潜油电泵设计

5.3电动潜油泵5.31设备描述典型的沉没式泵送装置由电机、保护器、吸人段、多级离心泵、电缆、地面配电柜、接线盒和变压器组成。

还有其它一些组件，诸如使电缆紧靠油管的固定装置和井口装置等。

任选设备包括：检测井底压力和温度的压力检测器、单流阀和放泄阀等。

电机在相对恒定的速度下运转，并且电机是通过保护器或密封段直接与泵联接的。

动力是通过三芯电缆传送到并下设备，并且，电缆须捆扎到油管上。

流体由吸人段进人泵并被排人油管，泵送装置也是接在油管上而下入井内的。

当泵只泵送液体时，其泵效才可达最高点。

当然泵能够而且确实在处理混有游离气的液体。

虽然泵处理气的方式还不完全明了但是已经得知，游离气含量过高会使泵效大大降低。

5.32泵性能曲线布朗先生等已经提供了几种泵的性能曲线。

根据泵所能下人的最小套管尺寸，泵可分成儿组。

即便是同一组泵，其性能也不尽相同。

沉没式电泵的性能曲线（图5.32和5.33)表示了泵的压头、马力和泵效随着泵的排量变化而变化的情况。

泵的排量系指采出流体的体积，它包括游离气及/或溶解气。

这些曲线是基于固定的动力频率绘出的——通常是50或60赫兹——可以用变频控制器改变频率。

将方程5. 17代人上述力程，可得：由离心泵产生的压头（英尺/每级），不管泵送流体的种类或重度如何，都是相同的。

但如果将压头换成压力，则必须乘上被泵送流体的梯度。

因此，可用以下式子表示【4】:(泵产生之压力)=(压头/每级）x (流体梯度）x (级数）当液体与气体同时泵送时，泵的排量及相应产生的每级压头和梯度会随着流体从吸人值p3升高到排出值p2而发生变化。

这样，上述公式可改写如下：dp = h(V) x G r(V) x d (S t)(5.7)式中dp——泵所产生的压差的微分，磅/英寸2;h——每级压头，英尺/级；G r——泵送流体的梯度，磅/英寸/英尺；d (S t)——泵级数的微分。

注意，上式中的括号是表示，h和G r是排量V的函数，V由方程5.4求出。

在任何压力和温度下的流体梯度由下式求得：γ(V)G r (V) = 0.433f(5.8)但式中W是在任何压力下和温度下排量V的重量，它相当于在标准条件下的重量，因此:将方程5.9代入方程5.8便得出：ρ在标准条件下1桶液体加上泵送的气体（每一桶液体），或fscρ是在标准条件下气体的密度（桶/标准英尺3）式中gsc将方程5.10代人方程5.7得到：总的级数可通过将上式在吸人压力和排出压力之间的数值积分求得：根据相对密度相当于1.0的流体，泵的性能曲线（图5.32和5.33)可给出每级的马力数。

该马力必须乘以该流体的相对密度.因此，可表示如下：(所需马力）=(每级马力）x (流体相对密度）x (级数）由于每级马力数、流体的相对密度及级数取决于在吸人压力和排出压力下不同的排量V，那么，上述公式可表示如下：γ(V) x d(S,)d(HP) = h p (V) x(5.14)f将方程5.9和5.10代人上面公式，可得到：总的所需马力可通过将上式在吸人和排出压力下的数值进行积分求得：对于每一个泵，都有一个排量范围，在此范围内，泵效可达到或接近其最高点（见图5.32和5.33)。

因此，在吸人压力和排出压力间所选排量的体积范围应保持在泵效范围之内.当然，此范围也可用变频控制器改变.5.33泵的吸入曲线对沉没泵的吸入曲线进行预测应该考虑以下两种情况:(1)只泵送液体；(2)泵送液体和气体.对两种情况都是假设将泵下在井底并且井口压力和油管尺寸固定。

