CN114667395A - 预测粘性应用泵的制动马力 - Google Patents

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CN114667395A CN201980101993.2A CN201980101993A CN114667395A CN 114667395 A CN114667395 A CN 114667395A CN 201980101993 A CN201980101993 A CN 201980101993A CN 114667395 A CN114667395 A CN 114667395A
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Abstract

本公开呈现了泵操作中流体流速、粘度和制动马力(BHP)之间的无量纲关系，以及使用所述无量纲关系从水性能规格预测泵的粘性性能的BHP的方法。使用所述无量纲关系，即K‑R数，所述方法确定了BHP相关性，所述相关性允许BHP规格的预测，以满足任何给定转速、流速和粘度下的泵性能指标。此预测可以从水性能规格中计算出来，而无需在粘性实现环境中对所述泵进行物理测试。

Description

预测粘性应用泵的制动马力
相关申请的交叉引用
本申请要求Ketankumar Kantilal Sheth等人于2019年12月31日提交的标题为“预测粘性应用泵的制动马力(PREDICT BRAKE HORSEPOWER FOR A PUMP FOR VISCOUSAPPLICATIONS)”的美国非临时申请序列第16/731,240号的权益，此申请与本申请共同转让，并且通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及确定泵参数，更具体地，涉及针对所提供的设计参数确定泵的制动马力(BHP)。
背景技术
离心泵已经发展了几个世纪，并且用于处理粘性流体。离心泵的性能受到许多因素的影响，诸如粘度、转速(每分钟转数)、级直径、流速和泵的液压设计。通常，泵在大气条件下在水中进行测试，其在一个或两个固定转速下测量的性能用于选择泵的类型和泵的级数量。预测泵在粘性应用中的性能可以是困难的，例如在泵送的流体具有比水更高的粘度的情况下，因为性能取决于泵的转速、流体的粘度和流体流速。对于给定的粘性应用，通常使用不同转速范围内的各种粘性流体测试泵，并且对其测试数据进行插值。已发现此测试是冗长且昂贵的。此外，在实际应用中对性能进行插值和建模可以是一个复杂的过程，并且会在性能预测中引入不准确性。
附图说明
现在结合附图参考以下描述，其中：
图1是示例井系统的图的图示；
图2是水力压裂井系统中的示例泵系统的图的图示；
图3是海上井系统中的示例泵系统的图的图示；
图4A是展示了在使用绝对粘度的给定每分钟转数(RPM)下泵在水中的归一化流速和归一化Ketan-Roberts(K-R)数之间的关系的示例曲线图的图示；
图4B是展示了使用运动粘度的水中泵的归一化流速和归一化K-R数之间的关系的示例曲线图的图示；
图5A是展示了使用绝对粘度的各种粘性流体的归一化流速和归一化K-R数之间的关系的示例曲线图的图示；
图5B是展示了使用运动粘度的各种粘性流体的归一化流速和归一化K-R数之间的关系的示例曲线图的图示；
图6是展示示例性泵的性能曲线的示例曲线图的图示；
图7A是用于预测粘性流体的泵的制动马力(BHP)的示例方法的流程图的图示；
图7B是建立在图7A基础上的归一化最佳效率点K-R数的示例方法的流程图的图示；以及
图8是示例BHP预测器系统的框图的图示。
具体实施方式
各种类型的泵可用于在各个行业和领域中泵送流体。例如，泵可以是离心泵、旋转泵、排量泵、计量泵和其他类型的泵。一种类型的泵，电潜泵(ESP)，可以用于从地下地层泵出石油。ESP是一种多级离心泵，具有两级或多级，诸如数百级，能够以例如从1500转每分钟(RPM)到8000RPM的可变转速操作。ESP操作可以泵入或抽出少量流体，诸如每天几桶(BPD)到数十万BPD。
一些类型的泵也可用于非地下地层应用，诸如在医疗领域泵血或输送药物，在化学领域，以及在更广泛的碳氢化合物生产领域，例如，将泥浆、液压流体、盐水、化学品、油和其他流体泵入或泵出钻孔。对于一种或多种粘性应用，泵的选择，例如确定泵系统尺寸的设计，包含根据具体应用选择级类型、级直径、流速、RPM范围、泵级数量、密封件(保护器)、马达和可选部件，诸如气体分离器。
粘性应用中的泵的性能预测，例如，其中泵送的流体具有比水更高的粘度，特别是在诸如海上应用的困难环境中，由于在困难环境中操作的成本，需要比常规预测工具提供的精度更高的精度。在包含某些粘性流体的操作环境中使用的泵类型的尺寸和预测的差异会导致操作成本的增加，诸如在海上泵送操作中，泵送流体的另外的时间或另外的维护成本的增加可以是几百万美元。
