螺杆泵井合理沉没度的确定及应用

螺杆泵井合理沉没度的确定及应用
郭永伟;李治平
【摘要】为协调能耗与产量关系，充分发挥螺杆泵潜能，结合萨南开发区介质特性及生产参数，计算并绘制进出口压差与容积效率关系曲线，同时统计并绘制进出口压差与系统效率关系曲线，确定进出口压差的界限，计算螺杆泵井合理沉没度范围，统计螺杆泵井实际泵效、吨液耗电及系统效率与沉没度关系。

对比理论计算与统计结果，确定合理沉没度范围。

截止到目前，应用该研究成果，沉没度位于合理范围的比例由39.8%提高到58.2%，使螺杆泵井供排关系更加趋于合理，取得了较好效果。

%In order to coordinate energy consumption and production and release the potential of screw pump, the media properties and production parameters of Sanan developed area are used to calculate and draw the relation curves of the pressure difference between entry and exit and volu-metric efficiency, meanwhile, count and draw the relation curves of the pressure difference between entry and exit and system efficiency, determine the boundaries of the pressure difference between entry and exit, calculate the reasonable submergence depth range of the screw pump and count the relation of actual pump efficiency, per ton consumption of liquid and system efficiency with submergence depth of screw pump. By comparing the theoretical calculations and statistics results, reasonable submergence depth range is determined. Up to now, by applying the research results, the percent of submergence depth in reasonable range enhances from 39.8 % to 58.2 %, which leads to a more
reasonable supply and discharge rela-tionship of screw pump wells and achieves better results.
【期刊名称】《油气藏评价与开发》
【年(卷),期】2013(000)006
【总页数】5页(P48-52)
【关键词】螺杆泵;沉没度;泵效;进出口压差
【作者】郭永伟;李治平
【作者单位】中国地质大学能源学院，北京 100083;中国地质大学能源学院，北京 100083
【正文语种】中文
【中图分类】TE355.5
螺杆泵井沉没度是反映其供排关系合理与否的最直接的参数。

沉没度过高，产能得不到充分发挥，沉没度过低，定子橡胶升温较快，容积效率较低，长时间运转易导致烧泵。

近年来螺杆泵井逐年增多，但是螺杆泵井合理沉没度一直没有一套科学实用的方法来确定，仅是借鉴抽油机井沉没度标准或根据经验进行估计和判断，不能使螺杆泵在正常工作条件下获得最大产量和最高的经济效益。

下面从理论计算及统计生产数据来确定螺杆泵井合理沉没度范围。

1 螺杆泵井生产动态分析
螺杆泵井的生产动态是由两方面决定的，一是油井的供液能力，二是螺杆泵的排液能力，下面从油层的流入动态与泵的排出动态进行分析。

1.1 油层的流入动态
油层的流入动态用IPR曲线来描述，最简单常用的是Vogel方程。

式中：Q——实际排量，m3/d；Qmax——流压为零时的最大产量，m3/d；Ps——平均地层压力，MPa；Pf——井底流压，MPa。

1.2 泵的排出动态
泵的排出动态用泵的排出液量Q与泵效的关系表示：
式中：Q理——泵的理论排量，m3/d；q——每转排量，mL；n——转数，
r/min；η——容积效率，%。

1.3 供排关系协调
螺杆泵井的生产过程是油层的供液能力和泵的排液能力相互影响和不断协调的过程。

1.3.1 井底流压与容积效率的关系
在泵挂一定的条件下，一定工作制度的排液能力必然与油层在某一流压条件下的生产能力相适应，同时也决定了泵在多大的沉没压力下工作，这就建立了流压—泵
效的协调关系。

根据泵吸入口压力与容积效率的物理关系，可以得出螺杆泵井容积效率的理论计算公式［1］：
式中：fw——含水，%；γo——原油密度，g/cm3；γw——水密度，g/cm3；Bo——原油体积系数；RP——油气比；Pb——饱和压力，MPa；Pf——泵吸入口压力，MPa；T——井底温度，℃；Z——气体压缩因子。

