周文彬，張志全，奚 睿，吳亞星，張 彬，楊樹東

（1.長江大學石油工程學院，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]。渭北油田在開發(fā)生產(chǎn)過程中，存在泵效低、壓裂達不到理想的效果以及集輸成本高。為了解決這些問題，本文應用PIPESIM 軟件進行電泵采油設計優(yōu)化，從而選擇一個適合渭北油田開采的優(yōu)化方案。

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

1 電潛泵采油工藝

電潛泵全稱電動潛油離心泵（Electrical Submersible Pump），簡稱電泵（ESP）。在現(xiàn)代采油技術中，電潛泵采油工藝是一種進步的標志，最早是蘇聯(lián)A.S.Arutunoff 發(fā)明的，當時用于抽地層中的水和礦井里的水。同時，美國1926 年在Russel 油田井組使用電潛泵的采油，從那個時候起就有了原油的開發(fā)及生產(chǎn)，然而中國是在1965 年進行電潛泵的研發(fā)和試驗的。

如今，就國內(nèi)外的制造水平和提高采收率的效益來看，其中中國、美國以及俄羅斯占主要部分。但無論是生產(chǎn)規(guī)模，還是制造技術，美國都處于領先地位。美國和蘇聯(lián)是世界上生產(chǎn)和使用電潛泵較多的國家，加拿大、法國和挪威等國也生產(chǎn)和應用。電潛泵在使用的過程中具有大排量以及節(jié)約成本等多種好處，近些年來許多地區(qū)在提高電潛泵經(jīng)濟效益、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，同時對于提高采收率有重大的發(fā)現(xiàn)，是重要的機械采油方法[3]。

1.1 電潛泵采油設計原理

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

電潛泵的缺點：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；由于多級大排量高功率的電潛泵價格比較昂貴，初期投資高；由于電纜和電機環(huán)境的惡劣性，造成維修成本高，同時腐蝕性和高溫易使電機損壞；動力源僅適用于采用電源，對于沒有電源的零散井，不適合采用這種采油方式[4]。

（1）下泵深度的確定：對已投產(chǎn)井，下泵深度是已知的，需檢驗計算是否合理；對欲轉抽或新井，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，就可以計算出不同下泵深度所對應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系曲線。確定下泵深度時，首先要滿足沉沒度的要求，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行計算。當井筒中不含氣時，一般把油水混合物的流動處理成單相流動，當油水形成乳狀液時，由于其物性參數(shù)難以準確確定，將帶來較大的誤差；當井筒中含有游離氣時，應按氣、液兩相管流或油、氣、水三相管流進行計算[5]。

（3）泵吸入口壓力的確定：根據(jù)相關文獻[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)空中靜氣柱與沉沒段液體壓力的計算。

（4）總動壓頭（總揚程）的確定：總動壓頭（總揚程）：泵在設計排量下工作時所需要產(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（見圖1）。由式（2）可以計算出：

圖1 總動壓頭示意圖

式中：H－泵揚程，m；Hp－泵掛深度，m；hs－沉沒度，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%計算。

（5）系統(tǒng)的設備選擇：多級離心泵：泵型和總級數(shù)的確定。泵型選擇，主要根據(jù)泵的設計排量，在相應的套管直徑及電源頻率等條件下的標準工作特性曲線來選擇。泵的總級數(shù)Z 可由下述公式求得：

式中：Hj－單級揚程，可由泵型的標準工作特性曲線查得。

潛油電機：當多級離心泵的型號、揚程及所需的總級數(shù)確定以后，潛油電機所需的功率Pr（kW）為:

潛油電纜：規(guī)格和型號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（見表1）。

表1 電纜規(guī)格和型號

電纜的電壓損失可按式（5）計算：

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

變壓器：變壓器的容量必須能夠滿足電機最大負載的啟動，應根據(jù)電機的負載來確定變壓器的容量。

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5～27 ℃[7]，使用的是黑油模型，其物性指標（標況）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。關于渭北油田一些基本參數(shù)表以及構建的模型（見表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 多相流相關式確定該井是否能自噴。根據(jù)仿真結果可以看出（見圖2），流入與流出沒有交點，從而得出該井不能自噴。