为了确定用于粘性应用的泵的合适尺寸，应知道使用各种粘度的泵的性能。通常来说，在实际应用中确定泵的尺寸和配置之前，可在测试装置中构建具有较少级的泵，并且在期望的粘度和RPM范围内进行测试。测试结果可以用于预测操作环境中的泵性能，诸如海上生产应用。所述预测可以用于在部署前正确选择泵及其马达的尺寸。此构建-测试-分析-建模-预测过程可能既昂贵又耗时，而且不准确，因为粘度和RPM可能因实际操作环境而有很大差异。
本文介绍的是体积流速、粘度参数和制动马力(BHP)之间的无量纲关系，其简化了对粘性泵性能的马力(HP)需求的预测。估计的BHP，例如优选的或设计的BHP，可以通过对泵的流速、压头、转速(即RPM)和粘度的分析来预测，所述泵是从其水性能规格导出的。最初假设水性能规格为1厘泊(cP)的粘度和20摄氏度的温度。在水具有不同规格的方面，性能结果可以归一化。设计流体粘度的BHP预测可以从以相同转速运行的水性能得出。通过本公开，引入的关系被称为Ketan-Robert(K-R)数，并且在等式1和等式2中导出。
等式1：使用绝对粘度的示例K-R数
Figure BDA0003628446950000031
等式2：使用运动粘度的示例K-R数
Figure BDA0003628446950000032
其中Q是粘性流体的质量流速；
BHP是泵的制动HP；
RPM是泵的转速；
μ是绝对粘度；以及
v是运动粘度。
运动粘度和绝对粘度是通过常规的公式
Figure BDA0003628446950000033
联系起来的。此外，等式1和等式2可以利用体积流速，其中体积流速与使用流体密度的质量流速成比例，
Figure BDA0003628446950000034
Figure BDA0003628446950000035
BHP是流体流速、泵RPM、泵的级直径和泵的液压设计的函数。流速受泵的RPM、级直径和液压设计的影响。等式1或等式2可以用作本文的K-R数，并且选定的等式可以根据其易用性、实现需求、可用参数和其他因素来选择。
最佳效率点(BEP)是指在水的流速下，泵在设计RPM下的泵性能规格中具有最高效率的地方。给定泵的水性能规格通常可以从泵制造商处获得，并且以泵曲线的形式提供，所述曲线是相对于流速、压头、BHP和RPM下的效率绘制的(参见图6中的BEP曲线示例)。例如，根据泵的主要用途，ESP泵的ESP工业水泵性能规格公布为50Hz(2917RPM)或60Hz(3500RPM)。在其他方面，水性能规格可在测试环境中确定，诸如在不同RPM下的实验室或现场实验，其中水性能规格使用亲和定律进行调整。实验室或现场测试的结果可以用来代替公布的泵性能规格。
本公开使用K-R数来预测泵的推荐BHP。首先计算设计RPM下一个或多个流速的K-R数。然后可以通过将K-R数除以BEP K-R数来归一化。在相同RPM下，粘性流体的K-R数相对于BEP处的K-R数进行归一化，见等式3。类似地，可以使用粘性流体的流速和BEP处的流速来计算归一化流速，如等式4中所示。应理解，除了BEP流速之外的流速，诸如接近零流速或接近最大流速或任何其他流速，也可以用于流速的归一化。
等式3：恒定RPM下的示例K-R数归一化
Figure BDA0003628446950000041
等式4：恒定RPM下的流速归一化示例
Figure BDA0003628446950000042
亲和定律可用于将水性能的数据从一个RPM转换到另一个RPM，例如，从原始或基准RPM转换到指定或设计的RPM。随着RPM的变化，水性能的K-R数也以反比变化，这取决于等式1和等式2。典型地，在BEP点的水性能的K-R数可以使用反比转换为不同的例如设计的RPM，并且转换的K-R数可以用作设计的RPM的BEP K-R数。等式5展示了可以使用的反比例比率。
等式5：在RPM成比例变化的情况下的水性能的示例K-R数
Figure BDA0003628446950000043
其中BEPK-R数原始RPM是使用泵的BEP规格的BEP K-R数；
RPM原始是用于BEP规格的RPM；
RPM设计是新指定的，即第二或设计的RPM，用于转换其他值；以及
使用等式1时，A为4，并且使用等式2时，A为2.5。
在另一方面，亲和定律可以应用于使用泵的原始RPM来计算泵在设计RPM下的水性能。等式6中的所述一组等式示出了亲和定律的示例。
等式6：将泵值转换为设计RPM的示例亲和定律
Figure BDA0003628446950000044
Figure BDA0003628446950000045
Figure BDA0003628446950000046
在分析系统中的另一个粘性流体之前，等式5和等式6中的所述一组等式可以用于将例如泵的规格从一个RPM转换为使用水作为流体的第二RPM。由于粘性损失遵循与RPM变化不同的关系，这些等式通常不适用于计算使用粘性流体的其他RPM下的泵性能。例如，在碳氢化合物生产应用中，油、水、盐水、气体、泥浆、沙子、水力压裂液和其他流体可以以各种比例混合，从而影响并且持续改变泵送流体的粘度。