第二种情况，假设所有伴生气同液体一起泵送。

所选择的敏感性变量是泵的级数。

正如下文所述对第一种情况进行电动沉没泵吸人压力的预测是直接的，而对第二种情况则是间接的。

5.331 只泵送液体由于液体只是稍有压缩性，所以采出量的体积可视为不变并且相当于地面的产液量，从而，每级压头也是不变的。

这样，方程5.13可归并成以下公式：解方程5.17，求p3方程5.16也可归并成：将方程5.17代入上述方程，可得HP = h p fsc γ S t (5.20)泵的选择，如前所述，由于套管尺寸的原因使泵的选择受到了限制。

另外，所计划的产量也使选泵受到一定束缚。

若想得到最高产量，则应考虑选择那种泵效范围适于泵送接近该井的最高产量的流量的泵。

5.3311 只泵送液体时泵的吸入曲线的标绘步骤下面叙述了预测泵在只泵送液体时的吸人曲线的标绘次序，并用实例表示。

其计算结果列在图 5.34、5.35、 5.36 和 5.37 中。

（1） 根据套管尺寸和井的产液能力，选择合适的泵。

（2） 由方程5.11计算fsc ρ(气液比=0 )，由方程5.9计算fsc γ (V =q sc ）（3） 假设一些不同的产量，并对每一种假设的产量，再进行以下几步：(a) 由泵的性能曲线读出每级压头，并计算出数量（fsc ρ/808.3141）;(b)由压力梯度相关式，确定所需排放压力；(c)假设出各种级数，对每一个级数，根据方程5.18计算出吸人压力，（4）对于每个假设的级数，在绘IPR的曲线图上，按照相同的刻度，绘出吸入压力与产量的相关曲线（见图5.34和5.36)。

（5）读出泵的吸人压力与IPR曲线相交点上的各种产量数值。

（6）对于每一种产量，由泵的性能曲线，读出每级的马力数，然后根据方程5.20计算总的马力要求。

（7）绘出产量与级数和马力要求的相关曲线。

将泵的效率范围标绘在同一图上（图5.35和5.37）。

（8）选择合适的排量。

排量的选择。

无论是只泵送液体还是同时泵送液体和气体，所选定的排量必须满足以下标准：(1 )吸人和排出压力之间的体积排量范围必须在泵效范围内。

(2)所选排量在经济上必须是可行的。

在级数以及由此而使产量增加时，油管柱内摩阻的影响便会显著地增大，从而使排出压力升高。

因此，每一级的产量增加数量便不断减少，一直到消失为止。

例题为了说明泵在只泵送液体时吸人曲线的标绘步骤，对两个例题进行了计算。

该泵下在井底，井口压力及油管尺寸固定不变.1号井采用电动沉没泵（只泵送液体）。

由于泵下在井底，所以泵的吸人压力与井底压力相同，因此图5.8中的标准桶液/日IPR是适用的。

有儿种泵可用于7英寸套管井中，但既然下泵的目的就是为了得到最高产量，所以应选择那种泵效范围包含排量接近井的最高产量的泵。

该泵的性能曲线在图5.32中绘出。

由方程5.11可知：fsc ρ= (0.5)(350)(1.074)+ (0.5 )(350)(0.85) = 336.7 磅 / 标准桶由于液体基本上是不可压缩的，所以V 可视为不变并等于q sc ，因此，方程5.9可求解成：将fsc ρ和fsc γ的值代入方程5.18和5.20，则变为：通过假设产量，P 2可根据压力梯度相关式来确定，而h 可由泵的动态曲线查出。

通过假设级数（St)、p 3和HP ，可根据方程5.21和5.22来计算。

在进行这类计算时，泵效范围可忽略不计，从而可表示摩阻的影响，待以后进行泵排量选择时再考虑泵效问题。

对于3 000桶/日的产量来说:已知：p 2 = 3 679磅/英寸2 (压力梯度关系式）；h = 38.3 英尺 /级（图5.32）由此，方程式5.21可化成：p 3=3 679-14.952S t (5.23)根据以上方程，假设S t (级数），并计算p 3，可得到：对于其它假设的产量，亦采用相同的步骤。

