螺桿泵的選型標(biāo)準(zhǔn)

1、螺桿泵的選型標(biāo)準(zhǔn)摘要螺桿泵的選型很大程度上依靠現(xiàn)場工作人員的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)。因此， 通過解析法試算來為大量的油井選擇螺桿泵是一個消耗精力而乂低效的工作。本文試圖通過結(jié)合綜合計(jì)算與的螺桿泵選型標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)計(jì)學(xué)分類方法來解決螺 桿泵的選型問題。這種方法需要大量關(guān)丁完井，流體性質(zhì)以及現(xiàn)場操作條件等信息來預(yù)測現(xiàn)場 每一口井壓力上升的要求及入口處氣體體積分?jǐn)?shù)。 兩種方法可以用來識別標(biāo)準(zhǔn)化 泵的型號：頻率匹配和 K K -均值算法。這種某口井的標(biāo)準(zhǔn)型號被看作是一個等效 的泵，這意味著任何一個標(biāo)準(zhǔn)化型號的等價計(jì)算結(jié)果都可應(yīng)用丁同一種井況。這一方法也可以用來找出一種特定的可以用丁多種不同井況的螺桿泵。本文給出了一

2、個標(biāo)準(zhǔn)化選擇方法的實(shí)際案例， 這是一個標(biāo)準(zhǔn)化選擇方法應(yīng)用 丁為未來稠油油田采購 592592 臺井用螺桿泵的案例。該方法的第一步是提出建立為油田識別泵標(biāo)準(zhǔn)化的分析過程。為了完整性考慮,合成橡膠的選擇應(yīng)該被考慮在內(nèi)，但是，由丁缺乏預(yù)測模型中合成橡膠的膨 脹,熱膨脹和流體的化學(xué)反響規(guī)律它被忽略了。簡介早期油經(jīng)營者的慣例是：為每口井選擇特定型號的泵。這導(dǎo)致油田存在 多種多樣來自丁不同生產(chǎn)廠家的泵型， 這導(dǎo)致了跟蹤平均無故障時間，分析根本 原因和故障檢測的困難。當(dāng)災(zāi)難性故障發(fā)生時，慣例做法是找不同的制造商處理 而不是檢查故障的原因。因此，試驗(yàn)法成了在油田使用螺桿泵共同慣例。合成橡膠檢驗(yàn)方法和更好的泵故

3、障機(jī)理的認(rèn)識方法的開展造成了油田選擇螺桿泵泵型的根本變化。然而，我們的目標(biāo)是減少泵型號和生產(chǎn)廠家， 使得有限 的庫存，可以簡化合成橡膠測試和選擇相關(guān)的任務(wù)。 但是，因?yàn)闆]有可靠的方法 來預(yù)測特定工況下泵的壽命，其選型嚴(yán)重依賴丁工作人員的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)。通常情況下，工程帥根據(jù)他們自己的經(jīng)驗(yàn)來評定某種泵的工作情況。泵型號和一個災(zāi)難性的失敗率較高的廠商迅速被拋棄，而平均無故障時間長的泵型號和制造 商那么成為標(biāo)準(zhǔn)。因此，工作人員掌握更多的專業(yè)知識積累更豐富的經(jīng)驗(yàn)提高了泵選擇的標(biāo) 準(zhǔn)，而標(biāo)準(zhǔn)泵是螺桿泵開展領(lǐng)域的一個子產(chǎn)品。 如果應(yīng)用算法程序選擇標(biāo)準(zhǔn)型號 的泵，那么標(biāo)準(zhǔn)化過程的應(yīng)用可能會減少。本文的目的是

