用电潜泵实际转速对设计的泵级数校正

冷仁春，冷冰

1.中国石油长城钻探地质研究院（辽宁盘锦124010）2.中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院（辽宁盘锦124010）

用电潜泵实际转速对设计的泵级数校正

冷仁春1，冷冰2

1.中国石油长城钻探地质研究院（辽宁盘锦124010）2.中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院（辽宁盘锦124010）

阐述了当电潜泵井电潜泵实际转速不同于试验转速时对所设计的泵级数的校正方法。该校正计算是在选定电潜泵和电机类型（进而已知电潜泵特性曲线和电机特性曲线）后进行的。首先计算机组的实际转速，再通过迭代在电机输出功率收敛并达到设定误差要求时计算泵所能产生的实际扬程。当泵所能达到的实际扬程小于所要求的扬程时，需要对所设计的泵级数进行校正，即需要增加泵级数，以满足设计产量的要求。给出了校正泵级数的实例，计算结果为泵应该增加4级。

电潜泵；试验转速；扬程；泵级数；功率迭代；校正

1 问题的提出

当油层供液能力、油井日产油量、流体物性等数据给定后，就可以计算出泵吸入口处的油、气和水混合物的总排量和需要的总扬程，进而可以确定电潜泵类型和级数。电潜泵类型确定后，其特性曲线便可以确定。选出电潜泵类型之后的设计步骤要依据所选出的泵特性曲线进行设计。该特性曲线是在假设泵固定转速下通过试验作出的（如对60 Hz电源，假设泵转速为3 500 r/min）。

电潜泵所用电机为异步感应电机，电机转速与电源频率存在一个差值（一般用转差率表示），电潜泵与电机因同轴而转速相同。电机的转速取决于电机转差率，电机转差率取决于电机负载率，而电机负载率取决于泵轴功率及所选电机额定功率。

在实际工作中，泵轴功率将随转差率的变化而变化，泵轴功率的变化会引起泵所能产生扬程的变化（根据离心泵相似原理，泵轴功率和扬程分别与泵转速的立方和平方成正比）。因此，泵实际转速下所产生的扬程Ha往往与试验转速下所计算的扬程H不同。若Ha≥H,则在试验转速下所设计的泵级数能满足设计产量的要求；若Ha＜H,则由试验转速下泵特性曲线所设计的泵级数不能满足设计产量的要求，因此需要对泵级数进行校正，即需要增加泵级数。现有国内电潜泵井设计中，没有考虑这一问题。

以下是以已计算出和设计出这些数据为基础的：泵吸入口条件下的总排量；泵型号及级数；电机型号及铭牌（额定）数据等。

2 电潜泵机组实际转速

2.1 试验转速下泵制动功率

用计算的泵吸入口处的总排量在试验转速下泵特性曲线上（图1）查得单级泵轴功率P1，计算泵制动（轴）功率[1-2]：

式中：P1为试验转速下的单机泵轴功率，kW；Pt为试验转速下的泵轴功率，kW；S为试验转速下需要的泵级数，级；γ为泵入口处混合流体的比重，无因次。

2.2 电机负载率

电机负载率可由电机特性曲线[3]（图2）及式（2）算出。

式中：L为电机负载率，%；Pa为机组实际转速下实际泵轴功率，kW；Pn为电机铭牌功率（额定功率），kW。

2.3 电机（电潜泵）实际转速

由图2，用电机负载率在所选电机的特性曲线上查得电机（电潜泵）实际转速[4]。

2.4 电潜泵机组实际转速下泵制动（轴）功率

根据离心泵相似原理，有

图1 XXYY电潜泵特性曲线（单级，f=60Hz,Nt=3500r/min）

图2 XXPP型电机特性曲线

式中：Na为机组实际转速，r/min；Nt为机组试验转速，r/min。

2.5 通过迭代求出机组实际转速

检查试验转速及实际转速下泵轴功率是否满足式（4）：

式中ε为给定的功率迭代误差，kW。

式（4）若满足，试验转速与实际转速接近；若不满足，将Pa赋给Pt，重复计算式（2）至式（4），直至式（4）成立。迭代最后的转速即为机组实际转速[5]。

3 实际转速下所能达到的扬程

3.1 试验转速下泵吸入口处的排量

将实际转速下泵吸入口处的实际流体排量再转化成试验转速下泵吸入口处的排量。由离心泵相似原理，得

式中：qt为由实际转速下的泵吸入口处流体排量转化成的试验转速下泵吸入口处流体排量（油、气、水总排量），m3/d；qa为实际转速下泵吸入口处流体排量（油、气、水总排量），m3/d。