这些计算结果列在附录5的表5A.5中。

将所得到的吸人压力与在不同假设级数下的q sc （地面产量）的关系绘在图上（见图 5.34)，在同一图上按着相同刻度将标准桶液/ 日IPR 曲线绘出。

泵吸人曲线与IPR 曲线的相交点就是各种产量数.例如，某并的产量为3 075标准桶液/日，级数为150。

在此产量下，图5.32表示出每级压头为1.66。

根据方程5.22,总的所需马力为：HP = (0.962)(1.66)(150) = 240HP对于其它产量，也采用此相同步骤。

这些计算结果列在附录5的表5A.6中。

q p (可能产量)与级数和马力的相关曲线绘在图5.35中。

在此图上将泵效范围（5 000〜7 250标准桶液/日)标绘出来。

由图5.35可以看出，在产量超过7500标准桶液/日时，级数和马力需要增加甚快，但产量增加却甚小。

在此情况下，最好选择6000标准桶液/日，因为在此产量下，可使液面（压力）合理下降并使泵在接近其最高效率的情况下运转（见图5.32)。

对于6000标准桶液/日，泵的排出压力为4487磅/英寸2,级数为367 (图5.35)，所需马力为640 (见图5.35)。

例题2 (只泵送液体）2号井也采取与1号井相同的计算方法。

经证明图5.33表示的是最合适的泵。

计算结果列在附录5的表5A.7和5A.8中。

表5A.7中的数据与标准桶液/口IPR曲线一起标绘在图5. 36上。

对于各种产量(由图5.36可知）所需马力数列在表5A.8中。

图5.37是可能达到的产量与级数和马力数之相关图。

所选定的产量为375标准桶液/日。

为达此产量，所需级数和马力将分别为410和36。

排出压力需达到2740磅/英寸。

5.332泵送液体和气体由于气体的可压缩性较强，在流体的压力由吸人值变到排出值时，采出流体的体积会发生很大变化。

在吸人压力和排出压力之间的任何一点上，如果将所有气体与液体一起泵送，其体积系数可由方程5.2求出；如果把一定量的气体排空，则应根据方程5.3求出体积系数。

但是，无论哪种情况，产量的体积都由方程5.4求出。

5.3321级数的确定由于流体通过泵时，V (体积）和h(每级压力）是不同的，所以只有在被积式V/h(V)可简化成压力的简单函数时，才可对方程5.17进行直接积分。

但由于VF是非常复杂的压力函数，所以直接积分也是很困难的（见方程5.2)。

因此，建议采用数值积分法。

在泵的吸人段有气存在，意味着泵的吸入压力低于原油（饱和原油）的饱和压力。

如果确实如此，而且所需排出压力高于饱和压力，那么，则应把方程5.13分成两个积分：为了进行数字积分，可将方程5.24改写成较方便的形式：式中P3,i——任何高于饱和压力的吸人压力；P3,j——任何低于饱和压力的吸冬压力；P3,0——排出压力（P2);p3,m——饱和压力（P b）;将级数分成两个相加数的主要原因是，由于在饱和压力以上，V 和h只有很小变化，所以3，i p ∆可比3，j p ∆大得多。

事实上，即使是3p ∆值取为p h 和p 2之间的差别，v /h 的数量是在中间点进行估算，也会得到满意的结果。

当采用计算机解时，很容易将吸人和排出压力间的间距分成相等的值（增量）（把3p ∆作为常数）。

方程5.26可写成：数量i i v /h 是在平均压力下估算的，平均压力可由下式求出：实际上，任何压力P 3,i 都可视为吸入也力。