1.3.2 井底流压与泵进出口压差的关系
在生产过程中，螺杆泵进出口压差是泵吸入口压力和泵排出口压力的函数，对于任意一种产量、泵吸进出口压差都有对应值，并且与流压动态关系协调。

泵排出压力
是泵以上油管内流体的密度和高度、地面有关压力及泵排出口和地面之间的沿程损失的函数［2］。

式中：Dt——进出口压差，MPa；P排——泵排出口压力，MPa；Pd——地面
输油管线回压，MPa；Pz——泵出口至井口油管内的液柱静压，MPa；Pm——
泵出口至井口液体流动的沿程损失压力，MPa；Ph——环空动液面到泵吸入口的液柱静压，MPa；Pc——套压，MPa；ρ——液体密度，kg/m3；L——泵出口
至井口的高度，m；h——环空动液面至泵吸入口的距离，m；k——流道形状系数，小数；μ——液体黏度，mPa·s。

公式（2）、（3）给出了进出口压差和容积效率的数学关系，对于一口指定的井，根据进出口压差即可以计算对应的容积效率。

2 螺杆泵合理沉没度的界定
2.1 螺杆泵井合理进出口压差范围的界定
结合具体油田螺杆泵井生产数据及介质特性，例如温度、黏度、压缩系数、含水、油气比、原始地层压力、饱和压力、气体压缩因子等参数［3］，计算并绘制了进出口压差与容积效率关系曲线及进出口压差与系统效率关系曲线（图1）。

图1 进出口压差与容积效率、系统效率关系曲线Fig.1 Relation curves of pressure difference with volumetric efficiency and system efficiency
从图1可以看出当进出口压差较小时，系统效率较低，对应于系统效率25%时，
进出口压差为4 MPa。

另外，井底温度对螺杆泵橡胶影响较大，螺杆泵下泵深度
对橡胶温度较大，据经验和室内实测，举升高度每增加100m，每100转温度升
高1℃。

因此，考虑螺杆泵运转自身生热，螺杆泵容积效率应大于40%，否则长
期运转，定子橡胶升温较快，导致烧泵，并且进出口压差过大泵漏失严重，容积效率较低，对应于40%泵效的井出口压差为7.5 MPa。

由此，选择井出口压差在
4～7.5 MPa这一范围作为计算螺杆泵井合理沉没度范围的界线值。

2.2 螺杆泵井合理沉没度的理论计算
根据工作参数、介质特性、温度等对泵工作特性的影响，对工作特性曲线进行模拟［4］，研究螺杆泵井的流出特性，可以得到：
其中：ΔPmax=kt0.15μ0.035n0.5δ
式中：Pmax——零排量时的泵工作压差（泵的最大举升高度），MPa；P0——
与泵的结构参数、加工质量等有关的常数；k——与泵的结构参数有关的常数；n——螺杆泵的转速，r/min；μ——流道形状系数，常数；δ——定、转子间过盈量，mm。

假设当P0≥P吸时，P排=Pmax，可得沉没压力计算公式为：
根据公式（8）和（11），选用进出口压差为4～7.5 MPa作为计算沉没度范围的界线值，得出合理沉没度结果（表1）。

根据不同泵型选择与泵结构参数、加工质量等有关的模拟参量值P0及某油田开发区介质特性及生产参数计算可得［5］，
小排量（500及以下泵型）沉没度范围200～400m，中排量（800—1200泵型）沉没度范围220～430m，大排量（1200及以上泵型）沉没度范围250～460m。

