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1、稠油井电泵开采技术摘要:稠油是塔河油田油藏的最大特性,目前塔河油田的机械采油工艺以有杆泵采油工艺和电动潜油离心泵采油工艺为主,其中电泵采油工艺以其深抽、大排量、管理方便等特点成为越来越为重要的机采工艺和发展方向。 该文从粘度对离心泵特性影响的研究开始,系统地提出了提出了稠油井电泵开采技术:一是提出了对电泵本身进行技术改造措施,二是研究并提出了相关配套工艺,三是对电泵深抽(3500m-4200m)提出了相应技术改进的研究。对于丰富和提高塔河油田的稠油开采工艺都有很重要的必要性。 关键词:塔河油田;稠油;电泵;本身结构;配套工艺;深抽 第1章 稠油对潜油电泵影响 1.稠油对潜油电泵影响 粘度的影响
2、主要表现为:离心泵的性能下降;潜油电机启动困难;管线粘滞阻力急剧增加。潜油电泵在开机时,启动电流是额定电流值的3-7倍。由于开机时井液较正常生产过程中时的井温要低,稠油井原油粘度相对更大,机组所需要的启动转矩相对更大。在全压起动时,由于加速度的加大,很容易造成电机轴发生扭断现象。配备电机功率时,除按校正后的离心泵性能指标和油管摩阻匹配电机外,在全压起动时,要额外增加一定的电机功率余量,避免启动不起来或者轴发生扭断现象。因此受稠油粘度的影响,较常规油井,稠油井选择潜油电泵机组的主要区别在于:(1)离心泵的性能指标,包括输送稠油时的流量、需要配备的离心泵级数。(2)潜油电机功率。 2.稠油垂直管流
3、摩擦阻力计算 根据流体力学知,石油以及与水形成的乳化液属于非牛顿流体,流动性表现为极差,如油脂、油漆、牙膏、泥浆等。剪应力和剪切变形速率之间不满足线性关系。所引起的粘滞阻力损失远远大于牛顿型流体。另外,从油层开始,贯穿于原油的采集过程之中。在离心泵的强烈搅拌作用下,形成W/O型乳状夜,粘度要比纯油的粘度高的多,并且随温度变化十分敏感。管线阻力的计算变得就更为复杂和不准确。管内的粘滞阻力损失计算一般要依据不同地区、不同油品等多种条件由室内试验获得其内在规律。 高粘度流体流动时摩擦阻力较大,研究稠油属于哪种类型的流体,其流动遵循哪种流动规律。由于粘度值受温度影响变化大,要研究油管内的垂向温度场。找
4、出粘度在井筒自下而上的变化规律,最后计算垂直管流的摩擦阻力。常规油井计算得到的油井所需泵送压头,加上稠油井增加的摩擦阻力,得到稠油井所需泵送压头,从而配备稠油井需要的离心泵级数。 地层、管线与电泵组成一个系统,由于井液粘度的影响,其管路特性曲线变的更加陡翘,使得泵在设计产量情况下所需要的扬程较高。 3.离心泵特性曲线的粘度校正 当离心泵输送粘度大于水的石油产品时,一般用输送水时的性能参数换算确定泵输送粘性流体时的性能。目前常采用前苏联国家石油机械研究设计院和美国水力学会的粘度换算图计算。根据两图各自采用的修正雷诺数,用修正雷诺数的常用对数作为自变量,把各换算系数看作雷诺数的函数,采用数理统计和
5、回归方法做了公式化处理,将换算系数拟合成与各修正雷诺数的数学表达式。 根据稠油井液粘度值,将输清水时的特性曲线换算为输稠油时的特性曲线。由于经典曲线校正法及实际应用中系数法换算的局限性,需通过做试验,根据实际试验结果,作出校正曲线,尝试找出不同粘度下的对应换算关系。输送稠油时的油井产量,根据具体粘度值,具体泵的特性曲线换算为清水时的排量。在各种规格的离心泵特性曲线上,找出一种排量为最佳工况时的离心泵,作为稠油井选定的泵的排量规格。至此,离心泵、泵型、泵级数选定。 根据离心泵校正后的功率排量(NQ)曲线,以及泵的级数,再根据机组配备电机功率时的常规经验,确定所需电机功率。或者,根据校正后的扬程排
