电潜泵下入深度与油井能耗关系模拟研究

李炎波，于继飞，管虹翔，隋先富，陈欢，徐嘉

（1.中海石油（中国）有限公司开发生产部，北京 100010；2.中海油研究总院，北京 100027；3.中海油能源发展股份有限公司监督监理技术分公司，天津 300452）

电潜泵下入深度与油井能耗关系模拟研究

李炎波1，于继飞2，管虹翔2，隋先富2，陈欢2，徐嘉3

（1.中海石油（中国）有限公司开发生产部，北京 100010；2.中海油研究总院，北京 100027；3.中海油能源发展股份有限公司监督监理技术分公司，天津 300452）

节能降耗是油田开发工作中一个永恒的主题，充分利用地热和伴生气等天然能源和资源来降低电潜泵井能耗是不可忽视的方面。文中以稠油油田N、高泡点高气油比油田B和低气油比油田L为计算实例，进行泵挂深度对电潜泵井能耗影响的模拟计算分析。结果表明：稠油、高泡点高气油比、低泡点压力低气油比或高含水等几类油田的合理泵挂深度不同；电潜泵井通过优化合理泵挂深度，可以充分利用地热、溶解气等天然能源和资源，达到降低电潜泵井能耗的目的。研究结果对今后采油工艺方案设计及现场生产管理过程中如何考虑节能降耗具有一定的参考价值。

节能降耗；电潜泵；优化泵挂深度；稠油油田

海上油田一般从开发初期就采用电潜泵进行生产，油田地层压力、地热和伴生气是具有潜在利用价值的天然能量和资源。从一定角度来看，含水率、气液比和压力作为这些天然能量的表征指标，在油田的整个生产期间是不断变化的，电潜泵效率或能耗也随之而发生变化。如何在油田开发过程中利用好这些天然能量，是节能降耗的一个重要方面，在采油工艺方案设计阶段就应该认真考虑。本文在分析电潜泵能耗损失的基础上，通过实例模拟，计算并分析了海上稠油油田、高泡点压力、低泡点压力低气油比等几类油田的泵挂深度对电潜泵能耗的影响，提出了采用合理泵挂深度、充分利用天然资源降低电潜泵能耗的方法，对采油工艺方案设计以及现场生产都有一定的参考价值。

1 电潜泵井节能措施

假设电潜泵采油系统中各个环节的设备[1-2]与油井供液能力匹配良好，能耗合理，那么，一口井或一个油田的电潜泵采油能耗，就是向被抽汲流体提供的必须的基本能量，即基本的水马力，再加上流体黏度对泵效率的影响，可以表示为

式中:Pe为泵的输入功率，kW；ρm为泵输送流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Qm为泵入口处被抽汲流体的流量，m3/d；H为给被抽汲流体补充的扬程，m；F1为流体黏度对泵排量的影响系数；F2为流体黏度对泵扬程的影响系数；η为泵在某一工作点的机械效率，小数；A为流体黏度对泵效率的影响系数。

在实际生产中，某口井的产量一定时，可通过优化式（1）中的ρm，H，F1，F2，η和A值来降低电潜泵的能耗。还可根据油井的产能情况，合理准确地选配电泵机组[3]，让电泵工作在理想的工况点下，使之不偏离高效区，从而提高泵的机械效率η值，达到降低电泵能耗的目的。

由于油井产量会发生波动，电潜泵应能够根据油藏情况的变化，调节抽油量。变频控制系统[4]可以通过改变电机的转速来调节油压和产量。电潜泵井使用变频器，不仅可以实现电潜泵的软启动、软停车，延长电潜泵的寿命，同时还能使电泵机组在最佳工况下运行，大幅提高电潜泵采油系统效率，达到节能目的。

