潜油电泵井下工作状况的动态模拟

目录 目录 1 前言 2 1动态模拟技术的国内外发展 4 1.1国外研究状况 4 1.2国内研究状况 4 1.3今后发展方向 4 2潜油电泵工作原理、系统组成及国内外研究现状 6 2.1潜油电泵工作原理同 6 2. 2潜油电泵系统组成及作用⑶ 6 2.3潜油电泵国内外研究现状°〕 17 3动态模拟技术介绍与选择 23 3. 1系统模拟概述 23 3.2动态模拟系统的用途 25 3. 3计算机模拟技术简介 26 3.4各类计算机模拟方法的比较 28 3. 5 3DS MAX5.0 简介四 29 3.6动态模拟的一般过程m 31 3. 7潜油电泵动态模拟的主要制作过程 34 4潜油电泵系统动态模拟软件开发 36 4.1 Microsoft Visual Basic 6.0 简介"刃 36 4. 2潜油电泵动态模拟软件界面的制作 41 4. 3潜油电泵动态模拟软件介绍及操作说明书 46 5总结 49 参考文献 49 、f —1— 刖5 随着油田开采时间的延长，含水率的不断上升，利用电动潜油离心泵来保持或提 高油井产量已成为一种发展趋势。近几年来国内外潜油电泵发展很快。不论是潜油电 泵制造技术，机组改造，还是潜油电泵的应用技术和应用水平都有了很大的发展和提 高。在油田生产中，有相当比例的原油是靠潜油电泵生产出来的，特别是苏联，潜油 电泵井的产量已达到原油总产量的50%,这都充分说明，潜油电泵是机械采油的发 展趋势。潜油电泵是一种高效率、适合于高产、深井的机械采油设备。由于它排量大、 结构简单、管理方便，目前已成为我国海上油田的主要采油设备。 目前国内外应用比较广泛的人工升举方法有潜油电泵、有杆泵、水利活塞泵及气 举。潜油电泵与其他集中人工升举方法相比较，有其独到的特点。潜油电泵适应于产 液量比较高的油井抽油，一次性投资比较高和受下井深度限制是这种方法的缺点。这 种泵一个独特的应用就是把同一井中上部水层中排出的水转注到下部的注水层中，用 于油田注水能够有效地利用能量，提高效率。潜油电泵机组可以利用特殊电缆下入油 井中，座入预先装好地标准井筒内，以便诱导液流，当油井达到自喷时再将其起出。 这种系统地主要问题时电缆的气侵。 潜油电泵的下井深度主要是受其耐温等级的限制，下井深度越大，温度越高， 对电机和电缆的绝缘耐温等级要求越高，这样潜油电泵的下井深度就受到一定的限 制。其次潜油电泵的下井深度还将由厂家提供的电机极限功率来决定，而电机功率则 受装在小直径机壳中电机轴的限制。例如114. 3mm外径的电机下入140. mm的套管井 中，其极限功率为148kw, 127mm外径的电机下入177.8mm套管中，其极限功率为 296kwo由于电机散热条件的限制，潜油电泵不能下在油井射孔井段以下，否则必须 采用护罩导流使井液通过电机，解决电机的散热问题。 综上所述，使用潜油电泵抽油具有以下优缺点： 潜油电泵的优点： 1. 大排量采液是这种采油方法的主要优点。但是，目前潜油电泵也较多地应用于产 液较低地油井。 2. 这种泵能把油井中上部水层的水注到下部的注水层中。 3. 操作简单，管理方便，在市区应用有利于美化环境。 4. 能够较好地运用于斜井与水平井以及海上采油。 5. 容易处理腐蚀和结蜡。 6. 容易安装井下压力传感器，并通过电缆将压力信号传递到地面，以便进行压力测 量。 7. 检泵周期较长，油井生产时效相对比较高，利于原油生产。 潜油电泵的缺点： 1. 潜油电泵下入深度受电机额定功率的限制。油套管尺寸和井底高温使潜油电泵的 下入深度受到限制。大型高功率设备没有足够的环形空间冷却电机，会造成电机的损 坏。 2. 由于多级大排量高功率潜油电泵比较昂贵，使得初期投资较高，特别是电缆的费 用比较高。如果需要抗腐蚀或耐高温费用则会更高。 3. 由于整套装置都安装在井下，一旦出现故障，需要起出全部管柱进行修理，造成 作业费用增加和停产时间过长。 