潜油电泵井排量压力自动调节装置的研制.docx
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潜油电泵井排量压力自动调节装置的研制
潜油电泵排量、压力自动调节节电装置
研究报告
胜利油田分公司技术检测中心
2XXX.6
目录
前言1
第1章概述3
1.研究目的意义3
2.国内外研究现状4
3.主要研究内容5
4.预期目标6
第2章自动调节装置的设计7
1.自动调节装置结构图7
2.工作原理8
3.自动调节装置卸压孔径的选择10
4注意事项11
第3章自动调节装置实验室试验12
1.试验过程12
2.试验结果14
3.结果分析15
第4章自动调节装置的现场试验16
1.试验目的16
2.试验过程16
3.结果分析17
第5章结论18
前言
油田投入开发以后，随着不断的开采或注水、地下液位情况始终处于变化之中，加之潜油电泵具有的大排量特点，更加剧了这种地下液位的变化。
潜油电泵在设计或优化设计时，均力图使潜油电泵的实际排量接近于额定排量，井筒实际动液面高度与回压的和略小于电泵的额定扬程，也就是说，尽可能使电泵在高效运行区工作。
但潜油电泵在油井上的实际工作过程中，由于地层产能大小的变化，导致井筒内液面有时升高有时降低，这必然使潜油电泵偏离高泵效运行区工作。
对电泵采油系统进行优化设计，就是要根据油田的油藏和开发指标预测资料进行电机和电泵参数的优选。
潜油电泵选井、选泵优化设计是潜油电泵作业施工的依据，在潜油电泵井的生产管理过程中，选井、选泵、设计占有十分重要的地位，油井和潜油电泵机组这两个子系统的协调与否，即油井的生产能力和潜油电泵机组的工作参数是否匹配，将直接影响潜油电泵井的开采效果和运行状态，而这一协调过程就是潜油电泵机组现场应用前的选井、选泵过程。
由于每口油井井况不同，就使得油井参数与电泵的工作参数的匹配计算很困难，无法找到一个统一的计算公式。
潜油电泵机组的选择与其它人工举升设备一样，涉及许多因素，生产情况随井况及井下液位的变化而变化。
收集完整正确的完井数据、油井生产时数据及油藏数据对科学合理的选择潜油电泵机组至关重要。
从整体来讲，油井参数与电泵的工作参数匹配计算是手工计算分析，在计算分析过程中涉及图表、公式较多，存在着工作量大、效率低、准确率低的弊端，尽管设计人员在选井、选泵的优化上进行了周密的考虑和深入细致的计算，但在实际运行过程中仍然有一部分井不能处于经济运行状态。
即便设计合理也因为地下渗出液变化而变化。
因此电泵机组不仅要在设计上进行周密的计算，而且还要在运行上加以控制才能保证较好的经济运行状态。
为保证潜油电泵运行在合理的范围内，针对目前在用油嘴直径不可调的缺点，我们设计出了一种能自动调节油嘴压差、排量的装置——潜油电泵排量、压力自动调节节电装置（以下简称“自动调节装置”），该装置可以根据设置需要自动控制油嘴的压力损失大小，在一定范围内自动调电泵的排量，尽可能的使潜油电泵工作在高效运行区，尽可能的使油井的生产参数与潜油电泵的实际运行参数相匹配，最终实现电泵井系统效率的提高，达到节电的目的。
第1章概述
1.研究目的意义
潜油电泵是胜利油田主要机采设备之一，其举升扬程高、采液排量大，是提液增油的主要手段，但同时也是生产中的重点能耗大户。
根据2005年的统计资料，全油田运行电泵井1321口，占机械采油系统的8.26%，但其产液量约为机械采油系统的22%，耗电量约占机械采油系统总耗电量的42.5%。
年耗电达8.7亿kW·h。
准确的了解其能耗并研究降低其能耗的方法是急待解决的；目前，传统的运行方式存在较多问题，主要表现在以下方面：