圖2 單井仿真結果

2.1 選泵及優(yōu)化設計

電潛泵在確定生產(chǎn)能力（必須滿足供液的能力）以前，同時讓電潛泵的系統(tǒng)效率最高和消耗的能量最小，對下泵的深度、泵的型號、各組件的工作參數(shù)必須滿足以下條件：泵的實際排量滿足油井設計產(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)徑和進泵的氣液比不大于8%。同時，電潛泵在正式使用前需要滿足以下部分的要求：

（1）電潛泵井機組安裝質(zhì)量應符合SY/T5167.4 的技術要求；采油井口裝置和管道線的安裝正確，并且符合相應的技術標準；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輸入電壓檔調(diào)到與電潛泵井下機組相對應的電壓值以及電壓波動不大于±10%，同時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不同深度的電潛泵機型進行挑選；對不同的采油井，不同類型的電潛泵是關系電潛泵機組運行壽命的關鍵選擇。針對渭北油田每個區(qū)塊的采油井的情況各不相同，各有各的特點；針對不同電潛泵的舉升適應范圍應較為廣泛，同時為了找到適應不同采油井在不同時期和不同工作狀況（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，電潛泵設計人員根據(jù)上述情況，設計出相應的不同工況、不同類型的最佳的電潛泵類型。

（2）控制柜結構與性能應符合設計要求，控制柜距離井口應不小于10 m，在戶內(nèi)使用應有防護措施。采油井的井口應安裝接線盒，保證接線穩(wěn)定牢固，同時連接導線的截面積必須大于16 mm2。在生產(chǎn)時應該根據(jù)油嘴的尺寸、油井的生產(chǎn)能力、電潛泵的排量大小進行優(yōu)化設計，最后安裝電流卡片時，記錄筆尖應置于卡片的零位，不能出現(xiàn)位置的誤差和偏移。

（3）當電潛泵工作時，時刻關注以及注意電潛泵的使用情況和狀態(tài)；對油井產(chǎn)能結構進行優(yōu)化，做到各個狀態(tài)反饋為動態(tài)平衡；當某個系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有問題時，應該及時調(diào)整，使整個系統(tǒng)安全進行，同時減少損失；為了確保電潛泵機組的正常進行和運轉，應該對出現(xiàn)的問題有針對性、系統(tǒng)性的解決；整個電潛泵每天的運行狀態(tài)監(jiān)督、保護器的安全性、電纜的傳導性是否有效，都可以通過產(chǎn)能系統(tǒng)反饋至各部門，然后及時調(diào)整，從而延長電潛泵使用壽命[8]。

根據(jù)渭北油田的地質(zhì)情況，根據(jù)下列的設計條件（見表4），對渭北油田選擇合適的電潛泵以及所需電泵級數(shù)、所需功率。

表4 電潛泵設計條件

同時在模型中輸入泵的設計參數(shù)并選擇泵廠商為Reda，型號為Reda HN13000，可以得出標準狀態(tài)下的電泵特性曲線，由曲線可以看出泵速為60 Hz，級數(shù)為1。

由此，可以得出：隨著流量的增大，功率先增大，當達到一定的流量后，功率逐漸減小。因此，針對渭北油田的情況，在對電潛泵優(yōu)化設計時，應該先提前選擇泵的型號，明確泵的具體性能以及參數(shù)。優(yōu)化設計時所需要采油井的基礎原始資料、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（井深位置和長度、套管磨損程度及部位、地層狀況分析、井口壓力、產(chǎn)能預測）。在優(yōu)化機泵配置的基礎上對采油井的預測，這直接關系到采收率的多少。通過優(yōu)化電潛泵的機組配置及安全穩(wěn)定且經(jīng)濟效益高的工藝配套措施，實現(xiàn)潛油電泵高效運行，最后提高采油井的采收率。采油井的產(chǎn)能預測水平的高低直接影響電潛泵的優(yōu)化設計。通過特性曲線可以看出：如果電潛泵泵井的有效揚程足夠大，因此系統(tǒng)的效率和有效功率會比較高。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，應該根據(jù)實際調(diào)整有效揚程和提液量，最后獲得更高的采收率。

