如何评价水平井潜油电泵机组的安全性能

吴萌

【摘要】潜油电泵采油的排量大、扬程高、使用寿命较长，在二次采油、三次采油过程中发挥出一定的优势，被广泛的应用，尤其是在水平井机械采油方面。考虑到水平井中大井斜和高曲率的影响因素，要想确保潜油电泵机组安全下放到水平井中的合适位置，并能正常运行，就必须对潜油电泵机组在水平井中的通过能力进行分析，并对其工作状态和安全性能进行综合评价。

【关键词】水平井；潜油电泵机组；安全性能；建立模型

前言

石油开发是每个国家工业发展的重点，各大油田的发展目标无一不是朝着增加石油开采量、提高油田经济效益的方向努力。以前的油藏储量高，新油井钻成投产后能量巨大，通常可以自喷，随着长时间的开采，地下油藏越来越少，含水率不断增加，使得开采原油时必须借助外力才能将原油举升到地面，常用的方法有杆泵采油、水力活塞泵采油和螺杆泵采油、潜油电泵采油、气举等几种机械采油方式。相比较这些方法，潜油电泵采油的排量大、扬程高、使用寿命较长，在二次采油、三次采油过程中发挥出一定的优势，被广泛的应用。

1、潜油电泵在水平井的应用情况

当前石油资源逐年减少，推动采油技术不断发展提高，水平井技术被开发应用后，在提高油井产量和油田采收率方面发挥出一定作用。水平井的最大井斜角保持在90°左右，不仅增加了井眼在产层的长度，而且提高了产层的泄油面积。潜油电泵是一种多级离心泵，特别适合在水平井中应用，国内外学者不断分析潜油电泵在水平井内的受力，改进设计，解决油井弯曲井段内对潜油电泵机组的挤压变形问题，防止电缆部分受到挤压发生损坏，设计增加保护装置，增强潜油电泵机组的抗弯曲变形能力。不管是稠油油藏、稀油油藏、厚油藏还是低渗透油藏、薄层油藏的水平井，均可以使用潜油电泵来工作。

2、为何评价水平井潜油电泵机组的安全性能

水平井因轨迹差异可分为三种：短曲率半径、长曲率半径和中曲率半径，每一口水平井均由水平段、垂直段和弯曲井段组成。在水平井中正确安放潜油电泵取决于井底压力。当井底压力低时，应加深泵挂，将潜油电泵机组安放在水平井段或造斜段；当井底压力高时，应将潜油电泵机组安装在垂直井段。对于长曲率半径，标准电泵能顺利通过弯曲井段，但是中曲率半径和短曲率半径，电泵机组要想通过弯曲井段难度非常大。另外受到油井套管内径的限制，潜油电泵机组通过水平井较大狗腿度时容易发生弯曲变形，且容易损坏，从而影响电泵机组的正常运行。考虑到水平井中大井斜和高曲率的影响因素，要想确保潜油电泵机组安全下放到水平井中的合适位置，并能正常运行，就必须对潜油电泵机组在水平井中的通过能力进行分析，并对其工作状态和安全性能进行综合评价，并对直井用电泵机组进行改进研究。

3、正确评价水平井潜油电泵机组安全性能的方法

3.1对潜油电泵机组的力学分析

潜油电泵机组的电机、保护器、分离器及潜油电泵四大部件共同在井下工作，是机组的四个重要部分。机组通常使用二级、三级鼠笼式异步电动机来提供动力。根据油井产量、扬程、温度、井液粘度及不同规格的套管，可选用不同功率、直径的潜油电机。整个潜油电泵机组的结构细长，由于各段的截面外径有差异，基本属于细长管，用螺钉将两端与接头相连接，因此建立潜油电泵机组模型便于研究其受力情况。

3.1.1建立潜油电泵机组力学分析模型

综合考虑潜油电泵机组的结构特点，将各部件分离为不同内外径的单元，以空间粱结构来分析机组处于弯曲井段时，下方过程中所承受的重力、机械阻力和碰撞接触力、摩擦力等。建立机组弯曲井段和非线性瞬态动力学模型，分析机组所承受的载荷，包括机组在生产井段工作时套管内壁与机组的摩擦力、重力、机械阻力、套管支撑力等载荷相互作用的结果。

3.1.2评价机组弯曲井段的通过能力

根据瞬态动力学分析结果，建立机组弯曲井段通过能力评价的强度条件、刚度条件和摩阻力条件，综合分析机组在水平井弯曲井段通过能力评价，并为计算最大井眼曲率提供评价和计算的参考。

3.1.3在生产井段安装扶正器

潜油电泵机组在众多载荷作用下承受巨大压力，很容易弯曲变形，严重时导致机组损坏无法正常工作，维修费用昂贵，为了避免这些不利因素可以考虑在机组上安装扶正器，使机组部件刚度增强，满足生产需要。扶正器的安放数量和位置对机组的通过能力影响较大，应选择合适的扶正器外径，并确定最优化的安放位置，同时遵循尽量选择外径尺寸相同且小巧便于施工的扶正器，为降低生产成本，选择数量不宜多，要有利于提高机组的通过能力。

3.2对潜油电泵机组主要部件的刚度进行测试分析

潜油电泵机组部件结构由很多零件组配而成且大都属于细长壳体，在进行机组力学分析时很难确定其弯曲刚度和计算精度。为了便于通过实验方法来研究机组部件在弯曲条件下的等效刚度，计算出合理的当量内径，我们采用粱弯曲理论来分析。考虑到现场应用时的测试条件，设计将潜油电泵机组中较长部件应用简支梁或外伸梁模型进行分析，对于保护器、分离器采用与测试过的电机或潜油泵组合后进行测试分析。

3.3应用水平井安全分析软件评价潜油电泵机组的安全性能

基于ANSYS分析平台进行二次开发，有针对性的编制了“潜油电泵机组水平井安全工作分析”软件，通过综合相关分析信息，实现了对潜油电泵机组弯曲井段通过能力评价、机组通过的最大井眼曲率计算、生产井段评价和扶正器安放位置设计情况的分析，有效帮助设计者用科学计算的方法评价潜油电泵机组的安全性能，实现工程应用。

4、结语

潜油电泵机组在水平井中运行是一个复杂的工程应用问题，为了保障其安全可靠的工作，通过研究机组在生产井段的变形问题，建立各种分析模型，采用理论和软件分析相结合的方法，为潜油电泵机组在水平井的安全运行提供了可行的计算手段和正确的理论依据。

参考文献

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