005)04-0087-04
有杆抽油泵沉没度的优化设计方法
林日亿1,2,孙茂盛3,张邵东3,吴信荣4,李兆敏2,李松岩1
(1.中国石油大学储运与建筑工程学院,山东东营257061; 2.中国石油大学石油工程学院,山东东营257061;
3.中石化胜利油田有限公司,山东东营257000;
4.中石化中原油田有限公司,河南濮阳457100)
摘要:机抽井泵的沉没度是影响泵效和系统效率的重要因素。

通过分析有杆泵抽油系统的能耗,以机采系统效率最高为目标,确立了机采系统优化设计的目标函数和约束条件,同时分析泵效对机采系统效率的影响以及影响泵效的因素,给出了沉没度和其他抽汲参数的优化设计方法。

应用结果表明,以优化设计方法来确定泵的沉没度,可明显降低能耗,提高系统效率和经济效益,为油田生产提供设计依据。

关键词:机采井;抽油泵;沉没度;系统效率;抽汲参数;优化设计中图分类号:T E 933 文献标识码:A
O ptimization d esign meth od to d etermin e sub mergence d epth of su cker rod pu mp
LIN R-i y i 1,2,SU N M ao -sheng 3,ZHANG Shao -dong 3,WU Xin -rong 4,LI Zhao -min 2,LI Song -yan 1
(1.College of T r ansp or t &S tor age and Civil Engineer ing in China University of Petroleum ,Dongy ing 257061,China;
2.College of Petr oleum Engineer ing in China Univ ersity of Petr oleum ,Dongying 257061,China;
3.Shengli Oilf ield Limited Comp any ,China N ational Petrochemical Cor por ation,Dongying 257000,China;
4.Zhongy uan Oilf ield Limited Comp any ,China N ational Petrochemical Cor por ation,Puyang 457100,China)Abstract :T he submergence depth of oil well pump is an impor tant parameter t hat affects the rod pump efficiency and sys -tem efficiency.Energ y consumption of the suker rod pumping system w as analyzed.Regarding system efficiency as t he o p -timal object ,the object function and constr aining condit ions of the system optimal desig n were established.T he effect of the pump efficiency on system efficiency and t he factors affecting the pump efficiency w er e analy zed.T he optimal design meth -ods of submerg ence pump depth and other swabbing parameters w ere pr esented.T he application results show that the sys -tem efficiency and the economic benefit are enhanced by the submer gence depth optimal desig n.
Key words :ar tificially lifted well;sucker ro d pump;submergence depth;system efficiency;swabbing parameter;optimiza -tion design
有杆泵往复式抽油系统应用广泛,但其系统效率一般较低,抽汲参数是否匹配、抽油泵沉没度是否合理对系统效率的影响相对较大[1,2]。

在机抽井中,抽油泵在井底所输送的介质是油、气、水的混合物。

一方面,沉没度过小,自由气可能脱离而吸入泵中,影响抽油泵的排量系数,从而影响泵效;另一方面,沉没度过大,尽管自由气对泵工作的影响减小,但抽油杆的增长,系统总的举升负荷增大,同时抽油杆和油管的变形加剧,这又会使抽油泵的排量系数降低,影响泵效。

因此,合理的沉没度不仅影响抽油泵的效率,而且影响整个抽油系统的效率,如何确定
合理的抽油泵下潜深度是提高机采系统效率的重要环节。

笔者提出一种综合考虑整个系统效率的确定沉没度的方法。

1 泵效分析
在抽油井生产过程中,实际产量Q 一般要比理论产量Q t 低,二者的比值叫泵效,用G c 表示,即G c =Q/Q t 。

影响泵效的因素很多,从泵工作环节(柱塞让出体积、液体进泵和从泵内排出液体)来看,可归纳为3个方面[3]:抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩、气体充
2005年 第29卷 石油大学学报(自然科学版) Vol.29 No.4 第4期 Journal of the U niversity of Petroleum,China Aug.2005
不满、漏失。

1.1抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩对柱塞冲程的
影响
柱塞冲程小于光杆冲程是造成泵效小于1的不可避免的因素。

抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩愈大,柱塞冲程与光杆冲程的差别就愈大,泵效就愈低。

抽油杆柱所受的载荷不同,则弹性伸缩量不同。

沉没度的变化必然会影响到抽油杆柱载荷的变化,不仅抽油杆和液注的静载荷因抽油泵下潜深度的不同发生变化,承受的动载荷也要发生变化,必然影响柱塞冲程与光杆冲程的差值,从而影响泵效。

1.2气体对泵效的影响
多数油田在深井泵开采期,都是在低于饱和压力下生产,即使在高于饱和压力下生产,泵口的压力也低于饱和压力,因此,在抽汲时总是气液两相同时进泵,气体进泵必然减少进入泵内的液体量而降低泵效。