（1）资料录取不完善，对部分电泵井故障的分析判断缺少充分的资料依据，不能及时对电泵井工作参数进行调整使其在最佳工况下工作，从而制约了电泵井的运转周期。
（2）电泵井由于作业费用等的限制，不可能随着地层产能的变化随时进行检泵、换泵作业。
传统的方法是更换油嘴来进行调节。
由于这种方法调节简单，是目前最为广泛的调节手段，但同时也给电泵井带来了不同程度的油嘴节流损失，造成电能的浪费。
根据2006年8月对电泵井的测试、调查结果可知，胜利油田分公司共有1300口电泵井，其中1100多口电泵井安装了油嘴,油嘴的安装导致压力损失平均为0.61MPa，使得电泵的输入功率平均增大5.38kW，占平均输入功率（78.54kW）的6.85%，仅此一项，每天电泵井因油嘴节流损失多耗电16.41万kW·h。
如果拔掉油嘴，虽然可以去掉节流损失，但是电泵在启动时（如果油井液面较浅且井口阀门完全打开）电泵功率易过载而烧坏电机，另一方面部分油井内动液面会下降很快，甚至下降到电泵吸入口以下，出现电泵间歇断流，电机处于轻载或空载状态运行，此时，如果井口电泵控制柜的欠载保护功能正常，将自动停止电泵工作，因此会增加电泵的启、停次数，进而增加电机的故障率；如果井口电泵控制柜的欠载保护功能不正常，轻载或空载状态运行的电泵电机由于没有足够的液体流过电泵，导致电机得不到充分的冷却，使电机的温升加快且有一定幅度的提高，有可能造成电机和电缆的损坏，进而缩短电泵井的作业周期，增加作业费用。
因此，不能为节流损失而轻易的全部拔掉油嘴。
从以上几点分析可知研究一种自动调节装置，对保护电机、延长作业时间、保持电泵高效运行，进而达到节电都具有十分重要的意义。
2.国内外研究现状
目前在电泵井产液量调整方面，主要有以下两个措施。
（1）通过改变油嘴直径的大小来改变产液量。
这种油嘴的直径是固定的，不随进口工作压力、流量的变化而变化。
当油嘴压差增大、液面上升、沉没度增大时，改用大一号的油嘴；反之，如果油嘴压力变小、液面下降、沉没度变小时，则改用小一号的油嘴。
应用这种技术必须经常测试和调整，且由于油嘴直径稍有变化，油嘴的流油孔面变化较大（见表1-1），从表1-1可以看出：
把6mm油嘴更换为8mm油嘴，对应的流油孔面积增大22mm2，增大了77.68%，流油孔面积变化幅度的增大，必然导致产液量有较大幅度的变化。
因此，更换油嘴的大小只能粗略调整产液量，很难调整到设计值，给生产工人带来很多工作量。
更重要的是，安装油嘴给电泵井带来了程度不同的节流损失，固定节流口的油嘴孔径造成部分井口压力损失过大，有的节流损失达到2MPa。
油嘴的节流损失导致电泵井耗电增大，增加采油成本。
表1-1不同油嘴直径对应的面积
油嘴直径（mm）
6
8
10
12
14
16
油嘴面积（mm）
28.323
50.352
78.675
113.292
154.203
201.408
相邻规格面积差
22.032
28.3236
34.617
40.911
47.205
（2）应用变频技术调整电泵产液量。
变频技术在潜油电泵井上的应用，近几年在潜油电泵井上有一定适用，但其价格高，国产的一般在12万元以上，进口的价格更高，而且在现场使用还存有不尽人意的地方：
电泵不能在变频器的频率低于工频较多的情况下工作，当频率下降20%时，实际扬程下降36%，此时有可能因扬程下降而无法提出液体；另外变频器虽然采用U/f控制，但无法补偿由于线路原因产生的压降变化，有可能造成电机过、欠励磁而烧毁电机或电机的功率不能充分发挥。
目前，为了解决油嘴的节流损失，不少科研单位应用变频器取代油嘴来解决这一问题，但变频器的价格昂贵，运行维护费用较高，野外环境恶劣，稳定性、可靠性差，且具有一定程度的谐波污染，因此，很难大面积推广。
