■计量

螺杆泵井动液面的电功率计深方法研究与应用

陈伟刚

中国石油大庆油田有限责任公司井下作业分公司（黑龙江大庆163453）

为提高螺杆泵井动液面计深的准确率，及时准确获取动液面资料，研究了电功率的动液面计深方法。通过测试不同运行参数下的电功率，可反映并推算出螺杆泵光杆扭矩变化，再推算举升压差，进而求得动液面深度。将计算得到的液面深度与回声仪测试结果对比，发现两者差值较小，可以满足动液面测试的要求。通过将两个测试结果进行相互验证，可以更容易发现测试异常问题井。该研究为螺杆泵井液面计深提供了技术支持。

螺杆泵井；动液面；功率；扭矩

大庆油田某采油厂高流压螺杆泵井共有319口（其中水驱井268口、聚驱井51口），平均流压6.58MPa，平均沉没度695.73m，平均转速83.89r/min。

通过对319口高流压井进行现场动液面核实，其中资料不符井37口，占流压核实井数的11.6%，冲洗套管后复测液面，流压达到正常水平。

当套压、油层中部深度和举升液体密度一定时，井底流压与动液面深度成正比，因此动液面测试结果不准确是导致流压不准的直接原因。而该厂螺杆泵井的动液面由井下液面测试仪通过回声测试技术获得，说明资料不符井的回声测试结果存在异常[1-2]。但目前该厂所有螺杆泵井均采用井下液面测试仪对动液面深度进行测试，缺少其他测试（计量）技术，异常资料只能在审核资料时借助其他资料考证、查错，并不能在采集时就被及时发现，这对生产中及时准确地获得动液面（流压）资料造成了一定的影响。通过研究螺杆泵井动液面电功率测试法，可以直接获得螺杆泵井动液面数据，而且通过将电功率测试法与井下液面测试仪测试结果相互验证，若测试结果较接近（根据现场经验一般取100m以内），说明井下液面测试仪资料为真实值，否则为测试异常井，应立即采取进一步复测措施。

1 螺杆泵井动液面电功率计深方法研究

螺杆泵井动液面电功率测试法是通过测试不同运行参数下的电功率（如图1，P0、P1、P2分别为转速n0、n0调整为n1后的短时间内、以转速n1生产一段时间后的有功功率），推算螺杆泵光杆扭矩变化，再推算举升压差ΔP，进而求得动液面深度。

图1 不同运行参数下的电功率随时间变化情况

正常运转情况下，抽油杆柱主要受到3种扭矩的作用：转子举升液体的有功扭矩、定子与转子间的摩擦扭矩、抽油杆柱与采出液的摩擦扭矩[3]，总的扭矩可表示为：

式中：M为光杆扭矩，N·m；Mp为转子的有功扭矩，N·m；Mf为定子与转子间的摩擦扭矩，N·m；My为抽油杆柱与采出液的摩擦扭矩，N·m。

其中：

式中：ΔP为举升压差,MPa；q为泵转排量,mL/r；k0为定子套橡胶的刚度，N·m/mm2；δ为衬套橡胶在井下因热溶胀而增加的过盈量，mm；δ0为定转子间初始过盈量，mm；f为定转子间的摩擦系数,无量纲；R为转子半径，mm；μ为液体黏度，Pa·s；n为光杆转速，r/min；Dt为油管内径，mm；d2为抽油杆外径，mm。

螺杆泵转速由n0调整为n1后的短时间内（表1），举升高度未变（即ΔP不变），则由公式（2）可知举升扭矩Mp不变，即Mp0=Mp1；由公式（3）可知定子与转子间的摩擦扭矩Mf只受定转子间过盈量、摩擦系数、转子半径等参数影响，也不变，即Mf0=Mf1；由公式（4）可知主要是杆液摩擦扭矩My发生变化，且My与转速成正比，即My0/My1=n0/n1。因此：