当沉没度越低时,这种现象越明显。

1.3漏失的影响
漏失包括:柱塞与衬套的间隙漏失、游动凡尔漏失、固定凡尔漏失和其他部分漏失,这些都会使得实际排量减小。

1.4泵效计算
考虑冲程损失、气体和充不满的影响及漏失影响时,泵效为
G c=S p
S g
B
B l
1-
q
2Q t.(1)
其中
Q t=360P d2p sn;B l=B o(1-f w)+f w.
式中,S g为光杆冲程,m;S p为柱塞冲程,m;B l为泵内液体的体积系数;B o为泵内油的体积系数;B为泵的充满系数(与沉没度S、油气比有关);q为柱塞向上运动时的漏失量,m3/s;f w为含水率;d p为泵柱塞直径,m;s为冲程,m;n为冲次,次/min。

2目标函数的建立
2.1系统效率分析
由于能量在转换与传递过程中,总会发生不可避免的损失,所以有效功率$P1小于输入功率P1。

根据能量守恒定律,输入功率应当等于输出功率(有效功率)与损失功率$P之和,即
P1=$P1+$P.(2)
系统的有效功率为系统在举升产出液过程中消耗的功率,可表示为
$P1=Q gH Q
86.4.(3)
式中,Q为油井产出液密度,kg/m3;H为产出液举升
的有效扬程,m;Q为油井产液量,m3/d。

因此,有杆抽油系统效率又可表示为
G=
$P1
P1=
P1-$P
P1=1-
$P
P1.(4)
由式(4)可知,有杆抽油系统效率值取决于损失功
率与输入功率之比,即在输入功率一定的条件下,损
失功率越大,有杆抽油系统效率越低,反之系统效率
就越高。

根据有杆抽油系统组成情况,可以把有杆抽油
系统的功率损失分为8部分,分别用$P2~$P9表
示,因此有
$P=$P2+$P3+$P4+$P5+$P6+$P7+
$P8+$P9.(5)
式中,$P2为电机损失,包括电机热损失和机械损
失;$P3为皮带损失,主要是皮带传动中的摩擦损
失;$P4为减速箱损失,主要是减速箱传动中的摩擦
损失;$P5为四连杆损失,主要是轴承摩擦损失和钢
丝绳变形损失;$P6为盘根盒损失,主要是盘根盒的
摩擦损失;$P7为抽油杆损失,主要是抽油杆摩擦损
失和弹性变形损失;$P8为抽油泵损失,包括抽油泵
的机械损失、容积损失与水力损失;$P9为管柱损
失,主要为管柱的水力损失。

每项损失又可表示为
$P2=P2(1-G N)
G N,$P3=$P3M+$P3S,
$P4=P T+P C,$P5=P c T+P S,
$P6=Fv/1000,
$P7=2PL1
ln m
+(B1+1)Q L0Q T05u5t2d t d x+
4
B2
(B1+1)
L
0Q
T
5u
5t x=L
5u
5t d t d x,
$P8=$P m+$P v+$P w,$P9=$P c v+$P c w.
其中
B1=
m2-1
2ln m
-1,B2=m-1-
(m2-1)2
ln m
,
m=r1/r0,
式中,G N为电机的额定效率;P2为电机的输出功
率,kW;$P3M为皮带传动的弯曲损失,kW;$P3S为
皮带传动的弹性滑动损失,kW;P T为减速箱的轴承
损失,kW;P C为减速箱的齿轮损失,kW;P c T为四连
杆机构轴承损失,kW;P S为四连杆机构的钢丝绳变
形损失,kW;F为盘根盒与光杆处的摩擦力,N;v为
光杆运动速度,m/s;L为抽油杆的总长度m;t为时
间,s;u=f(x,t)为抽油杆不同断面不同时间的位
#
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#石油大学学报(自然科学版)2005年8月
移,m;T为抽汲循环周期,s;x为抽油杆长度,m;L 为液体动力粘度,m Pa#s;m,B1,B2为系数;r0为抽油杆半径,m;r1为油管半径,m;$P m为抽油泵的机械摩擦损失功率,kW;$P v为抽油泵的容积损失功率,kW;$P w为抽油泵的水力损失功率,kW;$P c v 为由于油管漏失引起的管柱容积功率损失,kW; $P c w为原油沿油管流动引起的水力功率损失,kW。

2.2目标函数
有杆抽油系统优化设计就是选择机、杆、泵的运行参数,从而使整个系统达到最优[4,5]。

有杆抽油设计是一个混合离散变量最优化问题[6,7],变量有沉没度S、泵径d p、冲程s、冲次n等,其中沉没度(泵深)为连续变量,泵径、冲程、冲次为离散变量。

建立如下优化目标函数:
max G=f(S,d p,s,n,,).(6) 2.3约束条件
动液面<沉没度<井深;冲程、冲次与抽油机型号相匹配;抽油杆的设计满足应力、扭矩、载荷要求等。

