螺杆泵井工艺方案优化设计与工况测试诊断技术(最新)

螺杆泵油井
工艺优化设计与工况测试诊断技术
二00二年十二月
螺杆泵油井工艺参数优化设计与工况测试诊断技术
螺杆泵在抽汲高粘度、高含气和含砂的原油中具有特殊效果，近年来，螺杆泵井的数量逐年增多，目前在国内油田应用较广的是井口驱动式单螺杆泵。

螺杆泵在采油技术领域推广面临着两个方面的困难，一是螺杆泵制造工艺和配套设备制造工艺技术问题；二是螺杆泵采油井综合管理技术问题。

在螺杆泵和配套设备方面，近年来国内已有30多厂家生产制造螺杆泵，产品质量得到很大提高。

在管理技术方面，尚缺乏系统的设计、监测和工况诊断办法，使得在技术实施中带有很大的盲目性，这也是采用螺杆泵采油方式成功率低的主要原因之一。

螺杆泵采油井工况诊断是该类油井技术管理工作上的断点，而油井测试是对油井进行诊断的必要条件，解决了测试问题将大大推动其管理技术水平，使油井管理工作走上设计—>实施—>诊断—>设计这样一个良性循环。

诊断工作促进了对油井系统的量化认识，及早发现故障隐患，通过调整参数避免或延缓事故发生，同时它还是油井再设计的依据，使油井工况趋于最佳状态。

1、测试技术简介
对螺杆泵采油系统中的抽油杆柱做力学分析可知，其受力主要包括两个方向，一是扭矩；二是载荷，整个系统就是在这两种负载状况下运行。

了解螺杆泵抽油系统工况最直接的办法就是实时测得井口光杆处所承受的扭矩和轴向力，对光杆处测取的扭矩和轴向力时间历程做谐波和规律对比分析即可对油井工作状况做出评价，结合油井产出量即可得出整个油井的工况评价。

实现螺杆泵采油井的测试与工况分析需要做以下几方面的研究工作。

（一）油井应录取的资料及方法
①产量资料：产液量（分离器量油、流量计量油、液面量油）、含水率（化验）、产气量（波纹管压差计）。

②电流、电压（控制箱里的电流表、电压表）。

③动液面（双频道回声仪）。

④光杆动扭矩或静扭矩，动载荷和静载荷，转速（专门研制）。

⑤压力：油压、套压（表读）、饱和压力。

（二）测试采用的传感技术
根据螺杆泵采油井诊断工作的要求，实时测取井口光杆上承受的动态扭矩和动态轴向载荷，它包括，正常工作时的转动扭矩和轴向载荷，启动和停机时的过渡扭矩和轴向载荷。

在光杆上夹装测扭矩、载荷和转速的传感器，钮矩、载荷和转速的测试信号经模数转换后采用自由频率480MHz无线电方式向外发射，在100米范围内供数据采集计算机接收。

测试信号模数转换和无线信号发射器采用可充电电池供电，也可专门制作带太阳能充电系统的发射器，用这种发射器可以实现长期实时监测，并避免在需要测试时停井安装发射器。

（三）利用测试结果诊断油井工况
利用测试结果对螺杆泵采油井系统工况进行诊断是一项很复杂的技术问题，它包括系统效率分析、扭矩分析、动载分析、压力系统分析、扭矩时序、动载时序的宏观特征（按特征时区得到的时间历程）和微观特征（按光杆单周时间内获得的时间历程）分析、系统振动分析及电机工况分析等，并通过这些分析对油井工况状态进行评价，进而找出正常和不正常的判据。

2、测试仪的主要性能参数
测试仪由下列四部分组成：
1.载荷、扭矩、转速三参数传感器
2.传感器测试信号模数转换及无线信号发射器
3.无线信号接收解码器
4.数据采集计算机
推荐每口重点监测井安装一个固定式传感器，每次测试时停井，安装无线信号发射器，测试完成后把无线信号发射器拆下带走。

如果由于油稠，油管锚定质量等问题，不能在每次测试时停井安装无线信号发射器，推荐使用带太阳能充电的无线信号发射器，这种发射器具自动给电池充电的功能，可以长期放在井上。

测试仪器的工作参数如下：
量程载荷 0～100KN ，扭矩 0～2000N·m；
精度等级载荷 1%FS，扭矩1%FS；
测速范围 10～300K转/分钟，1个脉冲/转；
无线传输距离≥100m（无遮挡空旷地带）；
调制频率 480MHz；
发射功率≤20mW；
通讯接收解码器与用户设备通过RS232C标准串口进行通讯；
充足电工作时间≥48小时；
以上参数可根据使用需求定制。

