定向井抽油系統效率仿真與優(yōu)化設計

定向井抽油系統效率仿真與優(yōu)化設計

國內外科學家對定向井桿泵提升系統的桿立柱負荷計算、桿柱振動動態(tài)模擬、參數優(yōu)化和配平器配置進行了大量研究。將計算機仿真技術應用于有桿抽油系統設計,可以顯著地提高動態(tài)參數的仿真精度與優(yōu)化設計結果的符合率。筆者綜合考慮復雜結構定向井井眼軌跡、桿管間摩擦力、抽油機懸點精確運動規(guī)律、抽油泵氣影響與供液不足的井下實際邊界條件對抽油桿柱軸向振動的影響,完善了定向井抽油桿柱軸向振動與示功圖仿真的數學模型,改進了仿真算法,實現了復雜井下邊界條件示功圖的快速仿真。以仿真示功圖為基礎,建立了有桿抽油系統節(jié)點動態(tài)參數、功率與系統效率的仿真模型,并以提高效率為目標,建立了抽汲參數的優(yōu)化設計方法。1抽油系統動態(tài)仿真模型文獻以描述抽油桿柱縱向振動的波動方程為基礎,建立了定向井有桿抽油系統懸點載荷、曲柄軸凈扭矩、電動機輸出功率、電動機輸入功率、系統有效功率、排量系數與系統效率等動態(tài)參數的仿真模型。在上述研究的基礎上,筆者改進了曲柄軸凈扭矩與排量系數的仿真模型。1.1抽油機懸點運動特性已有文獻所介紹的曲柄軸凈扭矩仿真模型只適用于曲柄平衡游梁式抽油機。對于曲柄平衡、游梁平衡、復合平衡以及下偏杠鈴復合平衡游梁式抽油機,曲柄軸凈扭矩通用仿真模型為式中:Mn為曲柄軸凈扭矩,N·m;ˉΤF為扭矩系數,m;Pmh為懸點載荷,N;WB為抽油機結構不平衡重,N;Mcb為曲柄平衡重的最大平衡扭矩,N·m;θ為曲柄轉角,rad;τ為曲柄平衡重偏置角,rad;ηc為曲柄到懸點的機械傳動效率;k1為系數(懸點運動速度vA>0,即懸點上沖程時,k1=-1;懸點運動速度vA≤0,k1=1);Wy為游梁平衡重的質量,kg;Ly為游梁平衡重重心相對于游梁回轉中心的回轉半徑,m;A為抽油機前臂長度,m;θy為游梁后臂相對于水平線向上的擺角,rad;τy為游梁平衡重重心相對于游梁后臂機構線向下的偏置角度,rad;aA為抽油機懸點運動加速度,m/s;g為重力加速度,m/s2。1.2泵閥水力損失仿真模型排量系數是計算油井實際產液量與系統有效功率的關鍵參數。排量系數仿真模型為式中:α為抽油泵的排量系數;ηs為柱塞有效沖程系數;ηf為泵充滿系數;ηl為泵漏失系數;ηv為沉沒壓力條件下溶氣原油的體積系數。對于低沉沒度或黏度較高的油井,泵閥水力損失對泵筒內的吸入壓力和排出壓力有顯著影響?？紤]泵閥水力損失的影響,充滿系數仿真模型改進為式中:R為泵吸入口氣液比,無量綱;K為余隙系數,K=S0/S,S0為余隙長度,S為沖程長度,m;ps為抽油泵吸入口沉沒壓力,MPa;Δps為泵吸入閥水力損失,MPa;pd為抽油泵排出口排出壓力,MPa;Δpd為泵排出閥水力損失,MPa;k為天然氣多變過程指數。2參數優(yōu)化設計模型2.1抽按參數設計將沖程長度S、沖數n、泵徑D、泵深L、裝機功率PN、抽油桿柱組合(第k級抽油桿直徑dk,第k級抽油桿長度Lk,其中k=1,2,…,m)統稱為抽汲參數,則設計變量為X={S,n,D,L,PN,(dk,Lk:k=1,2,…,m)}(4)式中:m為組合抽油桿柱的級數。2.2抽井參數組合影響井筒動瞳量的預測將系統效率最高作為抽汲參數優(yōu)化設計的目標函數。當設備類型、油井參數、管理參數與井身結構參數一定時,系統效率只是抽汲參數的函數,即F(X)=η=F{S,n,D,L,PN,(dk,Lk:k=1,2,…,m)}(5)抽汲參數組合方案影響油井產量與動液面,因此首先要預測出不同抽汲參數組合的油井動液面及產量。油井在穩(wěn)定工況下生產時應滿足產能平衡條件,即地層流入井筒液量等于油井實際產液量。油井實際產液量取決于抽汲參數與排量系數,地層流入井筒的產液量可以通過油井流入動態(tài)來預測。在靜壓低于飽和壓力條件下,產能平衡條件表示為1440D2Snα=Qmax1-0.2(pwfpr)0.8(pwfpr)2(6)式中:Qmax為油井最大產能,m3/d;pwf為井底流壓,Pa;pr為油層靜壓,Pa。抽油泵吸入口處的沉沒壓力ps與流壓pwf之間的關系為pwf=ps+(Lz-L)ρ1g×106(7)式中:L為下泵深度,m;Lz為油層中部深度,m;ρ1為抽油泵入口到油層中部混合液的密度,kg/m3。2.3合同規(guī)定2.3.1約束條件假設保證油井實際產液量Q不低于油井配產Qp,取Qp≤Q≤1.15Qp,則可得約束條件為{G(1)=Qp-1440ApSnα≤0G(2)=1440ApSnα-1.15Qp≤0(8)式中:Ap為抽油泵柱塞橫截面積,m2。