3.2 泵在实际转速下所能产生的扬程

由离心泵相似原理，有

式中：Ha为实际转速下泵所能达到的实际扬程，m；H1为试验转速下单级泵扬程，m/级。

4 校正在试验转速下所设计的泵级数

式中：H为举升设计排量井液所需要的总扬程，m；Sa为机组实际转速下需要的泵级数，级。

将Ha与所要求的扬程H进行比较，若Ha≥H,则在试验转速下所设计的泵级数S可以满足产量的要求；若Ha＜H,则由试验转速下泵特性曲线所设计的泵级数不能满足设计产量的要求，需要对泵级数进行校正，即需要增加泵级数，此时泵实际级数应该为：

5 泵级数校正计算实例

A-1井电潜泵实际扬程计算数据见表1。计算步骤如下：

1）按常规方法计算入井动态，并在试验转速（3 500 r/min）下选泵和电机，结果归纳见表2。

2）计算试验转速下泵轴功率。由式（1），Pt= 0.24×207×0.986=51.03（kW）。

表1 电潜泵实际扬程计算已知数据表

表2 常规计算所选泵与电机结果表

3）计算电机负载率。由式（2），L=51.03/62.64× 100%=81.47%。

4）由L在电机特性曲线（图2）中查得泵（电机）实际转速，得Na=3 465 r/min。

5）计算在实际转速下泵轴功率，得Pa=51.03× (3 465/3 500)3=49.51（kW）。

6）通过迭代求出机组实际转速。|49.51-51.03|=1.52kW＞0.8kW（0.8kW为给定的误差值）。将Pa=49.51 kW代入式（2），重复步骤（3）至（6），直至功率差＜0.8 kW。经迭代，当转速为3 483 r/min时，泵轴功率为48.46 kW，相邻功率差绝对值小于0.7 kW，满足要求。从而泵实际转速为3 483 r/min，实际泵轴功率为48.46 kW。

7）应用已知泵特性曲线，将实际转速下的排量转化成试验转速下的排量。

qs=208.3×(3 500/3 483)=209.32（m3/d）。

8）计算泵实际上所能产生的扬程Ha。

由图1可查得qs=209.32 m3/d的单级扬程为6.60m/级，由式（6）得Ha=6.60×207×（3 483/3 500)2= 1 353（m）。1 376.48-1 353=23.48（m），即泵在实际转速下所能产生的扬程比所需要的扬程小23.48m。由式（7），实际上需要将泵级数增加到Sa= 207+23.48/6.60≈211（级），即实际级数应该比原设计级数多4级。

6 结论

1）电潜泵机组的实际转速往往不同于作泵特性曲线时所假设的转速（试验转速）。电潜泵机组的实际转速可通过迭代求出，其中要应用到在试验转速下所设计出的泵特性曲线和电机特性曲线。

2）机组实际转速的变化将引起泵实际扬程的变化。当实际扬程小于所要求的扬程时，应该对试验转速下所设计的泵级数进行校正，即增加二扬程差所额外要求的级数。

[1]罗英俊,万仁溥.采油技术手册(上)[M].北京：石油工业出版社,2005：218-226.

[2]戴焕栋,张钧,陈铜台,等.海上采油工程手册(下)[M].北京：石油工业出版社,2001：845-859.

[3]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.

[4]朱卫城,段铮,李海津,等.海上电潜泵生产油田产量优化方法及应用[J].科学技术与工程,2014,14(24)：208-210.

[5]Gabor Takacs.Electrical Submersible Pump Manual-Design, Operation and Maintenance[M].USA：Gulf Professional Publishing,2009：187-246.

The correction method of the design series of electric submersible pump is expounded when its actual speed is different from its test speed.The correction calculation is carried out after the types of electric submersible pump and motor are determined(known as the characteristic curves of electric submersible pump and motor).First of all,calculate the actual speed of the machine group,and then calculate the actual lift of the pump when the output power of the motor is convergent by iteration and meets the setting error requirement.When the calculated lift of the pump is less than the required lift,it is necessary to correct the design series of the pump,that is, the pump series need to be increased to meet the requirements of the design yield of oil well.

electric submersible pump;test speed;lift；pump series;iteration of power;correction

王梅

2017-04-04

冷仁春（1958-），男，高级工程师，主要从事采油工程方案编写及采油工艺研究工作。