張光一 杜丹陽 李令喜 劉躍忠 黃新春 楊璐

摘 要：渤?！半p高”油田占比大，常規(guī)電潛泵因高效工作區(qū)無法滿足實際生產(chǎn)中產(chǎn)液量大幅變化需要而導(dǎo)致非故障換泵，為油田帶來了作業(yè)成本增加及產(chǎn)油損失。同時，多種類電潛泵不利于油田管理及提高作業(yè)效率，為此需要減少泵型種類，開發(fā)寬幅電潛泵。本文主要對寬幅電潛泵設(shè)計開發(fā)難點進行了分析，通過采用計算機仿真設(shè)計方法，實現(xiàn)了電潛泵葉導(dǎo)輪寬幅性能優(yōu)化目的，并分別通過葉輪、整機測試及油田現(xiàn)場應(yīng)用驗證寬幅電潛泵使用效果。結(jié)果表明，通過使用軟件替代手工設(shè)計計算，可有效提高葉導(dǎo)輪開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，更適用于三維空間曲面葉片開發(fā);采用全壓緊結(jié)構(gòu)形式更有利于電潛泵高效工作區(qū)的拓寬及電潛泵的運行。本文驗證了通過優(yōu)化葉導(dǎo)輪水力性能及泵內(nèi)結(jié)構(gòu)，可有效提高電潛泵對油田復(fù)雜流體井況下生產(chǎn)的適用性，可為“雙高”油田精細挖潛，克服自然遞減、持續(xù)綠色穩(wěn)產(chǎn)提供借鑒作用。

關(guān)鍵詞：寬幅泵;葉導(dǎo)輪;高效區(qū)

0引言

渤海油田自1967年開發(fā)以來，通過管理模式與技術(shù)的不斷創(chuàng)新，已穩(wěn)固發(fā)展為我國近海最大采油基地。但當前，以高含水、高可采儲量采出程度并稱的“雙高”油田在渤海已達到19個，儲量及年產(chǎn)量占比均達到50%以上，這一數(shù)據(jù)在“十三五”末期預(yù)測將達到65%以上。特別是自2015年至2019年以來，換大泵作業(yè)井數(shù)占比逐年增加（2.48%升至20.09%）。

此類換泵主要是因為常規(guī)電潛泵高效工作區(qū)較窄（排量范圍有限），無法適應(yīng)油田實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)液大幅度變化問題。導(dǎo)致電潛泵工作在非高效區(qū)內(nèi)發(fā)生偏磨影響效率及壽命或者需要更換大泵滿足提液生產(chǎn)需要。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2015年工程技術(shù)公司在渤海投產(chǎn)電潛泵中就有59%的產(chǎn)品運行超出額定流量高效區(qū)。此類檢泵，造成了不必要的作業(yè)成本及原油產(chǎn)量損失。

同時，常規(guī)電泵型號種類較多，以50～2000m3/d排量電泵為例，單一制造廠泵型多達22多種，而各廠家間產(chǎn)品各不相同，油田管理方需要常年儲備大量庫存，既造成了庫存積壓和資金嚴重占壓，同時也降低了作業(yè)準備時效。

將葉輪型號種類減少，研制開發(fā)出高效區(qū)較寬、適用流量范圍更大的寬幅電潛泵，滿足“雙高”油田生產(chǎn)需要，避免不必要的換泵作業(yè)，成為油田降本增效重要手段和迫切需求。

1 寬幅電潛泵開發(fā)

1.1 國內(nèi)外研究進展

經(jīng)調(diào)研，前期國內(nèi)各大油田仍主要使用常規(guī)電潛泵進行生產(chǎn)，國內(nèi)并未開發(fā)寬幅電潛泵技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品。

國外方面，美國貝克休斯和斯倫貝謝公司已擁有此類寬幅潛油電泵產(chǎn)品（貝克休斯公司為FLEX系列技術(shù)，簡稱F系列;斯倫貝謝公司為RC系列），并于2014年起向中國市場逐步推廣應(yīng)用，目前寬幅技術(shù)全部為國外公司壟斷。

1.2 寬幅電潛泵設(shè)計開發(fā)

為實現(xiàn)寬幅技術(shù)國產(chǎn)化，中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司于2016年成立了項目組，開展渤?！半p高”油田高效寬幅舉升技術(shù)研究。

1.2.1 寬幅泵高效工作區(qū)范圍的確定

根據(jù)渤海油田2016年元月機采井運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計得知，產(chǎn)液量為50-1000m3/d的生產(chǎn)井占比達到89.27%，因此開發(fā)寬幅電潛泵，主要需要解決這部分生產(chǎn)井的寬幅生產(chǎn)需要。結(jié)合渤海常用生產(chǎn)管柱及現(xiàn)有電潛泵情況，寬幅泵產(chǎn)品開發(fā)確定為387系列及538系列各三種典型泵型，設(shè)計流量覆蓋50-1400m3/d。

1.2.2 寬幅泵葉導(dǎo)輪開發(fā)

寬幅性能主要通過葉導(dǎo)輪水力性能體現(xiàn)在流量、揚程和效率三方面，三者相互影響。流量--泵效率曲線為拋物線形式，高效區(qū)越寬，邊界點效率越低;流量--揚程曲線中揚程性能則是隨著流量的增大而變低（如圖1所示）。