所公开的过程可以遵循以下步骤来针对操作环境中的设计转速和设计粘度计算选定泵的BHP。(1)基于泵的公开规格(例如参数)的水性能，使用等式1或等式2计算包含BEP流速在内的流速的K-R数。已发布的、实验室和现场确定的规格可称为基准规格。
(2)水性能的归一化K-R数和归一化流速通过将每个K-R数和流速除以相应地的BEP K-R数和流速来计算，相应地使用等式3和等式4。
(3)例如，如图4A和图4B中所示，在水性能的归一化K-R数和归一化流速之间建立了关系。此关系适用于所有粘度和RPM，例如，如图5A和图5B中所示。
(4)泵被设计成在不同于水规格的条件和RPM下操作。利用泵实现时的操作规格，可以选择转速、粘度和流速，并且可以参考设计转速、设计BHP和设计流速。设计转速可以不同于基准RPM。设计RPM下的水性能规格可以使用亲和定律和公布的水性能规格来确定。
(5)在设计RPM下，水性能的BEP K-R数可以使用RPM反比来计算，诸如使用等式5。在另一方面，可以通过使用等式6的亲和定律计算设计转速下的水性能，导出新的泵性能规格，然后使用等式1或2计算K-R数，来确定BEP K-R数。
(6)水性能的其他参数可以使用设计RPM和基准RPM进行调整，诸如使用等式6中的亲和定律。
(7)根据流速和BHP的BEP比与粘度和转速的关系，从设计RPM下的BEP水性能参数获得设计BEP流速和设计BEP BHP。
(8)设计流速可以相对于设计RPM和粘度下的设计BEP流速进行归一化，诸如使用等式4。
(9)可以计算归一化流速下的归一化K-R数，如图5A或图5B所示。
(10)可以计算设计粘性流体和设计RPM的BHP。等式7和等式8是计算预测BHP的示例。
等式7：使用等式1的BHP预测计算示例
Figure BDA0003628446950000061
等式8：使用等式2的BHP预测计算示例
Figure BDA0003628446950000062
其中流速是从泵的规格中得出的归一化流速，或是通过RPM选择的变化而调整的流速；
BHP是根据泵的规格得出的BEP处的BHP，或通过RPM选择的变化调整的BHP；以及
K-R归一化是计算出的K-R数，或通过RPM选择的变化调整的K-R数。
为了演示所述过程，给出了一个示例泵和环境场景。在步骤1中，确定泵的性能特征，诸如根据公布的材料和表1中所示的预期操作环境。
表1：示例泵水性能特征
级 SJ2800
转速 2333RPM
流量 700BPD
粘度 300cP
执行步骤2和步骤3以得出粘性BHP相关性的K-R数(参见，例如，等式1和等式2，以及图4A和图4B)。执行步骤4和步骤5，以计算在步骤1中确定的设计(操作环境)RPM下的BEP水性能，如表2中所示，诸如使用亲和定律(例如，参见等式5和等式6)。
表2：BEP计算示例
40Hz BEP水数据2333RPM 60Hz BEP水数据3500RPM
水 BEP流速 1974BPD 2961BPD
水 BEP压头 24.88英尺 56.00英尺
水 BEP BHP 0.531HP 1.793HP
步骤7可用于利用BEP和转速关系计算BEP流速、设计粘度下的压头设计和设计转速，如表3中所示。
表3：BEP计算示例
Figure BDA0003628446950000063
Figure BDA0003628446950000071
执行步骤8以计算设计RPM和设计粘度下的归一化流速，如表4中所示(例如，参见等式4)。
表4：归一化流速示例
Figure BDA0003628446950000072
执行步骤9以使用如表5中所示的步骤3中开发的关系来计算归一化K-R数(例如，参见等式3)。
表5：示例K-R数归一化
Figure BDA0003628446950000073
执行步骤10来计算设计BHP，如表6中所示(例如，参见等式7和等式8)。
表6：BHP计算示例
Figure BDA0003628446950000074
一旦预测的BHP被计算出来，信息就可以被提供给用户，诸如工程师或操作员。用户可以利用所述信息，结合其他参数、数据、因素和信息，来选择和确定泵的尺寸，并且确定用于实现方式的泵级的适当数量。用户在泵选择分析中可以利用的一些考虑可以是最大化效率、最小化维护要求、泵成本、泵操作成本和其他因素。
现在转到附图，图1是示例井系统100的图的图示，所述示例井系统例如是开采系统、生产系统、带有泵的电缆系统以及其他碳氢化合物井系统。井系统100包含井架105、井场控制器107、地面泵系统106和计算系统108。井场控制器107包含处理器和存储器，并且被配置为指导井系统100的操作。井架105位于地面104。
