宽幅电潜泵技术开发及渤海油田应用

张光一 杜丹阳 李令喜 刘跃忠 黄新春 杨璐

摘 要：渤海“双高”油田占比大，常规电潜泵因高效工作区无法满足实际生产中产液量大幅变化需要而导致非故障换泵，为油田带来了作业成本增加及产油损失。同时，多种类电潜泵不利于油田管理及提高作业效率，为此需要减少泵型种类，开发宽幅电潜泵。本文主要对宽幅电潜泵设计开发难点进行了分析，通过采用计算机仿真设计方法，实现了电潜泵叶导轮宽幅性能优化目的，并分别通过叶轮、整机测试及油田现场应用验证宽幅电潜泵使用效果。结果表明，通过使用软件替代手工设计计算，可有效提高叶导轮开发效率，缩短开发周期，更适用于三维空间曲面叶片开发;采用全压紧结构形式更有利于电潜泵高效工作区的拓宽及电潜泵的运行。本文验证了通过优化叶导轮水力性能及泵内结构，可有效提高电潜泵对油田复杂流体井况下生产的适用性，可为“双高”油田精细挖潜，克服自然递减、持续绿色稳产提供借鉴作用。

关键词：宽幅泵;叶导轮;高效区

0引言

渤海油田自1967年开发以来，通过管理模式与技术的不断创新，已稳固发展为我国近海最大采油基地。但当前，以高含水、高可采储量采出程度并称的“双高”油田在渤海已达到19个，储量及年产量占比均达到50%以上，这一数据在“十三五”末期预测将达到65%以上。特别是自2015年至2019年以来，换大泵作业井数占比逐年增加（2.48%升至20.09%）。

此类换泵主要是因为常规电潜泵高效工作区较窄（排量范围有限），无法适应油田实际生产过程中产液大幅度变化问题。导致电潜泵工作在非高效区内发生偏磨影响效率及寿命或者需要更换大泵满足提液生产需要。据不完全统计，仅2015年工程技术公司在渤海投产电潜泵中就有59%的产品运行超出额定流量高效区。此类检泵，造成了不必要的作业成本及原油产量损失。

同时，常规电泵型号种类较多，以50～2000m3/d排量电泵为例，单一制造厂泵型多达22多种，而各厂家间产品各不相同，油田管理方需要常年储备大量库存，既造成了库存积压和资金严重占压，同时也降低了作业准备时效。

将叶轮型号种类减少，研制开发出高效区较宽、适用流量范围更大的宽幅电潜泵，满足“双高”油田生产需要，避免不必要的换泵作业，成为油田降本增效重要手段和迫切需求。

1 宽幅电潜泵开发

1.1 国内外研究进展

经调研，前期国内各大油田仍主要使用常规电潜泵进行生产，国内并未开发宽幅电潜泵技术及相关产品。

国外方面，美国贝克休斯和斯伦贝谢公司已拥有此类宽幅潜油电泵产品（贝克休斯公司为FLEX系列技术，简称F系列;斯伦贝谢公司为RC系列），并于2014年起向中国市场逐步推广应用，目前宽幅技术全部为国外公司垄断。

1.2 宽幅电潜泵设计开发

为实现宽幅技术国产化，中海油能源发展工程技术公司于2016年成立了项目组，开展渤海“双高”油田高效宽幅举升技术研究。

1.2.1 宽幅泵高效工作区范围的确定

根据渤海油田2016年元月机采井运行数据统计得知，产液量为50-1000m3/d的生产井占比达到89.27%，因此开发宽幅电潜泵，主要需要解决这部分生产井的宽幅生产需要。结合渤海常用生产管柱及现有电潜泵情况，宽幅泵产品开发确定为387系列及538系列各三种典型泵型，设计流量覆盖50-1400m3/d。