3数学模型的求解
以定产量的油井计算为例给出求解过程。

¹利用IPR曲线,由给定的产量Q计算流压;
º按Q由流压沿井筒向上计算管流压降,得到不同深度处的压力分布;
»计算相应深度处的泵充满系数;
¼初选管、杆直径,按Q由井口向下进行杆、管环空压力分布计算,得到不同深度处的压力分布;
½对某一抽汲参数组合:泵径、冲程、冲次、泵沉没度,求其产量。

首先可根据充满系数计算对应的泵下压力分布,然后求得要求充满系数下的泵深;计算液柱载荷;设计抽油杆柱;计算泵效率;从而计算出产量Q c。

¾判断Q-Q c
Q
<E是否成立。

若不成立,则换另一组抽汲参数,转步骤½;若成立,按新杆、管尺寸,一般返回步骤¼三次,超过三次,则求目标函数,转步骤¿。

¿通过计算多组抽汲参数的目标函数,比较后得到最佳目标函数下的抽汲参数及相应的技术指标。

4现场应用及结果分析
对9口检泵井的参数进行优化(见表1),主要在泵径、冲程、冲次和沉没度方面采取了优化措施,这些井的平均系统效率由作业前的30.2%提高到4315%,降低了生产成本,提高了经济效益。

表1优化前后结果对比
井号状态
泵径
d p/mm
冲程
s/mm
冲次
n/(次#min-1)
液量
Q/(m3#d-1)
含水率
f w/%
动液面
h c/m
泵深
h/m
沉没度
S/m
泵效
G c/%
系统效率
G/%
提高效率
$G/%
1#优化前954.24.5144.895.550599248775.237.0
优化后954.24.5151.595.352289737578.747.0
10.0
2#优化前563.7436.692.91192149730569.838.2
优化后564.5333.195.51186149230669.048.1
9.9
3#优化前564.25.552.995775119842364.726.8
优化后704.2349.990.9931122929871.540.6
13.8
4#优化前5636.555.39763499736380.132.9
优化后702.8451.497.1782105126982.854.9
22.0
5#优化前443.6639.183.8916159267677.432.2
优化后563.64.547.782.21111139728683.439.7
7.5
6#优化前5636.354.595.754599745281.522.0
优化后7034.866.895.662699937383.728.2
6.2
7#优化前564.2555.292.6855121836374.333.2
优化后704.2481.492.2992125025887.545.0
11.8
8#优化前564.2556.892.857399942676.437.3
优化后704.23.565.692.565680414880.648.4
11.1
9#优化前563626.590.151995143241.612.5
优化后703671.590.151495043671.740.1
27.6
由表1可以看出,优化后的沉没度除1#井和9#井与优化前的沉没度持平外,其他油井都比优化前低79~390m,说明现场所采用的下泵深度偏深,从而影响了系统效率。

以某油井为例,分析沉没度对系统效率的影响。

某油井的原油密度、粘度、油层中深、地面油气比、动液面、产液量、含水率、泵径分别为920kg/m3,242 mPa#s,1900m,70m3/m3,615m,60m3/d,9211%,70
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#
第29卷第4期林日亿等:有杆抽油泵沉没度的优化设计方法
mm 。

油管为563.499mm 和573.024mm 组合的油管,套管为5139.7mm 的套管。

当沉没度变化时,抽油泵的充满系数将发生变化,其泵效和系统效率也将发生变化。

由图1,2可看出,随着沉没度增加,抽油泵的泵效先增大后减小,系统效率也存在类似的情况,但是,其增大和减小的程度随沉没度不同而变化。

最高泵效出现在沉没度为335m 位置,而最高的系统效率出现在沉没度为185m 位置。

说明最高的泵效不是最经济有效的采油参数,为了节约增效,应牺牲个别设备的效率来满
足整个系统的效率。

图1
泵效与沉没度的关系
图2 系统效率与沉没度的关系
图3表示在满足优化目标函数(系统效率最高)条件下,不同产液量与沉没度、泵效的关系。

随着地层供液能力的增强,下泵的深度先有所增大,
然后减
图3 不同产液量下的最优沉没度和泵效
小;泵效的变化也存在类似的情况。

可以得到,当油
井供液能力很强时,可适当的减小沉没度来提高系统的效率。

5 结 论
(1)在满足生产工艺和设备的条件下,以机采井系统效率最高为目标函数,优化设计沉没度是提高机采系统效率行之有效的方法。

(2)合理的沉没度是指满足整个机采系统效率最高的下潜深度,而不是泵效最高时的下潜深度。

当油井供液能力很强时,可适当减小沉没度来提高系统的效率。

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(编辑 沈玉英)
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90#石油大学学报(自然科学版) 2005年8月。