4、為螺桿泵的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程提供第一手的評論。該方法提出關(guān)丁直接模擬每口井，泵總體良好工作的條件。 一旦計(jì)算完成后，可以用兩種方法來鑒別標(biāo)準(zhǔn)化的泵： 頻率匹配和整群分析。頻 率匹配由記錄每一種泵型可用丁油井的匹配次數(shù)組成。 那些有高匹配次數(shù)的泵被 視為標(biāo)準(zhǔn)化模式。另一方面，整群分析方法是一種經(jīng)典的技術(shù)， 這種方法依據(jù)油 井的共同特征來將它們分類。經(jīng)典的 K-K-均值方法是整群分析方法用來說明此方 法的技術(shù)。泵的選型方法，水力泵的設(shè)計(jì)螺桿泵的選擇是一個循序漸進(jìn)的問題。首先，泵 單葉或多葉的類型，泵幾 何特性位移，間距和數(shù)量的階段和旋轉(zhuǎn)速度是由所需的壓力上升總頭，自由 體積分?jǐn)?shù)，氣體總流量決定的。其次，定

5、子材料及轉(zhuǎn)子定子的配合關(guān)系是根據(jù)流 體溫度，流體性質(zhì)，流體材料兼容性，微粒和流體粘度的存在選定的。第一個過 程被稱為水力設(shè)計(jì)，而第二個過程經(jīng)常被稱為材料選擇。螺桿泵水力設(shè)計(jì)涉及總流量，入口處氣體體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)氣壓力的決心和溫度，排氣壓力和壓力上升的需要。這些信息可以用來計(jì)算轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子定子的配合關(guān)系 和級數(shù)。根據(jù)不同的目的，水力設(shè)計(jì)過程可能會有所不同。在這種情況下，假定 油流量，流入的關(guān)系，氣油比GORGOR，含水率WCWC, ,泵掛深度和管/ /桿繩情況是 的。由丁油流量是的，井流壓可依據(jù)井流入關(guān)系 IPRIPR解得。該泵進(jìn)口處壓 力，等丁井流壓力與井口和穿孔處壓力損失的代數(shù)和。 接下來，泵出口

6、壓力的計(jì) 算是將油管井口壓力損失加上井頭壓力。 在這兩種情況下，壓力損失計(jì)算是利用 多相流或相關(guān)相系模型。系統(tǒng)所需壓力上升的計(jì)算方法是：P =PD- PI1有兩種方法來判斷級數(shù)上升壓力的要求：每個階段的最大壓力和最大壓力上 升。每階段的最大壓力MPSSMPSS是一個由制造商和供給商定義的試算值，關(guān)丁 MPSSMPSS 的階段數(shù)的計(jì)算方法如下：P# 岫77另一種方法是比擬泵的最大壓力上升 ApApmax 和所需的壓力上升。 最大壓力 上升 Pmax是生產(chǎn)廠家推薦的壓力上升在容積效率為 80%80%，泵運(yùn)轉(zhuǎn)在最高轉(zhuǎn)速下時的值。通常的做法是依據(jù)泵的最大壓力上升 素被定義為泵的最大壓力和所需壓力上升值

7、的比如果，泵的負(fù)荷因子大丁 4,4,那么泵會很長，扭矩可能成為一個問題。另一方 面，假設(shè)泵的載荷因素小丁 1.2,1.2,那么它的穩(wěn)定性可能會有所下降。泵的排量D D與 總流量相關(guān)，如式4 4所示，容積效率E Ev通常被設(shè)置在 80%80%至 U U 100%100%之間。轉(zhuǎn) 速N N是或由制造商建議， 或是由傳動機(jī)構(gòu)的負(fù)載能力和制動能力所限制。 它的 范圍通常在 200200 轉(zhuǎn)每分到 30300 0轉(zhuǎn)每分。D/如果假設(shè)容積效率為 80%80%，轉(zhuǎn)速為 300300 轉(zhuǎn)每分，式4 4成為:D = 0.00417qT總的流量計(jì)算公式為:(6)(6)在以上公式中RS和Rw分別是氣體在油和水中的溶