3 電潛泵的調(diào)產(chǎn)

通過上文對電潛泵的優(yōu)化設計，現(xiàn)在有針對性對電潛泵進行優(yōu)化，從而達到增產(chǎn)的目的。

（1）通過改變油嘴尺寸實現(xiàn)調(diào)產(chǎn)。油嘴調(diào)產(chǎn)是通過對油嘴尺寸大小進行改變從而使得油井產(chǎn)量得到了調(diào)整，其工作原理：通過改變油嘴尺寸大小來改變油壓大小，然而改變了泵出口壓力的大小，也就改變了泵的有效揚程，從而改變了泵的工作點。油嘴的尺寸大小變小，采油井的油層靜壓升高；電潛泵揚程增加，泵的工作點向泵特性曲線的左邊移動，導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，泵工作點向泵的特性曲線右邊移動，導致電潛泵的排量增大，同時產(chǎn)量增大。

（2）通過改變泵的頻率實現(xiàn)調(diào)產(chǎn)。電潛泵是一種離心泵，其工作特性參數(shù)與泵的旋轉速度有著正比例的關系，即與電潛泵電機的轉速成正比。電潛泵頻率改變時，電潛泵仍然處于最好的工作范圍內(nèi)進行工作，所以這樣對泵的承受能力、零部件的損耗和壽命影響可以忽略不計，并且電潛泵與采油井產(chǎn)能匹配得很好，適應范圍比較全面廣泛，導致調(diào)產(chǎn)方便，就不需要檢泵作業(yè)；電機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)時不需要更換大電機，產(chǎn)量減少時電機消耗的功率也隨之變小，節(jié)能效果比較明顯。

（3）通過回流來實現(xiàn)調(diào)產(chǎn)?；亓髡{(diào)產(chǎn)不建議使用這一種方法，這種方法經(jīng)濟效益不高以及成本耗費大，并且會造成油套管的腐蝕以及結垢、結蠟、結死油的現(xiàn)象，這就導致了工作量的增加和實施作業(yè)的難度?；亓髡{(diào)產(chǎn)是在油井供液量不足時常出現(xiàn)的停機，油嘴產(chǎn)量縮減無效，換泵作業(yè)成本高而無法實施變頻調(diào)產(chǎn)的情況下，為了減少停機次數(shù)以延長機組壽命而使用的一種縮產(chǎn)方法。具體的做法是：打開采油樹的油套閥門，同時通過控制閥開度讓產(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度，維持電潛泵的正常穩(wěn)定運轉。

（4）通過換泵作業(yè)來實現(xiàn)增產(chǎn)。對于供液量不足或者泵排量遠遠達不到產(chǎn)能要求，井換泵作業(yè)是一種有效且根本的解決方法。對于供液不足的井采用更換尺寸小的電潛泵，當排量達不到產(chǎn)能要求時，采油井需要使用大排量的電潛泵來解決[9]。

通過以上四種方法以及對泵的優(yōu)化設計，對于渭北油田來說，有良好的增產(chǎn)效果以及對產(chǎn)能預測有一定的措施。

4 總結

（1）本文通過PIPESIM 軟件，針對渭北油田，建立了模型以及電潛泵的優(yōu)化設計，對于產(chǎn)能的增加以及預測有一定的效果。

（2）根據(jù)電潛泵的工作原理以及優(yōu)缺點，總結了四種對渭北油田產(chǎn)能有效的方法，同時也起到了一定的預測作用。