潜油电泵系统优化设计试验方法研究

李 帅，周 勇，孙 健

（渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

随着油田的不断开发，油层压力也来越低，为了调高采收率，在不同的区块均不同程度采用了如注水、主蒸汽、酸化、压裂等工艺手段，使油井含水量增大，生产压差减小，这种情况下潜油电泵方式采油得到了广泛应用。潜油电泵是油田主要的采油设备，同时也成为油田区块主要的高能耗设备。对胜利油田某区块潜油电泵能耗做了汇总，该区块机采设备的能耗占总能耗35%左右。如何能更好的使用潜油电泵，使其高效运行成为焦点，节能降耗意义重大。潜油电泵井生产优化配置，是保证潜油电泵高效运行，延长工作寿命最有效的方法。现提出的潜油电泵系统优化设计试验方法，是对现场使用过程中所有影响因素进行分析，通过现场数据及试验总结出主要影响因素，对主要因素进行试验优化，并介绍如何进行优化试验的方法。

1 关键影响因素

通过对潜油电泵多年的使用数据进行汇总，结合不同区块的工况差别进行分析。下面以胜利油田某区块98 口潜油电泵井2018 年第三季度数据为模型，总结出影响潜油电泵的使用效率有以下主要因素。

（1）离心泵主要扬程跨度大，主配扬程跨度最少为340 m，最大的达到950 m；按《潜油电泵技术》的相关理论计算，98 口电泵井的离心泵平均配置扬程高出理论需求扬程达到568 m。配套了3 组不同扬程的泵进行了试验，通过试验数据可以看出，平均配泵扬程每增加100 m，电泵每天耗电量增加167 kW·h。

（2）电机功率系列单一，配套单电机43 kW、55 kW,配套双电机86 kW、110 kW；根据《潜油电泵技术》的相关理论计算，对98 口电泵井平均配套的电机功率为78 kW，实际需求电机功率为52 kW，平均电机配置功率高于实际需要功率26 kW。分别对不同额定功率的电机空载损耗进行了测试，发现电机每增加10 kW，电泵井每天耗电量增加31.2 kW·h。

（3）油层渗透性差，造成电机功率配置过大的仅2 口，占电机功率配置过大的2.9%；造成离心泵扬程配置过高的仅3 口，占离心泵扬程配置过高的5.4%。

（4）电泵系统设计无试验优化方法，设计时“泵挂深度宁深毋浅、电机功率宁大毋小”，设计标准不统一。

（5）原油物性差，造成电机功率配置过大的6 口，占电机功率配置过大的8.7%；造成离心泵扬程配置过高的4 口，占离心泵扬程配置过高的7.1%；出砂造成电机功率配置过大的3 口，占电机功率配置过大的4.3%。

根据以上因素验证分析得出，影响潜油电泵现场使用系统效率的主要因素为离心泵主要扬程跨度大，电机功率系列单一，电泵系统设计无试验优化方法。

2 正交试验设计

（1）试验目的：电泵系统参数不优化是造成电泵井百米吨液耗电量高的重要原因。希望通过正交试验，找出适合电泵工况优化的参数，达到降低电泵井百米吨液耗电量的目的。

考察指标：试验中把反映生产参数合理性的百米吨液耗电量作为考察指标，指标越小表明生产参数越合理。

（2）因素位级：影响电泵井百米吨液耗电量因子主要有泵型、排量、扬程、电机功率，其间互相影响和制约（表1）。

表1 因素位级表

正交试验数据表见表2。

表2 L9（34）正交试验表

（3）试验结果分析：①比较9 个试验的百米吨液耗电量，容易看出：第2 号试验的系百米吨液耗电量值为0.62，最小，即A2B1C1D1。其次是3 号试验，为0.78；②对于各列，第3 列的R=0.88，比其他各列的极差大，它表明对百米吨液耗电量来说，扬程是重要因素，应该采用好位级；③按照R 值的大小，对因素的大致主次顺序，以及选用的位级进行排列（因素从主到次）：扬程→排量→泵型→电机功率。

（4）试验结论：使指标百米吨液耗电量最小的条件是：扬程合理、排量在经济区、泵型适合、电机功率合理。

3 油电泵系统优化

（1）电泵系统基本模型的建立：使油井高效率稳定地生产，在生产系统设计时要充分协调各子系统的油井生产规律（表3）。

表3 系统优化基本模型

（2）电泵优化设计方法：①在已知设计产液量的条件下，根据油层的流入动态（IPR 曲线）确定井底流压并计算其压力分布和气液比，以给定的泵入口压力或泵入口气液比确定下泵深度；②以井口压力为起点，向下计算井筒压力分布，求出下泵深度处的压力，即为泵出口压力；③泵出口压力与泵入口压力之差即为泵的有效总扬程。

（3）电泵井系统设计优化软件设计：软件系统包括产能预测图、IPR 曲线图、电泵工况模拟、油井产液量、油井的IPR 曲线和电潜泵的推荐范围、软件自动生成泵的压力分布，得到电潜泵工况模拟结果和电潜泵生产系统协调图；可得出“电潜泵井优化设计结果”，根据结果对现场潜油电泵应用进行指导性配置。

4 试验优化应用

根据正交试验设计，对胜利油田本区块的10 口油井重新做了设计优化，结果见表4，设计符合率达到了90%，达到预期目标。

表4 电泵优化设计效果

5 优化应用效果

根据以上正交设计试验及潜油电泵优化设计方法，2019 年在油田的大力推动下，对胜利油田一个区块内80 口油井进行了优化配置，重新配置后节能效果明显，而且减少了离心泵应用设备费用；初步统计计算，80 口井按年工作200 天共节约电能374.4 万kW·h，节约设备费用87 万元。优化配置降低泵挂深度节约的电缆费用、油管费用150 多万元。该优化配套节能技术在油田属于领先地位，为低能耗提液提供了技术支持，随着本优化方法的推广及认可，为控制提液电量提供了技术解决思路，为采油厂精细管理、挖潜增效夯实了基础。