可以另外选配测试电机电流、电压和功率因数的相关仪表。

图1 安装传感器和无线信号发射器的螺杆泵井3、测试过程
典型的驱动头结构如图2所示，三
参数传感器安装在井口驱动头与光杆
卡箍之间，无线信号发射器通过螺栓卡
装在光杆上。

螺杆泵工作状态下，传感
器、无线信号发射器与光杆同步旋转。

对油井测试时需做如下操作：
1．停止油井工作；
2．在驱动头三角罩内、光杆盘根
盒之上的位置，有一段光杆裸露段，在
此位置安装一个光杆卡箍；
3．将驱动头上原来的光杆卡箍拆
卸下来；
4．将传感器套在光杆上，并使传
感器下端的凹键与驱动头上的凸键相啮合，如果缝隙较大，应填充由钢锯条制作的钢片。

5．装测速磁座，磁座的大磁钢吸附在驱动头减速箱上，小磁钢在传感器上测速感应点运动轨迹的外园附近，间距小于10mm。

6．重新装上驱动头上的光杆卡箍；卸下盘根盒上的光杆卡箍；
7．将无线信号发射器用螺栓固定在光杆上，安装上发射天线；
8．将无线信号发射器的信号线与传感器连接起来，多余的线应缠绕在光杆上；
9．打开无线信号发射器电源开关，红色信号灯闪亮一次，表示发射器可以正常工作；
10．将无线信号接收器安装上接收天线，用串口线与计算机连接起来；
11．打开计算机，执行采集软件，屏幕上出现“Input INI Filename”,输入与传感器编号相对应的INI文件名，按回车。

12．屏幕上出现“Input Data Filename to Save”输入一个用来存储测试数据的文件名，测试数据是以文本格式存储的，所以输入.txt格式的文件名，按回车。

13．屏幕上出现“sampling……Press any key to stop”表示计算机正在进行数据采集，
14．启动油井，采集在静止、启动、正常运行、停机和静止过程中的动态、静态载荷、扭矩和转速。

按任意键停止采集数据。

图3是实时采集的一口油井静止、启动、正常运行、停机和静止全过程数据绘制的曲线。

图3 测试的扭矩、载荷和转速数据曲线
4、螺杆泵油井开采工艺优化设计及工况诊断软件
研制了“螺杆泵油井开采工艺优化设计及工况诊断软件”。

图4 软件运行界面
图5 软件主界面
软件主要功能包括以下几个部分：
①螺杆泵油井数据库：建立了螺杆泵油井常用数据基础数据库。

油井数据管理：录入、删除、保存油井动静态数据。

设备参数管理：螺杆泵、抽油杆、驱动头、电机、油管、封隔器等设备参数。

②产能预测模块：提供了广义IPR曲线法、两组动态参数法、一组静态和一组动态参数法、地层压力和一组动态参数法等四种产能预测方法。

③优化设计模块：采用螺杆泵采油系统节点分析的方法，根据供、采协调原理，计算油井的流入动态、垂直管流计算和泵的技术参数优化选择以及泵效的计算，可以对单级或多级抽油杆柱进行设计和强度校核。

图6 优化设计模块
④参数核算模块：该模块功能是优化设计的另一种计算方式，在已知设计方案的情况下，可以预测方案能够达到的效果。

⑤螺杆泵开采流体携砂能力计算模块：计算垂直管流最低携砂速度，计算最低携砂配产量。

⑥测试数据分析回放测试数据，绘制载荷、扭矩和转速与时间关系曲线（如图7所示），并求出特征时域范围内载荷、扭矩和转速的特征值，根据特征值进行工况分析。

图7 测试的扭矩、载荷和转速数据曲线
⑦工况综合诊断用电流法、载荷法、扭矩法、产液法和憋压法等多种诊断方法进行螺杆泵井工况的综合诊断。

⑧采油工艺方案报表模块：可以根据优化设计结果，编制采油工艺方案报表，该模块提供了优化设计方案结果数据调用、方案编辑、修改、存储及方案报表打印功能，输出的报表内容包括目前工艺数据及施工目的、设计结果、工艺效果预测、施工技术要求、施工预算、设计井下管柱示意图和备注等，报表格式精
美，可以直接用于现场生产。

图8 采油工艺方案设计模块
图9 绘制油井管柱示意图。