2.3.2[pmaa]型抽油機工作時,懸點最大負荷pmax應小于懸點最大允許負荷[pmax],減速箱曲柄軸最大扭矩Mmax應小于曲柄軸最大允許扭矩[Mmax],即G(3)=pmax-[pmax]≤0(9)G(4)=Μmax-[Μmax]≤0(10)2.3.3抽油桿使用條件抽油桿柱強度約束條件為G(5)=σmax-[σmax〗≤0(11)其中[σmax]=Κ1(14σb+0.5625σmin)≤0(12)式中:[σmax]為抽油桿許用的最大循環(huán)應力,MPa;σb為抽油桿材料抗拉強度極限,MPa;σmax為抽油桿柱頂部的最大循環(huán)應力,MPa;σmin為抽油桿柱頂部的最小循環(huán)應力,MPa;K1為抽油桿使用條件系數。對于多級組合桿柱,應滿足的等強度條件為Η(j)=σmaxj-σminj[σmaxj〗-σminj-σmax(j+1)-σmin(j+1)[σmax(j+1)〗-σmin(j+1)=0(13)式中:j=1,2,…,m-1。2.3.4電機啟動條件裝機功率利用率既影響電動機的運行效率,也影響電動機的啟動性能。在保證電動機能夠順利啟動的條件下,提高電動機功率利用率可以提高系統效率。理論研究與現場試驗結果表明,常規(guī)游梁式抽油機裝機功率利用率不高于45%時,電動機能夠順利啟動;異相曲柄平衡抽油機裝機功率利用率不高于50%時,電動機能夠順利啟動;雙驢頭抽油機裝機功率利用率不高于60%時,電動機能夠順利啟動。電動機功率利用率約束條件為G(6)=β-βmax＜0(14)式中:β為電動機實際功率利用率;βmax為保證電動機順利啟動和正常工作的功率利用率上限值。2.4l,m-1dl,lk式,m-1dl,l,ldk,l,l,lk,lk,lk,lk,l,l,lk,lk,lk,m-1dk,lk,lk,lk,lk,m-1,lk,m-1,lk,m-1,lk,m-1,lk,m-1,lk,m-1,lk,m-1,lk,m-1,lk,m-1,lk,m-1,lk,m-1,lk,m-1,lk,lk,m-1,lk,lk,m-1,lk,lk,m-1,l,l,l,l,l,l,l,l,l,l,l,l,l,l,l根據上述目標函數及約束條件,可得抽汲參數優(yōu)化設計的一般數學模型為{η=maxF{S?n?D?L?ΡΝ?(dk,Lk∶式中:i=1,2,…,6;j=1,2,…,m-1。上述求極值問題屬于既有連續(xù)變量(n,L)又有離散變量[S,D,PN,(dk,Lk:k=1,2,…,m)]的非線性有約束的優(yōu)化設計問題,采用枚舉和罰函數的綜合優(yōu)化算法求抽汲參數的最優(yōu)解。3定向井抽蓄系統采用VisualBasic6.0語言開發(fā)了抽油機井高效運行仿真優(yōu)化系統計算機軟件。對實際定向井與相同下泵深度直井有桿抽油系統的動態(tài)參數進行了仿真,結果見表1。由表1可見,與相同垂深的直井比較,定向井懸點最大載荷增加5%～15%,懸點最小載荷下降5%～50%,曲柄軸最大扭矩增加0～50%,實耗功率增加20%以上。顯然,定向井中桿、管之間的摩擦力使懸點最大載荷增加、最小載荷下降,增加了抽油桿柱載荷幅值,增大了系統能耗,降低了系統效率。另外,定向井井身剖面類型、造斜點垂深、水平位移、井身實際彎曲程度(實際井眼軌道、井斜角、方位角、井斜角變化率、方位角變化率)都對有桿泵舉升系統的動態(tài)參數與系統效率有顯著的影響。某定向井基本參數:CYJ14-7-73HB常規(guī)型抽油機,油層中層深度Lz=2992m,靜壓pr=13MPa,飽和壓力pb=8.35MPa,含水率nw=80%,原油黏度μ=20mPa·s,氣油比Sp=15.1,油壓po=0.6MPa,套壓pc=0.1MPa,動液面Hd=1990m,產量Q=7.61t/d。表2列出了優(yōu)化前后的抽汲參數與系統效率對比結果,其中優(yōu)化前抽油桿柱組合為25mm×517m+22mm×723m+19mm×826m,優(yōu)化后抽油桿柱組合為25mm×653m+22mm×637m+19mm×1070m。優(yōu)化后比優(yōu)化前系統效率提高了54.53%。4計算機軟件分析(1)根據目前有桿抽油系統動態(tài)參數計算機仿真模型,改進了曲柄軸凈扭矩與排量系數的仿真模型,并建立了以系統效率最高為目標函數的抽汲參數仿真優(yōu)化設計方法。開發(fā)了“抽油機井高效運行仿真優(yōu)化系統”計算機軟件,該軟件系統具有較高的仿真精度