Sop-PGP 气体处理器方案研究

郉厚伟，郝 杰，宋诗光，吴 频

（渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

潜油电泵的应用为原油的快速开采提供了非常有效的途径，实际使用过程中由于气体影响，使潜油电泵的应用受到限制。石油是一种复杂的碳氢化合物的混合物，在井下高温、高压状态下，是以油、气、水三相混合的状态存在，当地层环境压力低于泡点压力时，气体从原油中游离出来，以游离气体的方式存在。

潜油电泵运转时，吸入口处压力降低，自由气体游离出来，进入潜油电泵。由于气体和液体的密度差别，液体在叶轮离心力的作用下获得能量，进入下一级叶轮；而离心力对气体的作用很小，气体从井液中分离出来，在泵中存留，在叶轮入口处占据一定空间，直接影响进入泵的液体量。随着气体不断积累，严重时会导致气锁，使泵失效。另外，当液体流过叶轮时，压强会发生变化，引起气蚀。气蚀不仅会降低泵效，而且会使叶片受损，使泵过早失效。

目前潜油电泵气体处理方法是使用油气分离器，气体分离效果有限，可处理油气井气体最高含量为30%。当气体含量超过30%，分离器的作用会变得微乎其微，潜油电泵的应用受到限制。

1 气体处理器研究方向及目标

气体处理器（Powerlift Gas Pump，PGP）轴流式扭曲叶片设计、叶导轮轮毂变径结构设计，以及采用反向锁紧螺母技术的泵的整体压紧式结构设计；气体处理器可处理油井中最高气体体积分数（Gas Volumetric Fraction，GVF）达到70%。

2 技术研究方法及原理

应用环境决定了Sop-PGP 系列气体处理器具有类似潜油泵的外形。它的处理对象性质决定了其具体结构。与油气分离器完全相反的设计理念使它成为一种新的泵类产品。

环境变化使得井液中气体逸出。潜油泵运转时，井液压力沿着泵入口到叶轮入口而下降，在叶片入口井液压力最低。此后由于叶轮对液体做功，液体压力很快上升。当叶轮叶片入口附近压力低于泡点压力时，溶解在井液中的气体逸出，形成许多气泡，气化的区域阻碍了液体流动，限制了泵的排量。当气泡随液体流到流道内压力较高处时，由于此时压力高于泡点压力，气泡急剧凝结消失。因气泡消失产生局部真空，周围的液体就以极高的速度冲向气泡中心，瞬间产生了极大的局部冲击力，局部温度骤升，造成叶轮气蚀，并且使泵产生振动，发出噪声。

潜油泵发生气蚀时，叶轮内井液的能量交换受到干扰、破坏，表现为流量-扬程曲线、流量-功率曲线、流量-效率曲线下降。潜油泵最易发生气蚀的部位有：①第一级叶轮；②叶轮曲率最大的前盖板处，靠近叶片进口边缘的低压侧（从旋转方向看）；③导轮靠近进口边缘低压侧。

解决潜油泵气蚀产生的关键在于提高叶轮的携气能力，气体处理器的叶导轮采用轴流式设计，携气能力较好。当井液进入叶轮，没有离心力的作用，液体和气体不会分离，液体将气体包裹起来。因叶轮的轴向举升而向上运动，叶轮的轴面流线采用变径形式，由入口到出口逐渐收缩，流经的气液受到压缩。使部分游离出的气体重新溶入井液，通过导轮整流进入下一级叶轮。通过气体处理器多级叶导轮的递送，井液中的气体含量逐渐减少，进入潜油泵的井液含气量更少且压力高于泡点压力，避免了气蚀或气锁的发生。当井液通过潜油泵加压，进入油管时，在流动过程中，压力逐渐减小，当低于泡点压力时，大量气泡逸出，起到气举作用，加快井液举升。

3 参数设计

经过计算比对现有各型号叶导轮水力参数，得出若泵轴输入功率在55.125 kW（75 HP），叶导轮总体级高不超过4 m，可试验各系列泵。

泵出口压力不会超过20 MPa。因此，选用电机功率不低于55.125 kW（75 HP），泵长约为5 m，出口压力表压力承载大于20 MPa。结合实际使用的潜油电机情况，最终电机选择Y280S-2型三相异步电机，额定功率75 kW，同步转速3000 r/min，满载转速2970 r/min、电流140 A、效率91.5%、功率因数0.89。

由于转矩传感器的要求较高，选择Lebow Products Inc.生产的1604-2K 型转矩传感器。该传感器具有高精度和高过载保护能力，可以在较高过载时依然保持很好的信号输出。流量计选择Emerson 公司生产的DS300 型Micro Motion 流量计，该流量计能够为几乎任何过程流体提供高精度的流量和密度测量，流体中可含有各种杂质。同一台流量计能为液体、气体和浆液提供直接的质量和体积流量测量，无需重新标定。其他设备结构参数选择按相应要求选择。

4 功率、扬程、排量测量的实现

由于泵的抽吸作用，介质由水箱流出，经供水管线、吸入口、注气室、泵、高压阀及回水管线返回水箱。压力表安装于吸入口及高压阀接箍处，通过压力转换可以得到扬程。安装于供水管线上流量计读数为供水量，供气管线上的流量计读数为供气量，测量相应位置温度及压力，经换算得到排量。电机与止推室之间的转矩传感器可以测量转矩及转速，通过转矩可以得到相应转速下的功率。使用数据传输线连接各仪表及传感器与数据采集卡，数据采集卡连接电脑。编写相应测试程序，实现计算机直接测量参数。

5 技术创新点

（1）PGP 的叶导轮叶片采用轴流式扭曲结构，携气能力较强。叶轮轮毂柱面采用变径形式，使入口过流面积远大于出口过流面积，使井液中的游离气体受到压缩，气泡体积减小或溶入液体中。经多级叶导轮的作用，井液进入潜油泵后，潜油泵发生气锁、气蚀的可能性大大减小。

（2）PGP 采用整体压紧式结构，采用反向旋转锁紧螺母及半环，对叶轮及轴进行锁紧固定，确保运转时，叶轮、导轮间无磨损，延长使用寿命。

6 Sop-PGP 气体处理器测试

利用潜油电泵水平测试系统对一台样机进行测试，得到PGP 水介质下性能曲线和PGP 处理气体能力曲线。根据PGP 水介质下性能曲线，可以发现PGP 的水力性能已完全达到预期指标；根据PGP 处理气体能力曲线，可以发现PGP 的气体处理能力也已达到预期指标。考虑到实际应用时，PGP 入口压力要大于试验时入口压力，PGP 在实际应用时处理气体的效果会更好。

7 推广应用前景

Sop-PGP 气体处理器可以有效减少气体对潜油泵性能的影响，有效避免潜油泵发生气锁或气蚀，保证泵高效运行，延长泵的寿命，提高采油量，增加收益。气体处理器的应用扩大了潜油电泵的应用范围，以前因含气量高而无法应用潜油电泵进行开采的油井，应用气体处理器后，使潜油电泵采油变为可能。气体处理器丰富公司产品种类，提高公司市场竞争力。

目前，印尼已有10 口井有意向使用气体处理器，印尼高含气井数量很大，气体处理器在印尼有广阔市场。在国内，冀东油田和新疆油田都有高含气井，冀东南堡油田已应用近千套。高含气井因气体对采油机械影响很大，致使采油量有限，甚至无法开采。Sop-PGP 系列气体处理器的应用，使得潜油电泵大规模开采高含气井成为可能。