钻孔110在井架105下方延伸，具有两个套管部段115和一个未套管部段116。管道120插入钻孔110中。井下工具125位于管道120的底部。井下工具125可以包含各种井下工具和井底组件(BHA)，诸如一个或多个泵127和阀。可以存在井下工具125的其他部件，诸如本地电源，或存储从另一个系统接收的电力的电池和电容器，以及收发器和控制系统。钻孔110被地下地层135包围。管道120连接地面泵系统106和井下工具125。地面泵系统106和泵127可以使用本文所描述的过程来设计尺寸。
在此示例中，泵127可以具有一个或多个级，以将流体130泵入或泵出钻孔110。被选择为井下工具125的一部分的泵127的尺寸应适合于待泵送的流体的类型和粘度。效率低下的泵可能会导致泵送流体所用时间的重大财务损失，或用不同规格的泵更换泵的时间损失。
计算系统108或井场控制器107可以用于执行本文所描述的计算和运算，以预测合适的BHP，所述BHP可以用于选择和确定将在钻孔110内作为一部分使用的泵127的尺寸。计算系统108可以接近井场控制器107，或远离井场控制器，诸如在云环境、数据中心、实验室或公司办公室中。计算系统108可以是膝上型计算机、智能手机、PDA、服务器、台式计算机、云计算系统以及可操作来执行本文所描述的过程和方法的其他计算系统。从计算系统108产生的信息可以通过各种常规手段传送到井场操作员和工程师，因此预测的BHP可以用于选择在井系统100中使用的泵。
图2是水力压裂(HF)井系统200中的示例泵系统的图的图示，所述水力压裂(HF)井系统可以是通过实现HF处理级计划进行HF操作的井场。HF井系统200展示了经历压裂操作的几乎水平的井筒。
HF井系统200包含位于地面204的地面井装备205、井场控制装备207、地面HF泵系统206和计算系统208。在一些方面，井场控制装备207通信地连接到单独的计算系统208，例如单独的服务器、数据中心、云服务、平板计算机、膝上型计算机、智能手机或能够执行本文所描述的过程和方法的其他类型的计算系统。计算系统208可以位于接近井场控制装备207，或位于远离井场控制装备207的位置，并且可以被井系统工程师和操作员用来计算将在HF井系统200内使用的泵(诸如泵227)的预测BHP。
井筒210从地面井装备205延伸到地面104之下。井筒210可以具有零个或多个套管部段和未套管的底部部段。流体管道220插入井筒210中。流体管道220的底部具有从流体管道220向包含裂缝240的地下地层235释放井下材料230的能力，诸如带有分流材料的运载流体。井下材料230的释放可以通过流体管道220中的穿孔、通过沿着流体管道220放置的阀或通过其他释放装置来实现。在流体管道220的端部是管道组件225的端部，其可以是一个或多个井下工具或端盖组件。管道组件225的端部可以包含泵227以将流体泵入或泵出井筒210。
在替代方面，井下材料230可以被泵送到地面，诸如去除HF流体或去除碳氢化合物流体。可以使用地面HF泵系统206、泵227或其组合通过流体管道220泵送流体。在一些方面，计算系统208和井场控制装备207可以用于计算HF井系统200内使用的泵的预测BHP。预测的BHP可用作分析的一部分，以选择在HF井系统200中使用的泵。
图3是海上井系统300中的示例泵系统的图的图示，其中ESP组件310被放置在诸如海洋的水体340下方的钻孔326中的井下。钻孔326被地下地层345包围。ESP组件310也可以用于陆上操作。ESP组件310包含转速控制器312、ESP马达314和ESP泵330。
转速控制器312放置在诸如石油钻机的海上平台305上的控制室307内的机柜306中。转速控制器312被配置为调整ESP马达314的RPM，以提高井生产率。在所示实施例中，ESP马达314是两极、三相鼠笼式感应马达，其操作以转动ESP泵330。ESP马达314位于ESP组件310的底部附近，就在钻孔326内的井下传感器上方。电力电缆320从转速控制器312延伸到ESP马达314。
ESP泵330可以是在每一级包含叶轮和扩散器的多级离心泵。在部署之前，通过计算机系统，诸如图8中的BHP预测器系统800，使用粘性BHP预测方法，诸如图7A中的方法701，来预测ESP泵330的性能。基于所述预测，ESP泵330的尺寸可以设计为用于实现海上井系统300的应用。ESP泵330的尺寸设计为并且选择为应使得能够将感兴趣的流体，诸如油或其他碳氢化合物，通过生产管道322高效地泵送到海上平台305上的储罐。
在一些实施例中，ESP泵330可以是水平地面泵、螺杆泵或电潜螺杆泵。马达密封部段和进气部段可在ESP马达314和ESP泵330之间延伸。井套管325可以将ESP组件310与水340和地下地层345分开。井套管325中的穿孔可以允许来自地下地层345的感兴趣的流体进入钻孔326。
图1和图2描述了陆上操作。本领域技术人员将理解，本公开同样很好地适用于海上操作。图1、图2和图3描绘了特定的钻孔配置，本领域技术人员将理解，本公开同样很好地适用于具有其他方位的钻孔，其包含竖直钻孔、水平钻孔、倾斜钻孔、多边钻孔和其他钻孔类型。