8、解度，Bg, , B Bo, , B Bw分別是氣體 油和水在入口壓力、溫度條件下的體積系數(shù)。這些變量要么是根據(jù)相關(guān)的原油成 分估算的，要么是通過創(chuàng)造的模型計(jì)算得來的。所計(jì)算器的氣油比GORGOR含水率WCWWCW 油流量等參數(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)條件下假設(shè)都為，但是，氣體分qo ,std離效率Esep往往是未知的。氣體別離效率的定義為實(shí)際流過油管的氣體流量qg,c和實(shí)際在泵入口溫度和壓力條件下流出氣體流量 qg之比見公式 7 7。qg ,cqg max來計(jì)算器承載能力。這一因見式 3 3。LoadingFaCor =pmax(4)(4)一qTqT = = 0.178B0.178Bg(GOR-Rs-R(G

9、OR-Rs-RWCWCqo,stdo,stdWCWCsw3sw3B Bo+o+B BWsWs7)井下氣體別離效率(E )是定在 50%到 90%之間的。 存在著一定的相關(guān)性和機(jī)、 一sep械型號來預(yù)測自然別離效率。在這項(xiàng)研究中，AlhanatiAlhanati ( ( 19931993 年)提出的簡化模型被用來預(yù)測自然的別離效率。對每一油井泵選型總結(jié)如下：(1)(1) 從目錄中選擇適合套管直徑的泵型號(2)(2) 由丁油流量是的，總流量可由方程(6)(6)確定(3)(3) 利用制造商提供的泵排量由公式(5)(5)計(jì)算轉(zhuǎn)動速度(4)(4) 由公式(1)(1)計(jì)算所需要的壓力升高值(5)(5) 確

10、定泵的載荷因素(6)(6) 如轉(zhuǎn)速和載荷因素在許用值的范圍內(nèi)，那么該泵型被視為某口井的候選泵。因?yàn)樾枰M(jìn)行合成橡膠的選擇，依據(jù)這個過程獲得的泵只是候選泵。最后，入口氣體體積分?jǐn)?shù)是泵可靠性的一個關(guān)鍵因素。如果一個井的氣體體積分?jǐn)?shù)比例小丁 60%60%那么就可以應(yīng)用螺桿泵進(jìn)行采油。因此，任何氣體體積分?jǐn)?shù)高丁60%60%的油井都不能安裝螺桿泵。泵型號的標(biāo)準(zhǔn)化過程泵的標(biāo)準(zhǔn)化是指提高泵的通用性。無論是哪一種方法，泵型號或是供給商。 我們的目標(biāo)是減少泵型號和泵制造商的可變性。一個在幾個油井都滿足前文提到的水力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的泵型被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)泵。 這 意味著每口井泵的入口氣體體積分?jǐn)?shù)， 出口壓力，進(jìn)氣壓力，總流量

11、的計(jì)算是完 全一樣的，這一過程被稱為直接模擬。一旦完成這些計(jì)算，該特定型號的泵的轉(zhuǎn)速和載荷因數(shù)就被確定了。每一口 井上滿足轉(zhuǎn)速和載荷因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的泵型號就被標(biāo)記為候選泵。然后，最簡單的方法 來識別這些標(biāo)準(zhǔn)化型號的泵是尋找這些井上共同型號的泵。 也就是說，這些候選 的泵型出現(xiàn)次數(shù)較多的就被標(biāo)記為標(biāo)準(zhǔn)型號。因此，這種方法被稱作頻率匹配。另一種方法是將候選泵依據(jù)共同的特點(diǎn)進(jìn)行分類分組，這種技術(shù)就是整群分析，依據(jù)一些客觀適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)建立一些類似的子組。TenTen EikelderEikelder 和其他人(2004(2004年)說明整群分析從根本上說是一種優(yōu)化的問題，這樣的分組方式，某些特定的 整群分析函