针对目前电泵存在的问题，对潜油电泵稳压节能技术进行研究，以解决节流损失，提高电泵井的系统效率很有必要。
3.主要研究内容
（1）自动调节装置的整体设计与研究开发；
（2）自动调节装置的实验室实验及分析
（3）自动调节装置的现场实验及分析；
（4）自动调节装置的经济效益分析。
4.预期目标
（1）设计出自动调节装置；
（2）通过安装自动调节装置使油压与回压压差在0——0.5MPa范围内任意设定，自动调节装置将根据设置的压差自动进行调节；
（3）通过安装自动调节装置使电泵井系统效率提高2个百分点以上，有功节电率在6%以上。
（4）排量调节，额定量的±10%。
第2章自动调节装置的设计
油井、电泵机组和管路三个子系统受产液量、流压的制约而相互联系。
调整油嘴直径时，在不动管柱及井下电泵系统的情况下，流压、管路特性及多级离心泵扬程都会发生变化，这将导致潜油电泵处于不同的工况点。
不同工况点下潜油电泵井系统效率不同，所以通过调整油嘴直径可以重新找出系统效率最高点。
针对目前在用油嘴直径不可调的缺点，我们设计了一种自动调节装置，该油嘴采用固定节流口与稳压卸荷孔组合结构，可随油嘴进口工作压力、流量的变化而改变流通能力，稳定控制压力损失在合理的范围内，使潜油电泵工作在高效运行区，使油井的供液能力与潜油电泵的排液能力相匹配，提高系统效率。
1.自动调节装置结构图
自动调节装置结构图见图2.1。
图2.1自动调节装置结构图
1.壳体2.阀芯3.弹簧4.防尘密封圈5.弹簧座套
6.不锈钢过滤网7.垫片8.预紧螺栓9.卸压孔
在壳体1上开有n个φD固定的流油孔,这些小孔的总面积等于油嘴的面积时，其流通能力基本接近。
小孔总面积与不同直径的油嘴面积相等时有一固定对应关系，见表2-1。
表2-1小孔总面积与油嘴面积相等时的对应表
孔数（个）
2
3
4
6
6
孔径（mm）
4.2
5
5
5
6
油嘴直径（mm）
6
8
10
12
14
2.工作原理
工作原理图如图2.2所示。
图2.2自动调节装置工作原理图
1.壳体2.阀芯3.弹簧4.防尘密封圈5.卸压孔
卸荷孔开启的条件是：
（PA－PB）SA>（Ft＋Ff）
即（PA－PB）>（Ft＋Ff）/SA
式中：
PA——A腔的工作压力（Pa）；
PB——B腔的工作压力（Pa）；
Ft——弹簧力（N）；
Ff——阀芯与壳体（含密封圈）的摩擦力（N）；
SA——阀座口面积（m2）。
以直径为10mm的普通油嘴为例说明其工作原理。
从图2.2可知，自动调节装置阀体的左端为来油端，右端为出油端。
如果满足左右两端的压力差小于设定值——0.2MPa时，阀芯2在弹簧的作用下封堵Φ20mm卸压孔，电泵提出的液体通过4个固定的直径为5mm的流油孔（4个5mm孔总面积相当于直径为10mm的普通油嘴的面积）生产原油。
当左右两端的压力差（PA－PB）大于设定值——0.2MPa时，阀芯2左端受的油压与回压的差（PA－PB）大于弹簧的支持力，阀芯左移，Φ20mm的卸压孔打开，Φ20mm卸压孔的打开，相当于增大了原10mm油嘴的直径，产油量增加，左端油压PA下降，只要左右两侧的压力差（PA－PB）大于设定值，Φ20mm的卸压孔就一直打开，且（PA－PB）的差越大Φ20mm卸压孔的开度也就越大，当开度达到最大值时，总的流油面积相当于普通直径为14mm油嘴的面积。
当液面降低，实际扬程加大时，油嘴左侧的压力减小，当（PA－PB）压力差降到小于阈值压力0.2MPa时，阀芯再次关闭Φ20mm的卸压孔。
如此往复，既减少了油嘴的节流损失，又不至于把液面抽到电泵以下而烧坏电机。
阈值压力可以根据油井的实际情况更换弹簧任意设定。