表1 根据进出口压差计算合理沉没度结果Table 1 Reasonable submergence depth calculated by pressure difference between entry and exit小排量中排量大排量DP 7.5 4 P吸/MPa 2.3 4.4 L沉/m 193.4 404.8 P吸/MPa 2.6 4.7 L
沉/m 224.8 434.3 P吸/MPa 2.9 5.0 L沉/m 250.0 462.8
3 螺杆泵沉没度统计结果分析
统计2010年至2012年螺杆泵8 042井次正常生产数据及测试系统效率数据，沉没度每隔50m为一个点，统计泵效、吨液耗电和系统效率并做出关系曲线。

从统计结果可以看出，对于500型以下小排量泵（图2），当沉没度小于200m 时，泵效、系统效率较低，吨液耗电明显增大；沉没度在200～400m时，泵效、系统效率上升到较高水平并趋于稳定，吨液耗电下降到低值；沉没度大于400m 时，系统效率开始下降，吨液耗电上升。

图2 500型以下小排量螺杆泵泵效与能耗关系曲线Fig.2 Relation curves of pump efficiency and energy consumption of small displacement screw pump（500 and the below）
对于800型中排量泵（图3），当沉没度小于250m时，泵效、系统效率较低，
吨液耗电明显增大；沉没度在250～450m时，泵效、系统效率上升到较高水平并趋于稳定，吨液耗电下降到低值；沉没度大于450m时，系统效率开始下降。

图3 800型中排量螺杆泵泵效与能耗关系曲线Fig.3 Relation curves of pump efficiency and energy consumption of medium displacement screw pump （800）
图4 1200型以上大排量螺杆泵泵效与能耗关系曲线Fig.4 Relation curves of pump efficiency and energy consumption of large displacement screw pump（1200 and the above）
对于1200型以上大排量泵（图4），当沉没度小于300m时，泵效、系统效率较低，吨液耗电明显增大；沉没度在300～450m时，泵效、系统效率上升到较高水平并趋于稳定，吨液耗电下降到低值；沉没度大于450m时，系统效率开始下降。

通过理论分析和实际生产数据统计，两种方法得到的合理沉没度范围基本吻合，若考虑到产量因素，最大限度地发挥螺杆泵井潜能，螺杆泵井的沉没度范围500型
以下小排量螺杆泵应控制在200～400m之间，800型中排量螺杆泵沉没度应控制
在250～450m之间，1200型以上螺杆泵沉没度应控制在300～450m之间。

对于小排量高于400m、中大排量高于450m以上的井可作为潜力区的井进行上调参数或换泵，以充分发挥其生产能力。

4 应用合理沉没度的结论适时采取措施
截止到目前，应用该研究成果，适时采取措施，共换大泵10口井，调大参数446井次，调小参数46井次，其中对以往依据经验未能调整的井实施调参98井次，沉没度下降132.5m，日增液12.5t，日增油1.1t，取得了较好的效果。

螺杆泵井平均沉没度由466.6m下降至目前的377.5m，沉没度位于合理范围的比例由39.8%提高到58.2%，使螺杆泵井供排关系更加趋于合理，取得了较好效果。

4.1 调大参数效果分析
截止到2012年9月底共调大参数446井次（表2），平均单井日增液13.4t，日增油1.2t，泵效下降5.1个百分点，沉没度下降154.1m，调参后179口井沉没度位于合理范围内，其它124口井待沉没度稳定后再进行调整或采取随检换大等措施。

N5-20-P23井连续调参4次，泵型为KGLB300-21，转数从67 r/min调到166 r/min，沉没度从943.1m降到150.1m，泵效、吨液耗电变化如图5。

N5-1-25井连续调参3次，泵型为PCM600TP600，转数从160 r/min调到220 r/min，沉没度从969.1m降到240.7m，泵效、吨液耗电变化如图6。

N5-20-P50井连续调参4次，泵型为GLB1200-14，转数从80 r/min调到150 r/min，沉没度从681.01m降到187.3m，泵效、吨液耗电变化如图7。