12、數(shù)是最優(yōu)化的。通常一個整群的優(yōu)劣通過其平方誤差給定，s =1kE =、Es(8)(8)整群的平方方差 E Es給定如下:1s3 csXiXj因此，問題是要找到一個整群 C Cs s,盡量減少 E E。各種整群分析算法可用丁這 一目的，即本地搜索，無監(jiān)督競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， K-K-均值算法，層次整群分析和欠 量支持。經(jīng)典的 K K均值算法是本文用來說明的方法。這兩種方法都符合頻率匹配， 整群分析提供了足夠的信息，以下情況可以證明：同一制造商生產(chǎn)的泵型可應(yīng)用丁同一口井不同廠家生產(chǎn)泵型可應(yīng)用丁同一口井已經(jīng)確定油井可以應(yīng)用同一型號的泵在一個油田最常見的泵型號可確定然而，整群分析優(yōu)丁頻率匹配方法。整群分析可

13、以用丁在油井生產(chǎn)的整個周 期內(nèi)創(chuàng)立分類系統(tǒng)。例如，我們假設(shè)某油井產(chǎn)油量高，而燃?xì)饧八牧魉佥^低。 需求的上升壓力相當(dāng)高，因此井分為中間位移 /高頭組。假設(shè)干年后，石油產(chǎn)量下 降，而水和天然氣的產(chǎn)量增加。此時該井為大排量 /高頭組。然后，水和油產(chǎn)量 進(jìn)一步下降，但以油氣為主，因此該井為大排量 /低水頭分類。最后，油氣的產(chǎn) 量升高直到所需的排量超過一定的值，這意味著沒有螺桿泵可用丁這口井的生 產(chǎn)。案例研究說明實(shí)地研究的是一個在委內(nèi)瑞拉西部的超重貧油區(qū)。油層壓力下降到 350350 磅/ / 平方英寸，大多數(shù)井在 5050 磅/ /平方英寸的流動的壓力下生產(chǎn)。這些位丁人口稠密 地區(qū)正在生產(chǎn)的直井采用

14、有桿抽油。我們的目標(biāo)是用螺桿泵(PCPC Pumps)Pumps)取代現(xiàn)在的 592592 口井況不太好的井上的有桿泵，因?yàn)殛P(guān)丁壓力、體積、溫度的信息很 少，這些井被認(rèn)為是可放棄的。這個主要驅(qū)動機(jī)制是溶解氣驅(qū)動器的油藏被列為 飽和的。這些油井的日產(chǎn)量為 1010 桶到 353353 桶，氣油比大約是 200scf/stb200scf/stb (油藏 的溶解氣油比)。一個典型的完成情況如圖 1 1 所示。該泵位丁槽襯內(nèi)是因?yàn)榈土鲃訅毫Α?在一 些油井中它需要多達(dá)三個不同的桿和油管直徑?？紤]到預(yù)算油管和抽油桿柱必須 可重復(fù)利用，這意味著完成方案不能更改。(9)表 1 1 總結(jié)了操作條件范圍，液體比

15、重和當(dāng)前這些井的泵掛深度。 井口壓力已 定為 30300 0磅/ /平方英寸，而氣體通過套管，油管通道后在井口集合。沒有氣體和 扭矩被用丁這些油井。表1附加信息變量名最小值取大值泵掛深度6186009原油比重9.522.9原油流量110353含水率098%結(jié)果第一步是為每口井計(jì)算在泵進(jìn)口處的氣體體積分?jǐn)?shù)，壓力上升的需要和總流量。 由丁泵安裝在槽襯內(nèi)， 假定進(jìn)氣壓力等丁井流壓。 出口壓力利用 HagedornHagedorn 和 BrownBrown (1965)(1965)的相關(guān)性研究方法確定。流體性質(zhì)利用KartoatmodjoKartoatmodjo (1994)(1994)關(guān)丁油特性相關(guān)

16、性研究，Hall-YarboroughHall-Yarborough 19741974 年的偏差因子研究，LeeLee 19661966 氣體粘度研究和 McCainMcCain 19731973關(guān)丁水相的研究來評估。有關(guān)計(jì)算是通過 ExcelExcel 電子表格完成的。計(jì)算結(jié)果列丁圖 2 2。圖 2a2a 為總流量與上升壓力的關(guān)系圖，而圖 2b2b 給出了上 升的壓力和氣體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖。圖2現(xiàn)場操作情況我們可以觀察到日產(chǎn)量低丁 500500 桶的數(shù)據(jù)主要分布在 500500 磅/ /平方英寸到 15001500 磅/ /平方英寸這間。相比之下，在同樣的壓力區(qū)間，氣體的體積分?jǐn)?shù)分布廣 泛得