除以上措施外，还应充分利用地热[5]和溶解气等天然资源降低电潜泵的能耗，如确定合理泵挂深度。在不同的泵挂深度处，流体的温度、压力不同，溶解的天然气量也不一样，混合流体的黏度和密度就不相同。通过优化泵挂深度来降低泵消耗的功率，就是充分保存地层流体携带的天然能量——温度、压力和天然气，减少黏度、流体体积系数和游离气对泵的负面影响。

2 泵挂深度优化

在油田开发方案设计阶段，难以将式（1）中的η控制、确定在与实际生产吻合的范围内，但可通过优化，人为地控制泵挂深度降低电潜泵能耗[6-7]。对不同油田，泵挂深度对电潜泵的能耗影响机理和程度不同，需要分别对待，可通过相关软件对其进行模拟分析。

2.1 稠油油田

对于稠油油田，可以采用增大泵挂深度的方式降低能耗。由于井筒流体与外部环境（地层、海水、空气）存在热交换作用，因此，深度越大，井筒流体的温度和压力越高，溶解气也就越多，受此影响，流体黏度就会减低，对泵的功率要求也会相应降低[8]。

例1:N油田油藏埋深1 500m，2011年3月，某井由于电缆问题进行修井作业，并且电潜泵下入深度从垂深1 100m加深到1 300m，通过应用Pipesim软件分析，泵挂加深200m能够节约10 kW的电能（见图1）。实际测得电潜泵检泵前的功率为92 kW，检泵后功率为84 kW，接近计算结果[9]。

图1 N油田某井泵挂垂深对电泵总功率的影响

例2:M油田某井，在不同泵挂深度处，流体的温度、黏度以及电泵总功率变化见表1；黏度对泵扬程、排量、效率的影响见表2。

表1 M油田某井泵挂深度对电泵总功率的影响

表2 M油田某井流体黏度对泵性能参数的影响

2.2 高泡点压力油田

对于高泡点压力、高气油比的油田，采用合适的泵挂深度仍然可以降低电潜泵能耗。当井底流压小于泡点压力时，应尽可能加大泵挂深度，减少游离气的影响；当井底流压大于泡点压力时，并不是泵挂深度越深越好[10]，应选择较适宜的泵挂深度，才能充分利用流体自身能量降低电潜泵能耗。

2.2.1 井底流压小于泡点压力

这种情况下，泵挂越深，则流体中的游离气越少，持液率越高[11]，游离气对泵的负面影响越小，越能提高泵的效率；另一方面，泵挂越深，入口压力越高，溶解在原油中的天然气就越多，通过泵进入油管中的天然气也就越多，泵出口以上流体的混合密度相对于泵挂浅时要小得多，同时，大量溶解气使得整个井筒中的摩阻压降降低，减轻了泵的负荷，从而降低了泵的功率[12]。

B油田埋深1 900m，泡点压力在13MPa左右，气油比达215m3/m3，某井井底流压7MPa，产液量200 m3/d，含水率56%左右，电潜泵设置在垂深1 200m时节电显著（见图2）。

图2 B油田某井泵挂垂深对电泵总功率的影响

B油田不同泵挂深度对应的持液率和井筒摩阻压降以及电泵总功率见表3。

表3 B油田某井不同泵挂深度的生产参数

2.2.2 井底流压大于泡点压力

这种情况下，泵挂深度的设置，应该考虑使泵挂处的井底流压小于泡点压力，这样才能充分利用天然气能量[13]，降低井筒中的摩阻，减轻电泵的负荷，达到降耗目的。

同样以B油田为例，在生产初期，井口压力要求为6MPa，井底流压为16MPa，电潜泵设置在700m处时节能最显著（见图3）。

图3 B油田某井泵挂垂深对电泵总功率的影响

2.3 低泡点压力油田

低泡点压力油田与高泡点压力油田情况不同，在电潜泵出口以上的油管内，流体在流动过程中的摩擦阻力损失对电潜泵能耗有重要的影响。由于泡点压力较低，流体脱气较晚，如果泵挂深度较深，则不能充分利用天然气自身能量，降低电潜泵出口以上的摩阻[14]。所以，在考虑电潜泵沉没度和安全阀安装深度后，应尽可能将电潜泵下浅一些[15]，这样可以最大限度地降低电潜泵的能耗。