现场可以根据电泵井不同的井口压力、流量情况选用不同壳体的自动调节装置。
此自动调节装置的最大特点是当进口工作压力、流量的变化，使左右两端的压力差（PA－PB）达到设定的阈值时，卸压孔就打开，起到稳定压差的作用，此处设计的φ20、φ25的卸压孔可以满足现有所有电泵油井的流量要求。
如果要进一步改变压力损失的大小，还可以通过改变卸压孔的行程L及弹簧的规格来调节控制，达到节电的目的。
3.自动调节装置卸压孔径的选择
卸压孔径的选择是根据《新编液压工程手册》第三篇液压控制阀的规格流量曲线选取的。
图2.3为不同卸压孔径自动调节装置的流量、压差曲线
图2.3不同卸荷孔径自动调节装置卸荷孔流量压差曲线
Ⅰ—通径15mm,Ⅱ—通径20mm,Ⅲ—通径25mm
综合各油井的出油流量考虑紊流状态的局部损失，从图2.3可以看出电泵每分钟排量小于90升（日产液量≤130m3）时，选取阀座口的卸压孔径为20mm，电泵每分钟排量大于90升（日产液量≥130m3）时，选取阀座口的卸压孔径为25mm。
弹簧是根据《机械设计手册》设计的，线径φ2.5，中径φ20，弹簧刚度48N/mm,此处选取两种有效圈数，分别为8、10，以适应不同井口的油量差异，压差较大时易选取有效圈数为8圈的弹簧，进一步降低压差。
根据以上理论依据，以下是固定节流口为4－φ5，弹簧有效圈数为8，行程L为6mm，阀座口卸压孔径为20mm时的流量压差曲线。
图2.4卸压孔径为20mm时的流量压差曲线
卸压孔的开启压力约为0.27MPa，当四个固定节流口的流量达到70L/min时，卸压孔打开，从而稳定压差在0.3MPa左右。
4注意事项
1）为了保证卸压孔有效工作，阀芯和阀体磨配；
2）组装前用煤油清洗，阀体用少许润滑油润滑后再开始组装；
3）检修时检查过滤网、防尘密封圈是否破损，注意及时清理和更换。
第3章自动调节装置实验室试验
为了检验自自动调节装置的稳压性能，我们模拟电泵井场作了一套试验装置。
在实验介质的选择上，考虑目前电泵井的含水率基本上都在90%以上，所以本次试验用介质采用94%水+6%的乳化液混合液体。
模拟电泵额定压力的确定，电泵井的回压一般为0.6Mpa，而油压一般为2Mpa以下，因此选择电泵的出口额定压力为2.5Mpa即可满足模拟井场的要求。
电泵额定流量的确定，我们胜利油田电泵井的日产液量多数都小于300m3/d（即208升/分钟），因此选用流量300升/分钟的齿轮泵就可满足流量的要求。
1.试验过程
1.1实验室实验示意图
实验示意图见图3.1
1—油箱；2—入口过滤器；3—油泵；4—溢流阀；5—出口过滤器；
6—截止阀；7—模拟油压表；8—普通油嘴；9—自动调节装置；10—模拟回压表；
11—溢流阀；12—流量计；A—阀门；B—阀门
1.2试验过程
①选用10mm普通油嘴安装在示意图（图3.1）的8处，自动调节装置安装在示意图（图3.1）的9处。
A阀门控制普通油嘴的开闭，B阀门控制自动调节装置的开闭；
②溢流阀11的设定压力为0.65Mpa,当压力超过0.65pa时，溢流阀打开保持模拟油井回压压力为0.65Mpa的恒定值；
③通过调整溢流阀4的压力设置，可以根据需要使油嘴的右端压力从0.65Mpa到2Mpa任意调节，即模拟油井的油压值，本次模拟试验从0.65Mpa开始，每次增加0.1Mpa，共做9次对比测试。
④先关阀门B，开启阀门A，进行普通油嘴的压差、流量试验。
调节溢流阀4，观察模拟油压表7的读数为0.65MPa、模拟回压表10的读数为0.65Mpa、记录此时的流量；
⑤上述第④完成后，关阀门A，开启阀门B，读取自动调节装置的模拟油压、模拟回压、流量值。
并记录此时的模拟油压、模拟回压、流量；