因此，開發(fā)寬幅泵的難度在于拓寬高效區(qū)的同時，盡可能減緩效率和揚程變化。此時常規(guī)二維平面葉導(dǎo)輪水力性能很難滿足設(shè)計需要，為此，需要設(shè)計三維空間曲面葉片。

國內(nèi)傳統(tǒng)葉導(dǎo)輪設(shè)計主要依靠手工計算，設(shè)計結(jié)果需要多次開模鑄造樣件驗證，開發(fā)周期長、成本高、效率低。為解決這些問題，本次開發(fā)全程創(chuàng)新采用軟件設(shè)計方式，即通過Cfturbo進行水力模型設(shè)計，應(yīng)用UG進行零部件三維建模，使用ANSYS 實現(xiàn)模型網(wǎng)格化、計算仿真、性能測試及反設(shè)計（圖2至圖4），有效解決泵效率手工計設(shè)計無法計算問題。

結(jié)合3D打印技術(shù)，對開發(fā)的6種葉導(dǎo)輪進行了打印及快速性能測試，性能均達到或優(yōu)于產(chǎn)品設(shè)計要求。

1.2.3 寬幅泵葉導(dǎo)輪壓緊結(jié)構(gòu)選擇

由于泵高效工作區(qū)拓寬后，揚程變化范圍更大，即不同流量下葉導(dǎo)輪受到的軸向力變化增大，使得葉輪及止推墊片磨損加劇，此時需要將泵葉導(dǎo)輪的壓緊結(jié)構(gòu)由浮動改為全壓緊，使葉輪和導(dǎo)殼之間始終存在空間不發(fā)生摩擦，所有的軸向力由高承載保護器止推軸承承擔。

根據(jù)對常規(guī)全壓緊結(jié)構(gòu)電泵裝配工藝分析，優(yōu)化了葉導(dǎo)輪壓緊裝置及裝配工藝，并設(shè)計了專用工裝及工具，同時增加了軸伸調(diào)節(jié)裝置，單節(jié)全壓緊泵裝配效率提高30%以上，并提高了一次裝配成功率。

對6種典型泵型寬幅泵進行性能測試，流量可覆蓋50-1900m3/d，測試結(jié)果優(yōu)于設(shè)計指標。

測試結(jié)果顯示，寬幅電潛泵高效工作區(qū)范圍優(yōu)于常規(guī)電泵87%-275%，優(yōu)于國標4.5%-17.5%，并達到國外同期產(chǎn)品性能水平。與原有技術(shù)相比，泵型種類可減少72%。

2 寬幅電潛泵渤海油田現(xiàn)場試驗

根據(jù)油田生產(chǎn)實際需要，自2017年起寬幅電潛泵已在現(xiàn)場累計應(yīng)用50余井次，最長運行超過800d，目前產(chǎn)品運行平穩(wěn)，滿足了油田對電潛泵寬幅生產(chǎn)的需要。

以某油田生產(chǎn)井A1為例，其設(shè)計產(chǎn)液量300 m3/d，按照常規(guī)電泵選型，應(yīng)為型號為X2700型（高效區(qū)范圍262-440 m3/d），但該油井實際生產(chǎn)過程中受到平臺限液生產(chǎn)及提頻提產(chǎn)等措施影響，產(chǎn)量維持在83-458 m3/d之間，采用寬幅泵KF250型產(chǎn)品（高效區(qū)范圍覆蓋110-460 m3/d）后，避免了電泵的非高效工作區(qū)運行隱患。

3 結(jié)論

①通過設(shè)計開發(fā)三維寬幅葉導(dǎo)輪，將原有泵型種類降低了72%，并解決了電潛泵高效工作區(qū)拓寬難題，最大程度緩解了電潛泵實際生產(chǎn)中非高效區(qū)運行偏磨問題，減少了不必要的措施換泵帶來的作業(yè)和產(chǎn)油損失;②全壓緊結(jié)構(gòu)寬幅泵因?qū)⒈幂S向力由葉輪導(dǎo)殼承擔改為高承載保護器承擔，因此更有利于電泵在更寬幅的高效工作區(qū)內(nèi)運行;③采用水力開發(fā)及模擬仿真軟件，可有效提高電泵葉導(dǎo)輪設(shè)計效率，更適用于三維空間曲面葉片開發(fā)，同時可解決手工計算無法計算泵效問題;結(jié)合3D打印快速成型技術(shù)，可有效避免常規(guī)開發(fā)方式多次金屬鑄造開模驗證成本浪費及開發(fā)周期長問題;④寬幅電潛泵舉升技術(shù)已逐步獲得各用戶認可，但仍需要通過更長時間的現(xiàn)場運行驗證效果及不斷完善性能，從而全面完成三新三化推廣應(yīng)用工作。

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作者簡介：

張光一（1966- ），男，工程師，碩士，主要人工舉升相關(guān)工作，公司：中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)機械采油分公司。

基金項目：國家科技重大專項項目“渤海油田高效采油工程及配套技術(shù)示范”（2016ZX05058-003-019）資助。