图4A是示例曲线图400的图示，展示了在给定RPM下使用绝对粘度的泵在水中的归一化流速和归一化K-R数之间的关系，如等式1中所示。绘图区域410中示出的点随着泵设计的变化而变化，并且也是泵特定设计参数的函数。绘图区域410的点可以用于预测泵在不同RPM和不同流体中的BHP。
X轴线405示出了使用泵的水性能规格确定的归一化流速。对于给定的RPM，使用参考点处的流速(例如BEP)对来自水性能规格的流速进行归一化。对于归一化，流速中的每个都可以除以BEP流速。
Y轴线406示出了使用泵的水性能规格确定的归一化K-R数。使用等式1、流速和来自水性能规格的其他参数，可以计算K-R数。这示出为点415，其中BEP流速和BEPK-R数两者都是1。然后粘性流体的计算的K-R数使用上述K-R数和BEP处的流速进行归一化。
图4B是示例曲线图430的图示，展示了在给定RPM下使用运动粘度的泵在水中的归一化流速和归一化K-R数之间的关系，如等式2中所示。绘图区域440中示出的点随着泵设计的变化而变化，并且也是泵特定设计参数的函数。绘图区域440的点可以用于预测泵在不同RPM和不同流体中的BHP。
X轴线435示出了使用泵的水性能规格确定的归一化流速。对于给定的RPM，使用参考点处的流速(例如BEP)对来自水性能规格的流速进行归一化。对于归一化，流速中的每个都可以除以BEP流速。
Y轴线436示出了使用泵的水性能规格确定的归一化K-R数。使用等式2、流速和来自水性能规格的其他参数，可以计算K-R数。这示出为点445，在此点处，BEP流速和BEP K-R数都是1。然后粘性流体的计算的K-R数使用上述K-R数和BEP处的流速进行归一化。
图5A是示例曲线图500的图示，展示了使用绝对粘度的各种粘性流体的归一化流速和归一化K-R数之间的关系，如等式1中所示。X轴线505示出了各种粘性流体的归一化流速。Y轴线506示出了粘性流体的对应归一化K-R数。与图4A中的曲线图400不同，曲线图500是针对除水之外的流体的。绘图区域510示出了几种不同流体粘度的数据点。
流体包含具有的粘度为6cP(空心正方形)的第一流体、具有的粘度为9cP(空心三角形)的第二流体、具有的粘度为19cP(实心矩形)的第三流体、粘度为35cP(空心菱形)的第四流体、具有的粘度为50cP(X)的第五流体、具有的粘度为90cP(空心圆形)的第六流体、具有的粘度为100cP(实心正方形)的第七流体、具有的粘度为140cP(实心三角形)的第八流体、具有的粘度为190cP(内部为正方形的圆形)的第九流体、具有的粘度为244cP(+)的第十流体、具有的粘度为285cP(带斜线的圆)的第十一流体、具有的粘度为426cP(带交叉线的圆)的第十二流体、具有的粘度为541cP(带阴影背景的X)的第十三流体、以及具有的粘度为680cP(灰色圆)的第十四流体。
如图中示出的，尽管流体及其粘度不同，但粘性性能相关性，即归一化流速与对应的归一化K-R数之间的关系，保持大致相等。因此，在给定RPM下泵在水中的K-R数相关性，例如相应地在图4A和图5A中的曲线图400和曲线图500，可以用于预测泵在粘性应用中的BHP，诸如井下操作中各种粘度的流体。
图5B是示例曲线图530的图示，展示了使用运动粘度的各种粘性流体的归一化流速和归一化K-R数之间的关系，如等式2中所示。X轴线535示出了各种粘性流体的归一化流速。Y轴线536示出了粘性流体的对应归一化K-R数。与图4B中的曲线图430不同，曲线图530是针对水以外的流体的。绘图区域540示出了几种不同流体粘度的数据点。
流体包含具有的粘度为6cP(空心正方形)的第一流体、具有的粘度为9cP(空心三角形)的第二流体、具有的粘度为19cP(实心矩形)的第三流体、具有的粘度为35cP(空心菱形)的第四流体、具有的粘度为50cP(X)的第五流体、具有的粘度为90cP(空心圆形)的第六流体、具有的粘度为100cP(实心正方形)的第七流体、具有的粘度为140cP(实心三角形)的第八流体、具有的粘度为190cP(内部为正方形的圆形)的第九流体、具有的粘度为244cP(+)的第十流体、具有的粘度为286cP(带斜线的圆)的第十一流体、具有的粘度为426cP(带交叉线的圆)的第十二流体、具有的粘度为541cP(带阴影背景的X)的第十三流体、以及具有的粘度为680cP(灰色圆)的第十四流体。
如图中示出的，尽管流体及其粘度不同，但粘性性能相关性，即归一化流速与对应的归一化K-R数之间的关系，保持大致相等。因此，在给定RPM下泵在水中的K-R数相关性，例如相应地在图4B和图5B中的曲线图430和曲线图530，可以用于预测泵在粘性应用中的BHP，诸如井下操作中各种粘度的流体。