4. 井下高温容易使电缆出现故障，高温、腐蚀和磨损可能造成电机损坏。高汽油比 会使升举效率降低，而且会因气锁使泵发生故障。 5. 动力源仅适应于采用电源。对于没有电源的零散井，不适用此种采油方式。 为了全面掌握潜油电泵井生产时井下机组的工况、保证设备有效工作、延长检泵 周期、提高生产管理技术水平，以及判断分析故障原因、提高挖掘油井潜力，我们有 必要对潜油电泵井下的工作状况进行动态模拟。本文将介绍如何利用通用软件对潜油 电泵井下的工作状况进行动态模拟。 1动态模拟技术的国内外发展 1.1国外研究状况 动态模拟的发展较稳态模拟略迟。有关动态模拟研究成果的报道出现于70年代 初期，随着计算机的普及和计算能力的不断提高，加上近似计算方法（如有限元法、 有限差分法、有限体积法等）的发展，基于数值计算的计算流体力学（CFD）方法形 成，并得到了蓬勃的发展。初期的动态模拟软件虽然都取得了很好的效果，但由于处 理的变量少，应用范围狭窄，只能对个别具体装置进行动态研究。这一时期尚未能形 成通用化的动态模拟系统。进入80年代后，动态模拟走向了它的成熟期，众多动态 模拟软件纷纷推出，模拟软件的开发、研制走向专业化、商品化。模拟计算的准确性、 可靠性大大加强，应用范围不断拓宽，功能更加丰富，使用愈加方便。90年代是动 态模拟的深入发展期，从“离线”走向“在线”，从稳态模拟发展到动态模拟和实时 优化，从单纯的离线稳态计算发展到和工业装置紧密相连的动态模拟。这一时期，动 态模拟得到了长足的发展，新的模拟软件不断问世 1 ■ 2国内研究状况 我国动态模拟起始于20世纪60年代末，整个70年代是国内自行开发模拟软件 的大发展时期。随着计算机硬件的飞速发展，工程技术软件从限于几个公式、几百个 语句的程序发展成为具有良好界面、多种计算机语言、多功能的软件系统。至70年 代末80年代初，国内模拟软件水平已接近国外的先进水平。更深层次的模拟技术一 一先进控制和动态模拟，却起步于20世纪90年代，并且仅仅在为数不多的大型工业 装置中实现，实时优化基本上处于空白。如何赶上世界先进水平，是今后系统工程界 值得深入思考的问题。 1. 3今后发展方向 当前，我国在过程的模拟计算方面已经进行了一系列工作，并取得了令人瞩目的 成绩。但是，作为较为年轻、发展最为迅速的子学科领域，还存在着不少问题。目前 它在工业界还没有得到广泛的应用。动态模拟软件的功能应当与动态优化思路相结 合，由于研究经费短缺、研究手段相对落后，流程模拟技术与应用领域的发展受到了 一定程度的限制。从我国的现状和已有的成果看，针对我国过程工业调优和控制基础 较差的特点，在推行计算机集成过程系统中，只有应用人工智能化的优化和控制方法, 对现有工业装置、测量和控制设备进行特殊要求并降低投资成本，才有可能走出一条 低投入、高产出的路子 近几年来，国内外已进行了多方面的研究，并开发出了一些动态模拟软件。多媒 体环境下的结构动态模拟软件作为结构计算机模拟软件平台开发的方向之一，充分利 用文本、图形、图像、超文本、三维动画、音频和视频等多种媒体手段。它将科学可 视化、临场感、交互引导结合到一起来产生一种沉浸感，将对象和结果及过程生动地 展现于屏幕上，使技术人员得到结果和过程的定性与定量相结合的直观演示，大大减 轻了技术人员的行为难度。但是目前的多媒体环境下的动态模拟软件存在不少问题， 无法很好地满足实际应用的需要⑵。 随着国际市场的竞争愈演愈烈，人们正在试图通过改进企业业务过程以降低成 本，提高产品质量和缩短市场的响应时间，从而保持在竞争中的优势。因此，要在企 业内部将工作过程、人的参与以及二者间的相互作用、软件与硬件间的相互作用综合 集成起来的同时，将企业本身与其所生存的环境相结合，通过过程系统技术与管理的 综合集成来实现过程企业整个供应链的整体优化和可持续发展，充分发挥动态模拟的 优势。