掺稀电泵井系统效率影响因素分析及对策研究

曹畅 甄恩龙 彭振华 张园 柏森 丁雯

甄恩龙 彭振华 张园 柏森 （中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院）

掺稀电泵井系统效率影响因素分析及对策研究

曹畅 甄恩龙 彭振华 张园 柏森 丁雯

甄恩龙 彭振华 张园 柏森 （中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院）

电泵井掺稀生产是塔河油田上产稳产的重要举升方式，尤其是稠油区产量高、掺稀量大的油井。系统效率是电泵井生产系统的重要技术指标，而塔河油田掺稀电泵井系统效率较低，能耗较高。通过常规电泵井系统效率计算方法确定了塔河掺稀电泵井的系统效率计算方法；以此为基础，现场测试并计算出51口掺稀电泵井的系统效率。分析认为：井下效率低下是掺稀电泵井系统效率低的主要原因，载荷过低是掺稀电泵井存在的主要问题。合理设计泵排量和扬程、改善井筒流体流动性，以及应用降耗配套工艺有利于提高掺稀电泵井的系统效率。

塔河油田；掺稀电泵井；系统效率；影响因素

引言

塔河油田位于塔里木盆地北缘，奥陶系油藏是油田主力产层，油藏类型以缝洞型碳酸盐岩油藏为主。经过多年发展，塔河油田抽机井形成了以有杆泵及电动潜油泵为主的人工举升方式。塔河油田电泵井主要集中于稠油区块，多为掺稀生产。原油黏度高，井筒摩擦阻力大，造成塔河油田电泵井系统效率整体较低。国内外油田针对电泵井系统分析与研究较多，一般强调电泵要匹配油藏特性，在立足于现场测试的同时，开展电泵性能优化研究[1]；通过现场实践不断地改进和提升电泵性能[2-3]，亦或增加节能降耗配套[4]，提升电泵井系统效率。以现场测试数据为基础，通过节点分析电泵井系统效率，基本上可以探索出电泵井的系统效率低下的原因和环节，进而针对性地提出对策。塔河油田稠油区的电泵井采取掺稀生产，满足了产量高和掺稀量大的需求；同时，电泵生产系统相对复杂，对掺稀电泵井系统效率测试和分析与常规电泵井有较大不同，存在部分重要参数（如动液面等）录取困难的情况。通过研究塔河油田掺稀电泵井的系统效率影响因素，针对其中的主控因素开展相关针对性措施，有利于掺稀电泵井处于相对合理的工况环境中，提高整体科学管理水平。

1 掺稀电泵井系统效率计算方法与分解

1.1计算方法

掺稀电泵井系统总效率为有效功率与输入功率之比，即

式中：ηESP——系统总效率，%；

P有——系统有效功率，kW；

P入——系统输入功率，kW。

1.1.1 有效功率

由于举升管内液体黏度大，潜油泵的排出压力较液柱产生的势能大得多，其有效功率按泵排出压力获得的压能计算，即

式中：PESPout——潜油泵排出压力，从井口油压

按多相流计算获得，MPa；

PESPin——潜油泵入口压力，从井底流压

按多相流计算获得，MPa；

QL——油井产液量，m3/d；

Q稀油——掺入的稀油量，m3/d。

1.1.2 输入功率

稠油电泵井的输入功率包括两部分：一部分为变压器提供的电能；另一部分为注入的稀油，稀油从井口套管阀注入经环空、油管鞋与稠油混合，进入举升管柱经电泵再返回至地面，根据U型管原理，注入稀油的整个过程只受摩擦力影响，其输入能耗为站上和潜油泵井口的压能差，即

式中：P入——稠油电泵井的输入功率，kW；

P电入——变压器的输入功率，用指针式三相

电能表测量，kW；

p站——稀油计量站的压力，MPa；pt——潜油泵井井口套压，MPa；Q稀油——掺入的稀油量，m3/d。

1.2分解

根据稠油井电泵电流和稀油的流线可分为电路子系统和注稀油子系统效率。沿电流的电路子系统分解效率与稀油井电泵井系统分解相同，注稀油子系统效率分解为地面系统效率和井下系统效率，即