L油田单井产液量在3 000m3/d左右，溶解气油比在1m3/m3左右，饱和压力1.255MPa，地面原油黏度5.4mPa·s。以A井为例，该井于2010年10月进行修井作业，修井后电泵下深从原来的1 000m上提到830 m，电泵总功率从原来的210 kW降低至200 kW。通过计算分析得出:下泵深度每增加100m，摩阻平均增加0.06MPa，电泵耗电量增加近5 kW（见图4）。

图4 L油田某井泵挂垂深对电泵总功率的影响

3 结论

1）地热和原油伴生气是不可忽略的天然能源和资源，值得充分利用。合理选择泵型、使用变频控制系统等是实际生产中降低电潜泵能耗常用的方法。

2）对于稠油油田，泵挂深度应尽可能大一些，可以充分利用地热和溶解气降低流体黏度，降低电潜泵的能耗。

3）对于高泡点压力油田，分为2种情况:油田投产初期，井底流压可能大于泡点压力，这时应将电泵设置在流压小于泡点压力处，以充分利用流体自身能量达到降耗目的；开发中后期，井底流压小于泡点压力后，电泵应尽量下深一些。

4）对于低泡点压力油田，泵出口以上的油管内摩擦阻力损失对电潜泵能耗影响很大，在考虑电潜泵沉没度和安全阀安装深度后尽可能将泵下浅些。

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（编辑 高学民）

Simulation on relationship between ESP depth and energy consumption of oilwell

Li Yanbo1,Yu Jifei2,Guan Hongxiang2,Sui Xianfu2,Chen Huan2,Xu Jia3

(1.Developm ent and Production Depar tm ent,CNOOC(China)Co.Ltd,Beijing 100010,China; 2.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China; 3.Supervision&Surveillance Technology Com pany,Energy Resources Development Co.Ltd.,CNOOC,Tianjin 300452,China)

Energy saving isa timeless themeofoiland gas field development.Taking fulluseofnaturalenergy and resourcessuch as formation temperature and associated gas to decrease theenergy consumption ofESP is thedirection not tobe ignored.TakingN heavy oilfield,Bhighbubblepointand high gasoil ratiooilfield and L low gasoil ratiooilfield asa calculation case,thispaperanalyzesand simulates the influence ofpump setting depth on theenergy consumption of ESP.Resultsshow thatESPwells can achieve the goalof reducing energy consumption through optimazing the pump setting depth to take full use of natural energy and resources such as formation temperature and solution gas.The reasonable pump setting depth is different for the oilfieldswith heavy oil,high bubble pointand high gasoil ratio,low bubble pointand low gasoil ratio or highwater cut.This simulation resulthas certain reference value fornextoilproduction processdesignand on-siteenergy-savingand cost-reducing.

energy-saving and cost-reducing;ESP;pump setting depth optim ization;heavy oilfield

国家油气重大专项课题“海上稠油热采采油技术研究”（2011ZX05024-005）

TE355.5+4

A

2013-06-13；改回日期：2013-09-12。

李炎波，男，1966年生，高级工程师，硕士，1985年毕业于江汉石油学院采油工程专业，现从事油气田开发与开采管理工作。E-mail:liyb@cnooc.com.cn。

李炎波，于继飞，管虹翔，等.电潜泵下入深度与油井能耗关系模拟研究[J].断块油气田，2013，20（6）:799-802.

Li Yanbo，Yu Jifei，Guan Hongxiang，et al.Simulation on relationship between ESP depth and energy consumption of oil well[J].Fault-Block Oil&Gas Field，2013，20（6）:799-802.

10.6056/dkyqt201306031