17、多，在 0.00.05 5到 0.750.75 之間?？偭髁?、所需要的壓力上升和泵的數(shù)據(jù)庫一起被用來為每一口油井確定候選 泵。該泵數(shù)據(jù)庫包含有來自不同廠家的 771771 臺型號不一的泵排量，最大壓力上升， 泵外徑。對丁本案例而言，只將老型號的泵和公司納入分析。因此，某些型號的 泵和制造商未必會在今天的分析中出現(xiàn)。 該候選泵通過以下的數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)篩選獲得:a a為了滿足總流量，轉(zhuǎn)速應(yīng)介丁 100100 和 200200 轉(zhuǎn)每分b b載荷因數(shù)必須介丁 1.21.2 和 4 4 之間c c泵外徑需要與套管的最小偏移直徑相適應(yīng)這個過程允許識別所有可以被用丁某特定油井的候選泵。然后，所有井的候選泵被依據(jù)

18、型號分類分組。某個特定型號的泵可用丁多少口井的數(shù)目被記錄下 來。那些數(shù)字最大的被標(biāo)記為標(biāo)準(zhǔn)模型。圖.3.3 顯示了這個過程中取得的局部成 果。在圖中油田用不同的泵型是以泵可以用丁的油井的數(shù)目為根底比擬獲得的。Oc cw w升5001500 2QW忌說速(a)為。01皿】皿500圖3標(biāo)準(zhǔn)泵型得到的結(jié)果顯示兩個型號來自 Geremia-Weatherford,Geremia-Weatherford, 一個來自 Emip/KuduEmip/Kudu 以及 3 3 種型號來自 NetzschNetzsch 型號的泵的頻率匹配數(shù)目最大，所以它們是標(biāo)準(zhǔn)的泵型，圖 4 4 顯示每種泵型號的名義上的流量和最大

19、壓力上升值。我們可以觀察到三組設(shè)在0.1,0.1, 0.20.2 和 0.250.25 桶每日/100/100 轉(zhuǎn)每分，因此可以進(jìn)一步劃分這些泵為三組：低，中，高流量。這意味著，單一型號怕泵不能用丁所有井的生產(chǎn)。圖4泵的名義工況注意到，泵型號的最大擊中次數(shù)是 236,236,它代表整泵總數(shù)的 40%40%。表 2 2 顯示 了標(biāo)準(zhǔn)化過程的最終結(jié)果。共有五家制造商，2929 種泵型已經(jīng)被確定為油田用泵。等效泵也在表中列出了。在此研究中定義的等效泵，其水力特性能產(chǎn)生特定能很 她的保持相同的總流量和壓力上升的能力。表2標(biāo)準(zhǔn)泵型松頑如口心ModelWell NumberD (bpd rpm)i HRG

20、EREM1A:28,40-5001321.076600,00XETZSCH:XTZ 350*200 ST 16,41341.03692S4IROBBIS MYERS:60A495132L076000.00ROBBINS MYERS:804)95121.078000.00RKER：95-B-23001240.955311*EXfJPKLDU：60TP3001470.834250.00EMlPKLDU:60TP20QU1460.836600.00NETZSCHATZ 28*200 ST 141440.88692841XETZSC HMZ 2 ?R* 165 ST 14B65 15.94ROBBIX

21、S MYERS：80-X41652080,63soon ,ooROBBINS【YERS:60 H5652100.6360GO.OOGEREM1心&332000,6Q6600,00GEREMIA128353001M2000.696600.00XETZSCH TZ 2165 ST 102030,635 15,94NETZSCH:TZ28*200 ST 102080.636928.41ROBBINS MYERS:80-N-0450.448000.00ROBBINS MYERS:60-N)452790.446000.00ROBBINS MERS:50A-0452490.445000.00RKE