图6是展示示例性泵的性能曲线的示例曲线图600的图示。性能规格，诸如曲线图600，可以提供给示例性泵的用户，并且用于识别各种操作情况下的BEP。曲线图600具有示出BPD流速的x轴线605、示出以英尺为单位的每级压头的主y轴线606、示出例如每级马力的BHP的副y轴线609以及示出在绘图区域610中绘制的不同RPM下不同样品流体粘度的曲线图键608。
示例性泵操作特性是在室温、比重为1.00的大气压力和1cP的粘度下的水。对于曲线图键608中指定的固定转速，绘制了压头(例如，压力)和BHP相对于流速变化的变化。性能特征还展示了与流速的效率关系，展示了泵在BEP下的最佳性能，并且展示了泵的最佳和可靠操作以最大限度地延长泵的操作寿命的操作范围。
BEP 620示出了一些绘制的性能曲线的BEP点。BEP 620可以用于向本文使用的等式提供数据输入，即泵特性或规格，诸如流速。根据选定的粘度和RPM，可以使用BEP620数据点中的一个的规格计算初始K-R数。
图7A是预测用于粘性流体的泵的BHP的示例方法701的流程图的图示。方法701可以利用在实验室、现场测试中确定的或由泵制造商公布的泵规格来执行计算，以预测用于特定实现方式的泵的合适的BHP。方法701可由计算系统(诸如图8中的BHP预测器系统800)执行。方法700开始于步骤705，并且进行到步骤707。
在步骤707处，可以选择设计RPM。设计RPM可以与公布的、实验室的或现场测试的规格相同，例如泵的基准规格。如果设计RPM不同于基准RPM，则可以应用算法(诸如亲和定律)，将各种参数从基准RPM转换为设计RPM。
在步骤710中，可以为设计RPM计算BEP点的K-R数。对于水，可以假设粘度为1。可以接收用于计算的参数，诸如接收制造商的泵规格或接收实验室或现场测试得出的规格。此外，可以接收用户输入，诸如接收设计RPM、流速和其他用户设计参数。各种输入可由用户输入，经由电子通信接收，从存储器或计算存储位置接收，或其组合。在其他方面，使用其他流体的测试可以用于确定BEP点，并且将利用流体的粘度和泵规格。可以计算特定实现方式的第二K-R数，诸如使用等式1或等式2。与用于确定BEP规格的原始规格相比，具体实现方式可能具有不同的RPM、流速或其他参数。RPM和流速是数据输入，流体的粘度也是数据输入。
在步骤730中，第二K-R数通过使用BEP K-R数归一化原始K-R数来生成，诸如使用等式3。此外，使用BEP的原始流速生成归一化流速，诸如使用等式4。在步骤750中，使用归一化流速和归一化K-R数来计算设计BHP，诸如使用等式7。方法701在步骤770处结束。
图7B是建立在图7A基础上的归一化BEP K-R数的示例方法702的流程图的图示。方法702结合了方法700的步骤，并且包含另外的子步骤。方法701可由计算系统(诸如图8中的BHP预测器系统800)执行。方法702开始于步骤705，并且通过步骤707和步骤710进行到步骤730。步骤730包含两个潜在的子步骤，可以根据正在进行的分析和可用的参数来执行这两个子步骤。方法702可以进行到步骤732或步骤740，或步骤732和步骤740两者。
步骤732可以生成基准BEP K-R数。基准K-R数可以与一组经过测试或公布的泵规格相同，也可以根据这些规格进行修改，诸如设计RPM。基准K-R数的转换可以允许泵操作员利用其他因素调整RPM，同时能够继续预测当前操作计划的设计BHP。在步骤734中，基准BEPK-R数可以使用泵RPM的变化来归一化，诸如使用等式5。方法700可以进行到步骤740或步骤750。
步骤740可以使用亲和定律或等式6中的所述一组等式来调整基准参数。流速、压头和BHP(诸如BEP BHP)可以使用常规的亲和定律进行调整，例如，如等式6中所示。在步骤742中，调整后的基准参数可以相对于BEP参数(诸如BEP K-R数和BEP流速)归一化。然后这些调整后的基准参数还可以用于执行计算，以确定粘性流体的设计BHP。方法702进行到步骤732或步骤750。方法702在步骤770处结束。
图8是示例BHP预测器系统800的框图的图示，所述系统被构建和被配置为执行BHP预测方法，诸如方法701和方法702。BHP预测器系统800包含BHP预测器820、接口840和存储器860。应理解，为了说明的目的，已经简化了BHP预测器系统800，并且可能没有说明实际系统中可能存在的一些部件。
BHP预测器820可以是处理单元中的一个或多个，诸如中央处理单元、图形处理单元和其他类型的处理单元，其被配置为在设计RPM下预测感兴趣的流体中的给定泵的BHP。BHP预测器820可以通信地耦合到接口840和存储器860。
接口840可以是用户接口、网络接口或通信接口，其被配置为接收给定泵的水性能规格，诸如基准、实验室测试、现场测试和公布的规格，以及设计RPM和其他用户输入。接口840可以输出用于各种粘度流体的泵的设计BHP。在一些方面，井系统分析仪可以被配置为接收设计BHP以及其他参数和规格，并且执行分析以确定将在实现中使用的泵的尺寸和规格。接口840可以是收发器通信接口，其被配置为传送数据，即传输和接收数据。接口840可以包含用于传递数据的逻辑、端口、终端和连接器。端口、终端、连接器可以是用于经由通信网络传送数据的常规插座。