⑥关阀门B，开启阀门A，再调节溢流阀4，使模拟油压增加0.1MPa，然后重复④和⑤，并记录模拟油压、模拟回压、流量。
模拟油压每增加0.1MPa重复上述步骤一次，直到模拟油压增大到1.45MPa为止，并记录各项参数。
见表3-1
2.试验结果
实验室实验测试结果见表3-1。
表3-1实验室实验结果
10mm固定孔径油嘴
10mm自动调节装置
流量（m3/h）
进口压力（Mpa）
出口压力（Mpa）
压差（Mpa）
流量（m3/h）
进口压力（Mpa）
出口压力（Mpa）
压差（Mpa）
2.25
0.65
0.65
0
2.30
.0.65
0.65
0
6.0
0.75
0.1
6.0
0.75
0.1
7.35
0.85
0.1
8.68
0.85
0.2
8.96
0.95
0.3
12.22
0.85
0.2
9.85
1.05
0.4
15.14
0.85
0.2
10.9
1.15
0.5
16.93
0.85
0.2
11.59
1.25
0.6
17.07
0.8.5
0.2
12.53
1.35
0.7
17.38
0.8.5
0.2
13.12
1.45
0.8
17.52
0.85
0.2
3.结果分析
（1）使用10mm普通油嘴与10mm自动调节装置在不同的模拟油压状态下对比测试可知，普通油嘴的压差从0.1MPa—0.8MPa，而自动调节装置的压差稳定在0.20MPa；
（2）使用自动调节装置后，流量增加。
第4章自动调节装置的现场试验
1.试验目的
考察自动调节装置在电泵井上使用后的油压、回压压差是否达到设定值且恒定，并验证自动调节装置与普通油嘴对比电泵井的产液量和节电效果。
2.试验过程
实验室试验达到设计指标后，我们在东辛采油14队选了3口电泵井进行现场试验，井号为辛11-167、辛11-170、辛11-49，安装的普通油嘴直径分别为10mm、8mm、10mm。
①电泵井的一翼安装普通油嘴，另一翼安装孔径相对应的自动调节装置；
②关闭安装有自动调节装置一翼的阀门，打开安装有普通油嘴一翼的阀门，也就是停止自动调节装置工作，用普通油嘴运行生产。
在此状态下稳定运行48小时后进行测试，测试的参数为：
电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、油压、回压、套压、产液量、动液面，要求电参数测试时间为30分钟，且同步进行测试，并记录测试结果；
③关闭装有普通油嘴一翼的阀门，打开电泵井装有自动调节装置一翼的阀门，也就是用自动调节装置运行生产，在此状态下稳定48小时后；进行自动调节装置的测试，测试参数同步骤②，并记录测试结果，见附表1；经过计算整理后的数据结果见表4-1
3.结果分析
从表4-1可以看出电泵井安装自动调节装置后有如下特点：
1.平均系统效率从22.81%提高到26.45%，提高了3.64个百分点；
2.油压、回压的差值平均从1.06MPa降至0.33MPa，下降了0.73MPa；
3.平均吨液百米提升高度有功耗电量从1.19kWh/100m·t降到1.03kWh/100m·t；吨液百米耗电计算节电率为13.76%；
4.平均每口井日产液量从127t/d提高到140.1t/d，提高了10.31%；
5.平均每口电泵井日节电26.6kW·h，年节电9576kW·h。
第5章结论
1.节约效果明显，根据测试计算结果和对全局电泵井的统计分析，可计算出全局1100口带油嘴的电泵井更换自动调节装置后，每年可节电量约1000万kW·h；
2.原油产量略有增加，全局每年增加液量约200万吨。
3.自动调节装置是机械式自动稳压，稳定可靠，简单易行，价格低廉，是目前减小电泵井节流损失的最有效措施之一；
