基于C语言的螺杆泵采油系统优化研究

李瑞英，吴春梅，姜赫，董云峰，王艳芹

（大庆师范学院机电工程学院，黑龙江大庆，163712）

1 研究背景现状及意义

螺杆泵采油是目前大庆油田注水后期生产井最经济高效的人工举升方法之一，比较适合于稠油、低产和出砂油田的开发使用，近年来的应用规模不断扩大，截止2019年底，大庆油田螺杆泵井已达9000口左右。随着油田开发形势的日益严峻，以及螺杆泵的应用规模不断扩大，螺杆泵井系统设计的优化水平对生产效果的影响也在逐渐增大[1][2]。本项目开展螺杆泵井设备选型及工作参数优化设计方法研究，以大庆油田采油井为研究对象，井筒类型为直井、定向井，井深小于1200m，不考虑气体影响出砂影响[3][4]。对螺杆泵选井、选泵、杆柱选配模型进行修正和完善，建立一套科学的优化设计方法。通过适量的理论计算和现场试验，引入计算机语言进行编程，根据室内螺杆泵固定转速下的水力特性检测曲线，分析漏失、载荷特性，建立拓展计算模型，可计算给出任意转速条件下特性曲线，从而实现程序化自动寻优，对现场由井选泵或由泵选井起到很好的指导作用，大大提高生产效率和现场应用的可靠性；建立不同系列螺杆泵井用抽油杆柱的选配模版，提高杆柱设计方法的实用性和可靠性，同时使泵的工作点最大限度地趋近系统效率最高点。螺杆泵采油的优化设计不但可提高整个系统的系统效率，而且可使螺杆泵与采油井之间达到合理匹配，提高螺杆泵的使用寿命，延长油井的运转周期，减少故障的发生，有利于提高油井产能，延长油井的免修期，减少油田生产的成本，增加经济效益。采用C语言，编制螺杆泵采油系统优化软件，可实现螺杆泵井采油系统设备选型和工作参数优化设计及评价等功能。该方法是对现有的螺杆泵举升设备和配套工艺参数进行充分整合和优化配置，该项目成果的推广应用，将对于充分发挥螺杆泵工艺的整体技术优势具有重要指导意义，对于降低设计及生产成本，提高螺杆泵井系统效率，提高大庆油田高含水后期的开发效益具有重要的意义。

2 优化系统设计

通过对大庆油田螺杆泵井流入流出特性、抽油杆强度及能耗等综合研究分析，建立拓展计算模型和抽油杆柱的选配模版，引入计算机语言进行编程，进行软件开发，编制“螺杆泵井设备选型及工作参数优化软件”，确定螺杆泵井采油系统最佳设备选型和工作参数，实现其优化设计及评价等功能，实现程序化自动寻优。软件各功能模块关系流程图如图1所示。

图1 软件各功能模块关系流程图

■2.1 计算模型和力学模型的建立

通过对井下泵的合理选配技术研究，对螺杆泵选井、选泵、杆柱选配模型进行修正和完善，建立一套科学的优化设计方法，建立计算模型。选泵的内容包括：排量系列、转速范围、泵级数、工作温度等。本项研究的重点在于如何获得现场条件下的井下泵工作特性。

通过对螺杆泵井抽油杆柱合理选配技术研究，建立杆柱力学模型和生产管柱的管流特性是基础；同时考虑扭矩的强度校核和扶正器的合理布置。本项研究将通过理论计算和现场试验相结合的方法，建立螺杆泵抽油杆的力学模型。

■2.2 软件开发及结果分析

软件开发，编制螺杆泵采油系统优化软件，采用C语言编程实现，实现螺杆泵井采油系统设备选型和工作参数优化设计及评价等功能。点击“报警查询”进入动态实时报警界面，如图2。显示当前所有正在进行的过程参数报警和系统硬件故障报警，并按报警的时间顺序从最新发生的报警开始排起，报警优先级别和状态用不同的颜色区别，未经确认的报警处于闪烁状态。报警内容包括：报警时间、过程变量名、过程变量说明、过程变量的当前说明、报警设定值、过程变量的工程单位和报警优先级别。

图2 “报警查询”界面图

点击“趋势曲线”进入趋势界面，如图3。系统具有显示数据点趋势的能力，并在同一画面中同时显示多组趋势曲线，本系统采用的是“运行电流”、“输出功率”、“光杆扭矩”、“动液面”4组趋势画面，X坐标轴为时间，Y坐标轴为变量数值，趋势曲线与系统的数据保存相关。通过双击鼠标左键，出现如图3所示界面，可对时间段、颜色、量程、数据偏移等进行修改。

此外，点击“退出登陆”，即退出当前的登陆状态，此时点击“参数画面”等均无反应，如需查看画面请重新登陆。点击“退出系统”，将关闭整个显示画面。通过计算分析发现，利用该法建立的模型计算结果与实际情况温和良好，误差小，精确度高。

图3 “趋势曲线”界面图

基于以上基本设计参数，利用软件分别选用泵型为KGLB800-16和KGLB1200-14两种型号进行设计，抽油杆选择CYG8HL，计算结果如下表所示。从表中可以看出，在相同井况条件下，两种泵型的转速相差很小，但选用KGLB800-16型号的方案的泵效在70.62%，但KGLB1200-14型号泵效只有50.69%，这说明该型号泵型具有较大的漏失量。另外，选择KGLB800-16型号螺杆泵系统对应的抽油杆安全系数达到了2.21，满足了杆柱设计要求，但采用KGLB800-16型号螺杆泵的杆柱安全系数只有1.52。因此，该井况条件下的最佳泵型、杆柱分别为KGLB800-16和CYG8HL。

根据该计算结果可见，在满足产能条件下，应尽量采用小排量螺杆泵、高转速设计，这样不仅对设备进行了减型，更加重要的是减少了工作扭矩，提高了安全系数，有利于减少由于过载、疲劳导致的频繁杆柱失效检泵作业，从而使整个系统平稳高效运行。

3 项目技术实施及应用

目前高校C语言程序设计课程教学中明显存在理论和应用的脱节问题，学生学完C语言程序设计仍不会实操具体项目的设计与开发，不会用所学知识去设计并编程解决实际问题。针对多年教学过程中的一些思考和探索，基于目前的现状和学生的实际情况，本着提高学生适应社会的需求和增加就业筹码的目的，深入分析目前C语言教学中存在的实际问题，提出C语言程序设计课程改革的研究与实践，授课过程中使用该项目的子程序，这些子程序是更具体的、与专业结合更紧密的一个个生动案例来进行理论和实践一体化教学，使学生能更深刻的理解C语言程序设计在本专业具体有什么用，怎么用，让C语言程序设计的学习更加捷径化、具体化、实用化，理论更好联系实际。真正达到了培养好用实用的应用型人才的目的，符合我校应用型人才培养的定位。C语言程序设计课程从理论和实践两个方面培养学生能力。该教学模式的实施，有效促进了地方本科院校应用型课程教学质量的提高，深受广大应用型本科院校学生的欢迎，对所学知识掌握更加全面和认深入，能大规模推广使用。

表1 螺杆泵优化设计软件设计方案对比

4 结论

建立了一套科学的计算模型，对螺杆泵选配模型进行修正和完善。对螺杆泵井选井、选泵、杆柱等设备进行选型及其工作参数进行优化。计算给出任意不同转速条件下特性曲线，实现程序化自动寻优；同时建立了不同系列螺杆泵的选配模版，提高了杆柱设计方法的实用性和可靠性，提高了螺杆泵井系统效率，提高了大庆油田高含水后期的开发效益。