存储器860可以是计算机存储器，诸如高速缓存、只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器和快闪存储器。存储器860可以被配置为存储接收到的给定泵的水性能规格和来自BHP预测器820的其他计算的性能规格。存储器860还可以被配置为存储计算机可执行指令，以在BHP预测器820由此启动时指导其操作。操作指令可以对应于一个或多个算法，所述一个或多个算法预测给定泵在目标流体中在设计RPM下的BHP。
BHP预测器系统800可以是另一个计算系统的一部分，诸如膝上型计算机、平板计算机、智能手机、台式计算机、服务器、数据中心、云环境、井场控制器、井系统分析器和其他计算系统。BHP预测器系统800可在通用计算系统或专用计算系统上实现。BHP预测器可以位于接近泵实现位置，或者可以位于远处，例如实验室或办公室环境。BHP预测器系统800可以实现用于不同类型的泵，例如离心泵、旋转泵和计量泵。BHP预测器系统800可用于各种行业和领域，诸如碳氢化合物生产行业、医疗领域以及化学和石化领域。这些示例实现方式需要在泵的公开规格不足以评估泵效率的环境中泵送粘性流体。
应理解，本文所描述的方法和过程可适用于离心泵和其他类型的泵，诸如正排量泵、旋转泵和计量泵，它们可以用于处理粘性流体。还应理解，除了井生产之外，所述方法和工艺还可以用于其他石油工业应用，诸如泥浆泵性能控制和监测，以及油井中的化学注入应用，诸如粘度、防垢、防砂。在一些方面，它可以用于非碳氢化合物工业应用，诸如用于血流控制和监测的医疗领域，例如药物转移速率的测量，以及用于控制和监测化学药品的注射和混合以进行适当的化学反应的化学和石化工业。
上述设备、系统或方法的一部分可在各种模拟或数字数据处理器中实现或由各种模拟或数字数据处理器执行，其中处理器被编程或存储软件指令序列的可执行程序，以执行方法的一个或多个步骤。例如，处理器可以是可编程逻辑器件，诸如可编程阵列逻辑(PAL)、通用阵列逻辑(GAL)、现场可编程门阵列(FPGA)或另一个类型的计算机处理装置(CPD)。此类程序的软件指令可以表示算法，并且以机器可执行的形式编码在非暂时性数字数据存储介质上，例如磁盘或光盘、随机存取存储器(RAM)、磁硬盘、快闪存储器和/或只读存储器(ROM)，以使各种类型的数字数据处理器或计算机能够执行一个或多个上述方法的一个、多个或所有步骤，或这里描述的功能、系统或设备。
所公开的示例或实施例的部分可以涉及具有非暂时性计算机可读介质的计算机存储产品，所述计算机存储产品上具有用于执行各种计算机实现的操作的程序代码，所述操作实施了设备、装置的一部分或执行本文阐述的方法的步骤。本文使用的非暂时性是指除暂时性传播信号之外的所有计算机可读介质。非暂时性计算机可读介质的示例包含但不限于：诸如硬盘、软盘和磁带的磁性介质；CD-ROM光盘等光学媒体；磁光介质，诸如软盘；以及专门用于存储和执行程序代码的硬件装置，诸如ROM和RAM装置。程序代码的示例包含机器代码(诸如由编译器产生的)和包含可由计算机使用解释器执行的高级代码的文件。
在说明本公开时，所有术语应以与上下文一致的最广泛的可能方式来解释。具体而言，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应被解释为以非排他性的方式指代元件、部件或步骤，指示所引用的元件、部件或步骤可以存在，或被利用，或与未明确引用的其他元件、部件或步骤组合。
本申请所涉及领域的技术人员将理解，可以对所描述的实施例进行其他和进一步的添加、删除、替换和修改。还应理解，本文使用的术语仅是为了描述特定的实施例，而不是为了进行限制，因为本公开的范围将仅由权利要求来限定。除非另有限定，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开本领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管类似于或等效于本文所描述的任何方法和材料也可以用于本公开的实践或测试，但本文描述了有限数量的示例性方法和材料。
本文公开的方面包含：
A.一种预测泵的设计BHP的方法，包含：(1)选择泵的设计RPM，(2)使用流体的粘度、泵的原始流速和第一BHP计算原始K-R数，其中计算在受控的环境条件下执行，(3)利用原始K-R数和BEP K-R数生成归一化K-R数，以及利用原始流速和BEP流速生成归一化流速，其中使用水性能规格为泵计算BEP K-R数和BEP流速，以及(4)计算设计RPM的设计BHP，其中为设计RPM确定BEP BHP，并且设计BHP等于((归一化流速^B*BEP BHP)/归一化K-R数)，其中当粘度为绝对粘度时，B等于2，并且当粘度为运动粘度时，B等于1。