4.尽管电泵井的液位受各种因素的影响总有不同程度的变化，但油嘴压差的任意设定为电泵运行时液面、液量、油嘴压差的精细控制提供了可靠保障。
5.考虑电泵井运行的安全性、可靠性、出沙、地下渗出等情况，不可随便拔掉电泵井的油嘴；
该自动调节装置的创新点在于它可随进口工作压力、流量的变化而改变流通能力，使油嘴的压力损失控制在设定值的范围内，使潜油电泵尽可能工作在高效运行区，进而提高电泵井系统效率。
井号
普通油嘴
自动调节装置
百米吨液耗电有功节电率（％）
有功功率
（kW）
油压
（MPa）
回压
（MPa）
压差（MPa）
系统效率
（%）
百米提升高度有功耗电量（kWh/100m·t）
有功功率
（kW）
油压
（MPa）
回压
（MPa）
压差（MPa）
系统效率
（%）
百米提升高度有功耗电量（kWh/100m·t）
辛11-167
88.87
1.78
0.60
1.18
20.45
1.33
88.03
1.30
0.60
0.70
23.55
1.16
13.16
辛11-170
67.62
1.69
0.60
1.09
19.35
1.41
67.38
0.60
0.60
0.00
21.97
1.24
11.91
辛11-49
67.51
1.60
0.70
0.90
29.36
0.93
65.26
1.00
0.70
0.30
34.97
0.78
16.03
合计
224.00
220.67
平均
1.69
0.63
1.06
22.81
1.19
0.97
0.63
0.33
26.45
1.03
13.76
表4-1普通油嘴与自动调节装置井场试验结果
附表1：
自动调节装置使用前后节电效果测试数据汇总表
检测单位：
测试地点：
XX采油一矿14队
井号
测试
状态
测试日期
电压（V）
电流（A）
有功
功率
（kW）
功率
因数
油压
（MPa）
回压
（MPa）
套压
（MPa）
含水
（%）
产液量
（t/d）
动液面
（m）
泵挂（m）
系统
效率
（%）
百米吨
液耗电（kWh/100m·t）
百米吨液耗电有功节电率（％）
辛11-167
自动调节装置
07.6.13
15:
30
1958.9
32.36
88.03
0.803
1.30
0.60
0.00
94.8
155.1
1075.2
1518.64
23.55
1.16
13.16
10mm油嘴
07.6.15
16:
00
2028.6
32.19
88.87
0.7867
1.78
0.60
0.00
94.8
138.9
1047.8
1518.64
20.45
1.33
辛11-49
自动调节装置
07.6.14
9:
00
1322.3
36.28
65.26
0.787
1.00
0.70
0.00
94.7
162.3
1131.3
1502.8
34.97
0.78
16.03
10mm油嘴
07.6.15
15:
30
1329.8
37.14
67.51
0.790
1.60
0.70
0.00
94.7
147.3
1072.3
1502.8
29.36
0.93
辛11-170
自动调节装置
07.6.13
16:
10
1090.0
44.47
67.38
0.803
0.60
0.60
0.00
94.9
102.9
1186.7
1399.51
21.97
1.24
11.91
8mm油嘴
07.6.13
16:
50
1088.9
44.60
67.62
0.805
1.69
0.60
0.00
94.9
94.8
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