22、R:44-B-23002690.44531178GEREM1A:28.2S-2QO2900.43646651XETZSCH:MZ238*165 ST 6.22660395 15.94XETZSCH：XTZ 238*200 ST 6.22750396928.41GEREMLV 18.25-1501070324000.00EM1PKLDI：:3OTP】3OU2290.344250.00BAKER:25-B-2300107O_25531 L7SROBBINS MYERS:60A-0251150.256000.00GEREMLA:28.25J251250256600.00GEREMJA:28.25d2

23、51M1250.256600.00ETZSCH:TZST4r01430.25的|4煙另一種方法是利用氣體體積分?jǐn)?shù)，總流量和所需的壓力上升找到好的整群。該聚類方法的應(yīng)用在圖 5 5 中給出了提示。最初的分類是通過采用 K-K-均值算法獲 得的。整群 L1L1 包含的一些井被認(rèn)為是整群 M1M1 本體外的一局部，這也是數(shù)量最 大的一局部。第二種分類是通過整群方法用丁M1.M1.此過程繼續(xù)在 M M 組執(zhí)行，直 到獲得整群 M4M4。這個整群中，可容納 353353 口井的最小平方誤差。圖5群集過程圖 6 6 通過繪制所需的壓力上升與總流量和氣體體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)關(guān)系來說明整群過程。淺藍(lán)色的點(diǎn)代表整群

24、M1,M1,其它的點(diǎn)那么代表整群 L1L1。整群 L1L1 中的不 同顏色的點(diǎn)是代表建立整群過程中形成的不同子組。整群中有 90%90%的井被規(guī)為整群 M1M1。然而，觀察到的廣泛分布的數(shù)據(jù)和大的方差導(dǎo)致的結(jié)論是，這一組整群 應(yīng)該被分為一個新的整群。圖6油井的群集在這一點(diǎn)上，人們可以嘗試為 M4M4 這個整群選擇合理的模型井，使些油井模 型的候選泵被認(rèn)為是整群分析的標(biāo)準(zhǔn)。 該模型井可以通過在整群 M4M4 內(nèi)求操作工 況的平均值或是通過應(yīng)用聯(lián)合分布技術(shù)來創(chuàng)立。 然而，整群 M4M4 中的大局部268268 口井已完成了 7 7 英寸 X X 2323 磅/ /英尺套管，其余的井用套管在 8 8

25、 英寸和 13.37513.375 英寸之間?！斑@意味著候選型號上 13.37513.375 英寸的套管有可能不能安裝 7 7 英寸的 套管。因此，單井模型可能不適用于井的幾何整群。另一種方法是應(yīng)用頻率匹配 技術(shù)獲得標(biāo)準(zhǔn)化型號的泵。結(jié)果列于表 3 3。表 3 3 中的某些型號的泵也出現(xiàn)在表 2,2, 它們對證明此方法有共同的效果。對于每個整群的標(biāo)準(zhǔn)化泵型號，可按照相同的方法獲得。一旦所有的標(biāo)準(zhǔn)化泵 型號被確認(rèn)，等價的泵型號都可以找到。總結(jié)1.1.本文提出新的鑒定標(biāo)準(zhǔn)泵模型的方法，這種方法提供了一種與傳統(tǒng)的試算法形成比照的新算法程序。2.2.這種方法已經(jīng)通過一個實(shí)例得到了證明。致謝作者希望感謝

26、AurelioAurelio OliverOliver 博士對進(jìn)行這項(xiàng)研究的奉獻(xiàn)與支持。當(dāng)時，我還想感謝 MSIMSI LLCLLC 公司允許發(fā)表此文。參考文獻(xiàn)(1)Hagedorn, A. R. and Brown, K. E. Experimental Study of Pressure Gradients Occurring During ContinuousTwo Phase Flow in Small Diameter Vertical Conduits, J. Pet. Tech., April,48965, 475-(2)H?rdle, W. Simar L. Applied M

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