6、量(HQ)曲线、效率排量(Q)曲线,得到校正后的扬程、排量、效率(H、Q、),然后根据公式计算所需电机功率。 粘度对离心泵性能的影响主要表现在:H-Q曲线、-Q特性曲线的下降以及N-Q特性曲线的上升。一般,当介质粘度比20度清水大10-20倍时,泵的特性曲线变化很小,粘度可以忽略不计;当介质粘度比20度清水大30-50倍时,H-Q特性曲线基本不变,但泵轴功率将增大;当介质粘度比20度清水大50倍以上时,则同一流量下的离心心泵的扬程和轴功率将发生很大的变化。因此,一般将粘度大于100mPas时,将对泵的特性曲线进行换算。 表1-1为国标制定的潜油离心泵在不同粘度下的换算系数。可以看出,普通离心泵
7、在年度达到1000mPas时, 排量及扬程已经损失一半。表现在选井选泵上,泵的额定排量选择一般要远远大于生产设计的产量要求。 具体到离心泵的特性曲线换算,我们主要是采用推荐的输送粘性液体离心泵特性曲线的换算方法。计算公式为: 第2章 电泵本身进行技术改造措施 1、采用宽流道叶导轮,加宽流道,减小液体阻力 离心泵输送粘性液体时,在叶轮流道内,切向粘滞力形成较厚的边界层,当粘度很大或叶轮流道狭窄时,这种边界层一直扩散到叶片中间,流体停止流动,形成流道堵塞现象,泵不出液。 通过对流体流动特性的分析研究,根据流体三元流动理论,设计最优叶片型线,入口角、出口角、包角、流道宽度等参数尺寸,使泵在抽吸稠油时
8、不至发生流道堵塞现象,且在满足排量Q、扬程H的情况下,其效率最高。 为使稠油能顺利地通过离心泵流道,克服叶轮受稠油切向粘滞力的影响,不至于发生流道堵塞,采取加大叶轮出口宽度,增加其过流面积,使轴向过流面积比原来增加了约65%。同时由于加宽了导叶轮流道宽度,在轴面流速不变的情况下,增加了液体的流量。宽流道导叶轮比常规导叶轮在粘性流体的方面的的性能可提高2050%。 2、减小离心泵轴径 为了使设计流量保持不变,必须保证过流面积也不发生变化,过流面积与流道宽度和液体质点的半径成正比,流道加宽,半径就要减小。过缩小轴径,减小叶轮入口的过流面积来达到要求。当然通过增加叶片数量和叶片厚度,也可减小叶轮过流
9、面积。 3、切除上盖板切除,减小出口阻力 叶轮的形式有三种,第一种是封闭式,上下盖板都有,液体受的阻力大,一般抽吸洁净的液体,泵效较高;一种是半开式,只有下盖板,另一种是开式,上下盖板都没有,液体受的阻力小,一般抽浆状液体,泵效较低。考虑到泵效问题,此处设计的宽流道叶轮,采用切除一部分叶轮上盖板的方式,以减小出口阻力。4、级高减短 在泵的排量、扬程、泵效各项指标都较理想的情况下,希望导叶轮的级高减短,一是可以缩短泵的长度,减小液体在泵内的各种损失,提高泵效,二是可以增加泵的稳定性,减少事故率,提高泵的使用寿命,三是降低泵的造价。 5、采用粉末冶金高强度叶导轮 叶导轮采用粉末冶金,耐压达45MP
10、a以上,可满足最大扬程4500米设计井深,表面粗糙度达到1.6,其泵效及精度能满足高稠油状态。 6、 叶导轮表面为高强度耐磨不沾涂层 叶导轮表面为高强度耐磨不沾涂层,不沾涂层可进一步降低粘度大的流体附着性,高强度耐磨不沾涂层保证其使用寿命,同时对防垢、抗腐蚀有较好适应性。 7、 硬质塑性轴承和双止推垫片设计 通过在离心泵中每隔一定级数安装一副内镶硬质合金的防砂导壳与硬质合金轴套,形成高硬度、高耐磨的摩擦副结构,采用双止推垫片结构,可有效地改进泵内的径向磨损和轴向磨损。同时泵上、下接头内也安装硬质合金的耐磨轴承副,达到上、下轴头的扶正,保证潜油电泵的可靠运行;另外油气分离器内的扶正部位也都采用硬质合金材料的防砂摩擦副。