又由于螺杆泵井的光杆扭矩与电机有功功率存在如下关系[2]：

表1 变参前后扭矩变化情况表

式中：P为电机有功功率，kW；η为驱动装置传动效率，%；n为光杆转速，r/min。

因此，根据测试过程中所得的有功功率P0、P1，可折算出M0，M1，即：

在n0状态下，光杆扭矩

在n1状态下，光杆扭矩

由公式（5）

因此

通过以上分析，My0由公式（10）获得；Mf0根据室内模拟实验和公式（3）可得出；根据公式（6）获得表2中正常生产状态下的光杆总扭矩M0。将以上结果代入公式（1）后即可得出举升扭矩Mp0，再根据公式（2）就可推算举升压差ΔP。

由于动液面深度L0与举升压差ΔP之间存在如下关系[4-6]：

式中：L0为动液面深度,m；H为泵挂深度,m；Pt为套压,MPa；a为举升液体密度,g/cm3。

即可推算出动液面深度。

2 螺杆泵井动液面电功率计深方法应用

试验中，测量螺杆泵井工况改变前5s内P0、n0等数据；变频调参后n1=1/2n0,测量螺杆泵井工况改变后5s内P1、n1等数据。使用回声仪同步测试动液面深度，将螺杆泵井动液面电功率计深方法获得的结果与回声仪测试动液面深度对比验证12井次，如表2所示。

由表2可知，电功率法计算液面深度较回声仪同步测试动液面深度绝对误差在100m以内（能够满足现场要求），相对误差为2.5%～10.9%。首先认为采用回声仪同步测试动液面深度是准确的，而两种方法测试的误差源于电功率液面计深方法中的P0、n0、P1、n1等相关参数均应为理论上参数变化前后的瞬间值，但实际上P和n等参数是随时间在一定范围内不断波动的，直接采集一组数据计算是不科学的。为了尽可能地降低原始数据的误差，试验中采集的P和n等数据均为5s内数据的算术平均值。

单井测试情况以A井为例，该井采用120mL/r螺杆泵生产，实际转速60r/min，正常生产时光杆测试扭矩为223N·m（表2），有功功率3.361kW。首先用回声仪测试动液面深度为367m，然后调整该井转速60r/min至30r/min，测得有功功率为2.185kW（表3），应用电功率液面计深法计算得出该井正常生产状态和降参瞬间状态的总扭矩分别为214.77N·m和171.45N·m，测算的举升扭矩为85.80N·m，对应的举升压差4.49MPa，该井泵深899.7m，含水84.4%，套压为0.2MPa，通过公式（11）确定的动液面深度为390.824m（图2），与回声仪测试液面深度差值为24m（表2）。

表2 应用情况表

表3 A井测试数据表

图2 A井电参数测试图

3 结论

1）螺杆泵井动液面的电功率计深方法，通过采集变转速前后螺杆泵有功功率等参数，可以获得螺杆泵井总扭矩、有功扭矩、动液面等参数。

2）将螺杆泵井动液面电功率计深方法获得的结果与回声仪测试动液面深度对比验证12井次，误差较小，可以满足动液面测试的需要，可以更容易发现测试异常问题井。

[1]韩修廷,王秀玲,焦振强.螺杆泵采油原理及其应用[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1998:76-88．

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[3]清平,赵明凯,冯微.环状流程螺杆泵井产液量计量技术[J].油气田地面工程,2007,10(5):30-32．

[4]振华,檀朝东,吴文龙,等.螺杆泵井产液量远程计量方法研究及应用[J].中国石油和化工,2010,10(5):18-20．

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[6]洪森,赵炜,李发荣.螺杆泵应用发展14年[J].国外油田工程,2004,20(4):12-15．

In order to improve the accuracy of the dynamic liquid level depth measurement of the screw pump well and obtain the accurate data of the dynamic liquid level in time,a method of measuring the dynamic liquid level depth of screw pump well by electric power was proposed.By testing the electric power under different operating parameters,the torque of the rod of the screw pump can be calculated,then the lifting pressure difference can be calculated,and finally the dynamic liquid level depth can be calculated.The liquid level depth calculated by this method is compared with that measured by the echo tester,and it is found that the difference between them is small,which can meet the requirements of dynamic liquid level test.Through the mutual verification of two results,it is easier to find abnormal wells.

screw pump well;dynamic liquid level;power;torque

左学敏

2016-10-17

陈伟刚（1981-），男，工程师，主要从事油田作业管理工作。