电泵井实时系统效率与损耗构成计算

袁 辉，杨 柳

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江，524057） ①

电泵井实时系统效率与损耗构成计算

袁 辉，杨 柳

（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江，524057）①

随着油井数据自动采集技术的广泛实施，针对电泵井能耗问题，开发了利用实时采集的电泵井电参数、液量、井口压力、井筒测压等参数实时计算系统效率及能耗构成指标的计算模型。在油田应用20井次，基本明确了油井的系统损耗构成及油井的实时系统损耗构成，可为油田节能降耗提供实时数据支撑。

电动潜油泵；效率；实时；计算方法

近年来，电潜泵井系统模拟分析与优化决策技术［1］得到了提升，随着数字油田的建设以及油田的自动化水平的进步，以及近两年物联网技术走上舞台，油田的自动化技术得到广泛的重视。随着实时数据采集的广泛化，为实时数据的利用提供了可能，也产生了电泵井井下安全控制技术［2］和油藏动态实时监测与调控技术［3］。海洋电泵井的地面采集数据主要有嘴前压力、嘴后压力、温度、三相电压、三相电流、平均功率因数、液量等数据；而部分允许的井可能采用井下电泵伴侣（Centrilift）采集泵入口的压力、泵出口压力、出入口温度、电机温度、振动参数等数据。井下电泵伴侣有选择安装泵上泵下传感的不同，近年国内的井下实时测压、测温数据也得到了一定程度的发展。本文在海上实时采集数据的基础上，研究电泵井实时系统效率计算的模型，为实时系统效率与损耗分解计算提供技术支撑。

1 工况指标计算分析方法

1.1 数据准备

静态基础数据：泵深Hp（m）、原油相对密度γo（小数）、原油粘度μ（cp）、油管内径d（mm）、电机额定功率Pe（kW）。

实时采集数据：瞬时日产液量Q（m3／d）、油压pt（MPa）、套压pc（MPa）、三相电压U1、U2、U3（V）、三相电流I1、I2、I3（A）、平均功率因数cosφ。

定期采集数据：动液面Hd（m）或毛管测压数据

1.2 模型思路

地面电控柜节点主要采集三相电压、三相电流、功率因数，很多电参数采集硬件直接算出了有功功率和无功功率。井口节点主要采集流量Q（产液量）、油压、套压、回压等参数，应用多相流计算可以获得泵排出压力。环空压力可以通过回声仪获得动液面或者应用毛管测压获得环空泵入口的压力数据。可以采用顺序计算法，电泵采油系统能耗模型框架如图1所示。图1中，实心节点为实时参数采集节点；空心为普通节点；空心三角节点为井下伴侣采集节点；虚线方框为实时采集参数。

图1 顺序计算法程序流程

本模型中存在3个计算单元：①应用多相流向下逐级计算可以获得泵排出点压力；②应用电缆、电机的电耗模型向下逐级计算并最终获得泵的输入点参数；③应用毛管测压数据计算沉没压力，进而计算各项举升综合指标。本模型中的顺序计算分别推到了泵输入点和泵输出点的节点参数，泵本身的能耗构成没有再加以细分；同时，无电泵伴侣时的油管流动计算误差和电缆电机模型系统误差会传递到泵的损耗当中。

1.3 井筒多相流计算

混合液密度应用多相流方法［4］来计算，已知液量和含水、饱和压力、气油比，计算沿程的压力梯度、持液率等数据，迭代到泵出口压力，可以根据需要选择多相流计算模型，如定向井应用Beggs－brill方法［4］。计算时需要分别计算重力压差和摩阻压差，分别求和，获得摩阻压差和总压差，根据泵深Hp设置迭代步长ΔH和迭代次数n，迭代i＝1～n。

通常，多相流计算模型中的压降计算模型均包括摩阻压差Δp1i、重位压差Δp2i和加速压差Δp3i这3个部分［5］；多相流方法的压力梯度的计算迭代也存在摩阻压差Δp1i、重位压差Δp2i和加速压差Δp3i的计算。则可以计算出泵排出压力ppout（MPa）、全井筒的总摩阻压降p1（MPa）、油管摩阻损失功率Pit（kW）、泵输出功率Ppo（kW）等井筒流动参数。

如果采用了井下伴侣采集泵出口压力，则由泵出口压力直接得出扬程、举升高度、摩阻损失等参数。并通过多相流模型更换气液比Rs，采用气液比Rs迭代，实现压力的收敛，通过收敛条件反推出实际气液比。