式中：ηo——注稀油子系统效率，%；

WESPin——泵吸入口压能，kW；Wc——井口注压下的压能，kW；W站——稀油计量站的压能，kW；ηo地——注稀油地面系统效率，%；ηo井——注稀油井下系统效率，%。

1.2.1 注稀油地面系统效率

注稀油地面系统效率只需计算出稀油在计量站和井口套压下的压能。其计量站的压能为

同理，井口套压（注压）下的压能为

1.2.2 注稀油井下系统效率

在已知井口注压下的压能后，只需知道泵吸入口的压能，即

2 掺稀电泵井系统效率分析研究

2.1地面分项效率计算及分析

2.1.1 计算

地面效率包括变压器和控制柜两部分效率。通过计算51口掺稀电泵井地面分项效率，变压器效率整体较高。变压器效率为57.09%的仅1口，90%～95%有21口，95%～98%有29口，平均94.31%。控制柜效率较变压器效率高，只有1口井效率小于95%，平均97.90%。

2.1.2 影响因素分析

随着输入功率的增加，地面效率先上升后趋于定值，变压器与地面效率的变化规律一致；控制柜效率受地面输入功率影响小，一直在96%以上。

电压主要集中在1500 V以上，随着电压的增加，变压器效率基本稳定在94%～97%之间，地面效率在92%～94%之间。控制柜受电压影响小。

电流对地面效率影响小，当电流大于20 A时，地面效率基本趋于定值；当电流过大时，地面效率略有下降。

2.2井下分项效率计算及分析

井下效率包括电缆效率、电泵效率、电动机及其他效率三项。

2.2.1 电缆效率

50口电泵井电缆效率计算结果显示，电缆效率整体较高，除1口井外，电缆效率波动范围在90.43%～98.79%之间，平均效率为95.67%。由于掺稀井扬程较小，以4#电缆（100 m电阻为0.187 Ω）为主，且平均电流低（20.7 A），电缆功率降低，只有0.27～10.68 kW，平均功率3.18 kW。

2.2.2 电泵效率

泵效率主要分布在10%～40%之间，共有37口；另外，40%～50%和50%～60%分别各有5口，平均效率31.14%。

泵效远低于泵特性曲线效率，通过对比黏度修正系数和气体修正系数发现，黏度对泵效影响较大。尽管泵处温度高（76.5～103.98℃），但含水率低，入泵黏度高（平均147.4 mPa·s），黏度修正系数主要集中在0.2～0.6，平均0.578；气体修正系数主要集中在0.89～1，平均0.976。因此，泵效主要受泵特性曲线和入泵流体黏度的影响。

2.2.3 电动机及其他效率

电动机及其他效率主要分布在小于20%（12口）、20%～40%（12口）、40%～60%（12口）；另外，60%～80%和大于80%各有7口，平均效率44.35%。

2.3影响电泵井系统效率的因素

2.3.1 产液量

产液量是影响电泵井有效功率的重要因素之一。随着产液量或排量比的增加，电泵井系统效率增加。产液量+掺稀量大部分为设计排量的40%～100%，从电泵特性曲线看，正好处于泵效随产量的上升区间，导致电泵效率增加，从而电泵井系统效率增加。

2.3.2 流体物性

流体物性是影响稠油开采的重要因素，主要包括气液比、含水率等参数。随着气液比的增加，电泵井系统效率逐渐下降。这主要是气体进泵后占据一定的泵容积，使液体进泵量减小，泵效降低；同时，当入泵气液比大于7%时，泵特性将偏离单相液体的特性，致使电泵效率下降，从而导致电泵井系统效率降低。因此，电泵合理防气是提高气液比井电泵系统效率的有效措施之一。