计算机集成制造系统（CIMS）是今后发展方向之一。 现在，模拟技术的应用已经从单一的系统走向开放复杂的大系统。围绕产品从概 念设计到终止使用的整个生命周期，再从决策者、设计师、制造商、销售商和用户等 全方位地去观察和研究产品，模拟技术已显示出它强大的生命力和发展潜力。面向 21世纪，同其他领域一样，制造领域的模拟技术的模拟规模正在不断地扩大，模拟 功能也在不断地朝智能化、可视化、集成化、并行化、分布交互化的方向发展。 2潜油电泵工作原理、系统组成及国内外研究现状 2.1潜油电泵工作原理闫 潜油电泵是由多级叶导轮串接起来的一种电动离心泵，除了其直径小长度长外， 工作原理与普通离心泵没有多大差别，原理图如图1所示。其工作原理是：当潜油电 机带动泵轴上的叶导轮高速旋转时，处于叶轮内的液体在离心力的作用下，从叶轮中 心沿叶片间的流道甩向叶轮的四周，由于液体受到叶片的作用，其压力和速度同时增 加，在导轮的进一步作用下速度能又转变成压能，同时流向下一级叶轮入口。如此逐 次地通过多级叶导轮的作用，流体压能逐次增高而在获得足以克服泵出口以后管路阻 力的能量时而流至地面，达到石油开采的目的。 图1潜油电泵工作原理图 表述潜油电泵性能的主要参数有：额定排量Q、额定扬程（压头）H、额定轴功率 P、额定效率11、额定转速n等参数。潜油电泵的额定排量和效率取决于泵型，额定扬 程决定于泵型和级数，额定轴功率由额定排量和扬程确定,额定转速取决于电机结构。 2.2潜油电泵系统组成及作用国 潜油电泵采油系统由井下和地面两大部分组成，如图2所示。 5 1一配电盘；2一变压器；3—控制柜；4一接线盒；5一采油树；6一潜油电缆；7一 测压阀/泄油阀；8—大扁护罩；9—单流阀；10—泵出口； 11—小扁护罩；12一潜油 电泵；13—气体分离器；14—保护器；15—潜油电机；16—PSI/PHD； 17一扶正器 2. 2.1井下系统组成及作用 潜油电泵井下系统主要由电机、潜油电泵、保护器、分离器、测压装置(PSI/PHD)、 动力电缆、单流阀、测压阀/泄油阀、扶正器等组成。 2.2. 1. 1潜油电机 潜油电泵电机又叫潜油电机，它是潜油电泵机组的原动机，一般位于最下端。它 是三相鼠笼异步电机，其工作原理与普通三相异步电机一样，把电能转变成机械能。 但是，它与普通电机相比，具有以下特点：机身细长，一般直径160mm以下，长度5〜 10m,有的更长，长径比达28.3-125.2；转轴为空心，便于循环冷却电机；启动转矩 大，0. 3s即可达到额定转速；转动惯量小，滑行时间一般不超过3s；绝缘等级高，绝缘材料耐高温、高压和油气水的综合作用；电机内腔充满电机油以隔绝井液和便于散 热；有专门的井液与电机油的隔离密封装置——保护器。 潜油电机结构如图3所示，它由定子、转子、止推轴承和机油循环冷却系统等部 分组成。 图3潜油电机结构示意图 1—扁电缆；2一止推轴承；3一轴；4一电缆头；5一注油阀;6—引线；7—定子; 8一转子；9一扶正轴承；10一壳体；11一润滑叶轮；12一滤网；13一放油阀 （1）定子 定子的功能是产生旋转磁场，将电能转变成磁能，主要包括定子铁芯、黄铜夹段 和定子绕组等。定子铁芯是由许多彼此绝缘的圆形硅钢片重叠而成的，铁芯内圆周上 有用来嵌入绕组导线的玉米形切槽，外圆周电机油循环的油槽。定子铁芯横截面目前 有两种形式，一种是开式结构，一种是闭式结构。 黄铜夹段是为了防止转子扶正轴承被磁化而加入的一段磁阻较大的黄铜。定子绕 组是较粗的外面包裹有耐油、气、水，耐高温高压和高绝缘强度材料的均匀铜导线， 输送励磁电流。绕组制作有两种方式，一种是工程塑料挤制，一种是薄膜绕包烧结。 定子绕组都是星形联接，星点结构一般如图4。 图4星点结构示意图 (2) 转子 转子是产生感应电流而受力转动并将电磁能转变成机械能的部分，由转子铁芯、 转子绕组、短路环、轴和键组成，如图5所示。同定子一