根据以上3口连续调参螺杆泵井可以看出，随着沉没度的变化，泵效先降低后稳定在一较高水平；吨液耗电随沉没度降低逐渐下降，低于在合理下限后急剧上升。

沉没度在合理范围内泵效较高并且稳定，吨液耗电最低。

4.2 换大泵效果分析
截止到2012年9月底，对于远高于合理沉没度
表2 应用合理沉没度结论调大参数井效果Table 2 Effects of wells’parameters enhanced by reasonable submergence depth conclusion泵型分类调参前调参后井次对比小排量中排量大排量合计183 134 129 446日产液/t 38.7 85.9 109 73.2日产油/t 3.8 6.9 7.8 5.9泵效83.2 72.4 63.2 74.2沉没度/m 639.7 582.1 521.2 588.1日产液/t 46.6 103 126.5 86.7日产油/t 4.6 8.7 9 7.1泵效76.8 68.3 58.9 69.1沉没度/m 424.6 481.1 398.5 434.0转数增加23 24 23 23日产液/t 7.9 17.1 17.5 13.4日产油/t 0.8 1.8 1.2 1.2泵效下降6.4 4.1 4.3 5.1沉没度下降/m 215.1 101.0 122.7 154.1
图5 N5-20-P23井调参沉没度与泵效、能耗关系Fig.5 Relation of submergence depth after parameter adjustment with pump efficiency and energy consumption of well N5-20-P23
图6 N5-1-25井调参沉没度与泵效、能耗关系Fig.6 Relation of submergence depth after parameter adjustment with pump efficiency and energy consumption of well N5-1-25
图7 N5-20-P50井调参沉没度与泵效、能耗关系Fig.7 Relation of submergence depth after parameter adjustment with pump efficiency and energy consumption of well N5-20-P50
且转数已无调整余地的10口井采取换大泵措施，措施后平均单井日增液18.5t，日增油2.3t，沉没度下降418.1m。

采取换大泵措施后，经调参这10口井沉没度基本都位于合理范围内，其中测试系统效率7口井，平均单井系统效率提高8.65个百分点。

4.3 调小参数效果分析
截止到2012年9月底，共调小参数45井次（表3），平均单井日降液8.1t，日
降油0.2t，泵效上升6.8个百分点，沉没度上升147.5m，调参后37口井沉没度
位于合理范围内，其它8口井转数已调至最低，采取掺水生产或随检换小等措施。

表3 应用合理沉没度结论调小参数井效果Table 3 Effects of wells’parameters reduced by reasonable submergence depth conclusion调参前调参后泵型分类小排量中排量大排量合计对比井次5 10 30 45日产液/t 51.0 86.0 83.7 80.6日产油/t 10.4 11.1 11.9 11.5泵效60.7 73.4 52.6 58.2沉没度/m 168.2 225.3 158.8 174.6日产液/t 44.6 75.5 76.1 72.4日产油/t 8.94 10.7 11.9 11.3泵效59.9 76.3 62.0 64.9沉没度/m 334.3 332.5 316.6 322.1转数增加41 21.6 21.5 23.7日产液/t-6.4-10.5-7.6-8.1日产油/t-1.4-0.4 0.1-0.2泵效上升-0.8 2.9 9.3 6.8沉没度上升/m 166.1 107.2 157.8 147.5
5 结论及认识
1）根据螺杆泵井泵进出口压差与泵效的内在联系，把合理沉没度定义在一个范围，而非一个点，对于挖掘螺杆泵潜力更具有实际应用价值。

2）通过理论计算及数理统计结果得到的合理沉没度的范围，改变了以往借鉴抽油机或凭经验估计判断的做法，为以后换大、调参等提供了理论根据。

3）应用螺杆泵井合理沉没度理论，指导生产采取换大、调参等措施，达到了预期目的，验证了理论计算和统计得到结论的正确性。

4）应用螺杆泵井合理沉没度理论，指导换大、调参等措施，不仅可以使螺杆泵的潜能得到发挥，提高经济效益，而且还可以使供排关系更加协调和稳定。

参考文献
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