沉没压力ps（MPa）是影响电泵举升的重要指标参数，对于液面测试的井，则

如果采用毛管测压，ps即为泵深处的毛管压力，如果测试深度不在泵深，则需要折算成泵深度。对于套管环空放气井，环空中的压力折算采用环空放气多相流模型进行计算［6］。

1.4 电缆部分损耗计算

地面电控柜节点输入有功功率Pwi（kW）和输入无功功率PK（kVA）为

无功功率是电缆和电机共同作用的结果，代表电缆电机系统的无功电输入量，反馈回电网后产生谐波污染，并部分被电网的其他用电设备吸收，视在功率对变压器的选择和负载分析有一定的作用。

依据美国标准电缆型号，Centrilift公司提供了每304.8m（1 000ft）电缆的电阻和电感参数［7］，除以304.8就得到每米电阻率Rwm和电感xk。对于部分只提供电缆截面积的电缆数据，可用电缆的每米电阻Rwm来计算，即

式中，ρ为铜导线电阻率；S为导体截面积。

电缆压降为

电阻系数kw是依据美国标准电缆电阻系数与温度之间关系［8］回归出的相关式，式（10）中的是摄氏温度，可以用井口、井底温度的平均值计算。

电缆消耗功率为

1.5 电机效率计算

电机输入功率Pmi和电机输入电压Umi分别为

电机部分的损耗构成计算有2种数据方法：①地面参数测试没有功率因数cosφ数据的情况，可以应用电机额定功率Pe来估算，如表1所示；②有实时功率因数cosφ的情况，应用实时功率因数来计算，如表2所示。

表1 应用电机负载率Fm计算电机效率ηm分段计算式

1.5.1 应用电机负载率Fm计算电机效率ηm

根据美国Centrilift标准电机特性曲线［9］和国内一般电泵电机的特性曲线［10］，进行统计回归分析，形成所代表的电机负载率与电机效率之间的关系给出，该方法具有一定的经验性，电机负载率定义为Fm（%），已知电机额定功率Pe，则有

1.5.2 应用实时功率因数计算电机效率（如表2）

表2 应用实时功率因数cosφ计算电机效率ηm分段计算式

则电机损耗功率ΔPm和泵的输入功率为

对于井场电网动态无功补偿技术［11］，由于补偿后功率因数提高，计算的相关指标也相应的变化，达到节能的效果。

1.6 举升指标计算

有效举升高度Hef（m）、有效功率Pef（kW）、电泵的机械效率ηp（%）、方液日耗电量Wdq（kW·h）、系统效率η（%）等指标计算式为

电潜泵效率是指电泵的机械效率，代表泵节点的能耗指标，与传统的泵效不同，泵效是指泵的实际排液量和理论排量的比值，泵效不代表泵节点的能耗指标。

2 结语

依据以上模型，可以实时获得系统效率与各个节点的损耗构成分解计算数据。应用本模型编制的软件在油田应用20井次。虽然该方法具有一定的经验性，但是能够达到实时获得电泵举升系统的能耗构成指标及动态，基本确定油井的系统损耗构成，确定油井的实时系统损耗构成状况，为油田的节能降耗提供实时的数据支撑。

［1］ 王 仪，王 波，穆丽娜，等.电潜泵井系统模拟分析与优化决策［J］.石油矿场机械，2010，39（11）：14－18.

［2］ 聂飞朋，孙宝全，李治军，等.大港油田滩海地区电泵井井下安全控制系统研制［J］.石油矿场机械，2011，40（1）：80－83.

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Calculate Method of Real Time Efficiency and Energy Offshoot of ESP

YUAN Hui，YANG Liu
（Zhanjiang Company，CNOOC Ltd.，Zhanjiang524057，China）

Along with real time attaining of data automatism of wells，aim at reduce electricity consumption，the paper establish a model used electricity parameter，flow rate，tubing pressure，pump pressure，to calculate efficiency and energy offshoot in real time.The model had been used in 20 wells and help the oilfield make clear energy offshoot of ESP wells and sustain decision－making of economizing energy.

electric submersible pump；efficiency；real time；caculation method

1001－3482（2011）12－0045－04

TE928

A

2011－06－15

袁 辉（1977－），男，湖北潜江人，工程师，硕士，主要从事采油工程计算与管理工作，E－mail：yuanhui＠cnooc.com.cn。pd（MPa）、含水率fw（小数）、气油比R5（m3／m3）。