2.3.3 含水率

测试稠油井大部分不产水，总体含水率均较小。随着含水率的增加，电泵井系统效率增加。主要是由于含水高，混合物黏度相对较低，电泵排出压力降低；同时含水增加，更接近电泵特性曲线测试的工作流体其工作状况越好。

2.3.4 稠油黏度

稠油黏度的影响因素包括温度和稀稠比。电泵井系统效率随着井口温度而增大，由于井口温度越高，井筒流体黏度越低，电泵排出压力越小，举升效果变好，电泵效率增大。因此，可以提高井口温度，增加井筒流体的流动性，从而提高电泵井效率。

电泵井系统效率随着稀稠比的增加而增大。这是由于随着稀稠比的逐渐增加，井筒流体黏度降低，电泵排出压力小，举升效果变好，电泵举升效率略有增加；但并没有出现电泵井系统效率随着稀稠比增加而增大的情况。稀稠比应控制在一定合理范围内才有效，过大的稀稠比不会增大电泵井系统效率；另外，稀稠比应与井口温度联系起来考虑，井口温度高时稀稠比小，井口温度低时稀稠比高。

3 提高掺稀电泵井系统效率对策研究

通过电泵井系统效率影响要素分析，电泵井系统效率低主要是因为井下效率低造成的，而造成井下效率低的客观原因在于井深油稠，其中的关键是电泵自身效率低、入泵流体黏度和电泵选型过大所致[5]。

1）科学合理选井选泵。碳酸盐岩油藏油井产量呈现快速递减的特点，常规产能方程偏差较大，电潜泵设计难度大，尤其是油井产量大幅下降之后泵效降低导致系统效率下降，科学合理选择泵型尤为重要。

2）完善电泵防气技术及叶轮改进。

3）推广电泵井降耗配套措施。降低电泵井系统的无用功即可提升其系统效率，目前技术成熟可靠，能够进入现场的降耗配套技术主要有自动补偿控制柜、永磁同步电动机以及变频调速技术等[15]。

4）改善入泵流体流动性。塔河油田部分油井原油黏度极高，掺稀量较大。掺稀混配不均极易导致电泵处于恶劣工况中。提升稀稠混配效果有利于降低流体入泵难度，降低摩阻，提高入泵压力。

4 结论及建议

1）掺稀井电泵系统效率测试分析表明：电泵井系统效率整体偏小，井下效率低是导致非掺稀井电泵效率低的主要因素；造成井下效率低的关键是电泵自身效率低、入泵流体黏度和电泵选型过大所致。

2）在优化电泵性能的同时，改善井筒流体流动性，包括提高掺稀混配效果、提高井口温度是目前提高电泵井系统效率的有效方法。

3）推广节能降耗配套技术是电泵井系统效率提升的可靠手段。

[1]钱钦，薛晶，郑勇，等.提高电潜泵采油系统效率的优化设计[J].石油天然气学报，2006，28（4）：134-135.

[2]沈建新，孙玉国，张新礼，等.潜油电泵提高系统效率措施及效果分析[J].科学技术与工程，2011，11（24）：5769-5772.

[3]赵春民，王则宾.潜油电泵系统的能耗分析[J].油气田地面工程，2005，24（6）：33.

[4]姚诚，金炜.胜坨油田潜油电泵井节能配套技术研究[J].石油天然气学报，2009，31（5）：400-402.

[5]秦飞，金燕林，李永寿，等.塔河稠油电泵掺稀开采系统效率测试分析评价[J].特种油气藏，2012，19（4）：145-148.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.001

2016-05-18

（编辑 李珊梅）

曹畅，工程师，2012年毕业于长江大学（油气田开发工程专业），从事采油工艺方面的研究工作，E-mail：caochang010@163.com，地址：新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市西北石油科研生产园区，830011。

国家科技重大专项示范“塔里木盆地大型碳酸盐岩油气田开发示范工程”（2011ZX05049-003）