1.2.2 宽幅泵叶导轮开发

宽幅性能主要通过叶导轮水力性能体现在流量、扬程和效率三方面，三者相互影响。流量--泵效率曲线为抛物线形式，高效区越宽，边界点效率越低;流量--扬程曲线中扬程性能则是随着流量的增大而变低（如图1所示）。

因此，开发宽幅泵的难度在于拓宽高效区的同时，尽可能减缓效率和扬程变化。此时常规二维平面叶导轮水力性能很难满足设计需要，为此，需要设计三维空间曲面叶片。

国内传统叶导轮设计主要依靠手工计算，设计结果需要多次开模铸造样件验证，开发周期长、成本高、效率低。为解决这些问题，本次开发全程创新采用软件设计方式，即通过Cfturbo进行水力模型设计，应用UG进行零部件三维建模，使用ANSYS 实现模型网格化、计算仿真、性能测试及反设计（图2至图4），有效解决泵效率手工计设计无法计算问题。

结合3D打印技术，对开发的6种叶导轮进行了打印及快速性能测试，性能均达到或优于产品设计要求。

1.2.3 宽幅泵叶导轮压紧结构選择

由于泵高效工作区拓宽后，扬程变化范围更大，即不同流量下叶导轮受到的轴向力变化增大，使得叶轮及止推垫片磨损加剧，此时需要将泵叶导轮的压紧结构由浮动改为全压紧，使叶轮和导壳之间始终存在空间不发生摩擦，所有的轴向力由高承载保护器止推轴承承担。

根据对常规全压紧结构电泵装配工艺分析，优化了叶导轮压紧装置及装配工艺，并设计了专用工装及工具，同时增加了轴伸调节装置，单节全压紧泵装配效率提高30%以上，并提高了一次装配成功率。

对6种典型泵型宽幅泵进行性能测试，流量可覆盖50-1900m3/d，测试结果优于设计指标。

测试结果显示，宽幅电潜泵高效工作区范围优于常规电泵87%-275%，优于国标4.5%-17.5%，并达到国外同期产品性能水平。与原有技术相比，泵型种类可减少72%。

2 宽幅电潜泵渤海油田现场试验

根据油田生产实际需要，自2017年起宽幅电潜泵已在现场累计应用50余井次，最长运行超过800d，目前产品运行平稳，满足了油田对电潜泵宽幅生产的需要。

以某油田生产井A1为例，其设计产液量300 m3/d，按照常规电泵选型，应为型号为X2700型（高效区范围262-440 m3/d），但该油井实际生产过程中受到平台限液生产及提频提产等措施影响，产量维持在83-458 m3/d之间，采用宽幅泵KF250型产品（高效区范围覆盖110-460 m3/d）后，避免了电泵的非高效工作区运行隐患。

3 结论

①通过设计开发三维宽幅叶导轮，将原有泵型种类降低了72%，并解决了电潜泵高效工作区拓宽难题，最大程度缓解了电潜泵实际生产中非高效区运行偏磨问题，减少了不必要的措施换泵带来的作业和产油损失;②全压紧结构宽幅泵因将泵轴向力由叶轮导壳承担改为高承载保护器承担，因此更有利于电泵在更宽幅的高效工作区内运行;③采用水力开发及模拟仿真软件，可有效提高电泵叶导轮设计效率，更适用于三维空间曲面叶片开发，同时可解决手工计算无法计算泵效问题;结合3D打印快速成型技术，可有效避免常规开发方式多次金属铸造开模验证成本浪费及开发周期长问题;④宽幅电潜泵举升技术已逐步获得各用户认可，但仍需要通过更长时间的现场运行验证效果及不断完善性能，从而全面完成三新三化推广应用工作。

参考文献：

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作者简介：

张光一（1966- ），男，工程师，硕士，主要人工举升相关工作，公司：中海油能源发展股份有限公司工程技术机械采油分公司。

基金项目：国家科技重大专项项目“渤海油田高效采油工程及配套技术示范”（2016ZX05058-003-019）资助。