B.一种确定泵的设计BHP的系统，包含：(1)接口，其能够接收泵的基准规格并且接收用户输入；以及(2)BHP预测器，其通信地耦合到接口和存储器，能够计算设计RPM的一种或多种类型的K-R数，确定BEP参数，转换流体粘度，转换流速，归一化K-R数和流速，并且利用基准规格计算设计BHP。
C.一种计算机程序产品，其具有存储在非暂时性计算机可读介质上的一系列操作指令，所述一系列操作指令在被执行时指导数据处理设备执行操作以预测泵的设计BHP，所述操作包含：(1)选择泵的设计RPM；(2)使用流体的粘度、以及泵的原始流速和第一BHP来计算原始K-R数，其中所述计算在受控的环境条件下执行；(3)利用原始K-R数和BEP K-R数生成归一化K-R数，以及利用原始流速和BEP流速生成归一化流速，其中使用水性能规格为泵计算BEP K-R数和BEP流速，以及(4)为设计RPM计算设计BHP，其中为设计RPM确定BEP BHP，并且设计BHP等于((归一化流速^B*BEP BHP)/归一化K-R数)，其中当粘度为绝对粘度时，B等于2，并且当粘度为运动粘度时，B等于1。
方面A、B和C中的每一个都可以组合具有一个或多个以下另外的要素。要素1：其中BEP K-R数是归一化BEP K-R数。要素2：使用水性能规格和泵的基准RPM生成基准BEP K-R数。要素3：修改设计RPM的归一化BEP K-R数。要素4：其中归一化BEP K-R数等于(基准BEPK-R数*(基准RPM/设计RPM)^A))。要素5：其中当粘度为绝对粘度时，A等于4。要素6：当粘度为运动粘度时，A等于2.5。要素7：使用设计RPM调整基准规格。要素8：调整后的流速等于(基准流速*(设计RPM/基准RPM))。要素9：调整后的BHP等于(基准BHP*(设计RPM/基准RPM)^3)。要素10：使用调整后的流速和调整后的BHP确定归一化BEP K-R数。要素11：其中粘度是绝对粘度，原始流速是质量流速，原始K-R数的计算等于(质量流速^2.0)/(BHP*绝对粘度)。要素12：其中粘度为运动粘度，原始流速为质量流速，原始K-R数等于(质量流速*运动粘度^0.5)/(设计RPM^0.5*BEP BHP)。要素13：其中原始流速是体积流速，并且计算使用流体的密度将体积流速转换成质量流速。要素14：其中泵是离心泵、旋转泵、正排量泵或计量泵中的一者。要素15：其中所述泵用于医疗领域、化学领域、石化领域或碳氢化合物生产领域。要素16：其中利用设计BHP来预测泵的马达参数，并且泵是泥浆泵、碳氢化合物泵、渣浆泵、液压泵、砂泵或盐水泵中的一者。要素17：利用设计BHP、泵、流体粘度和马达参数分析井操作计划，以确定泵的参数和泵的级数量。要素18：其中泵的参数包含设计RPM、级直径、设计流速、液压设计、压头值和流体粘度处理。要素19：其中BHP预测器还能够执行计算。要素20：归一化BEP K-R数等于(基准BEP K-R数*(基准RPM*(基准RPM/设计RPM)^5))。要素21：原始K-R数等于(质量流速^2.0)/(BEP BHP*绝对粘度)。要素22：原始K-R数等于(质量流速*运动粘度^0.5)/(设计RPM^0.5*BEP BHP)。要素23：其中BHP预测器还能够实现亲和定律。要素24：调整后的流速等于(基准流速*(设计RPM/基准RPM))。要素25：调整后的BHP等于(基准BHP*(设计RPM/基准RPM)^3)。要素26：其中利用设计BHP来预测泵的马达参数，并且泵是泥浆泵、碳氢化合物泵、渣浆泵、液压泵、砂泵或盐水泵中的一者。要素27：井系统分析仪，其能够利用设计BHP、泵、流体粘度和马达参数分析井操作计划，以确定泵的参数和泵的级数量，其中泵的参数包含设计RPM、级直径、流速、液压设计、压头值和流体粘度处理。

Claims (20)

1.一种预测泵的设计制动马力(BHP)的方法，所述方法包括：
选择所述泵的设计每分钟转数(RPM)；
使用流体的粘度以及所述泵的原始流速和第一BHP计算原始Ketan-Robert(K-R)数，其中所述计算是在受控环境条件下执行的；
利用所述原始K-R数和最佳效率点(BEP)K-R数生成归一化K-R数，以及利用所述原始流速和BEP流速生成归一化流速，其中所述BEP K-R数和所述BEP流速是使用水性能规格为所述泵计算的；以及
计算所述设计RPM的所述设计BHP，其中为所述设计RPM确定BEP BHP，并且所述设计BHP等于((所述归一化流速^B*所述BEP BHP)/所述归一化K-R数)，其中当所述粘度是绝对粘度时B等于2，并且当所述粘度是运动粘度时B等于1。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述BEP K-R数是归一化BEP K-R数，所述方法还包括：
使用所述水性能规格和所述泵的基准RPM生成基准BEP K-R数；以及
修改所述设计RPM的所述归一化BEP K-R数，其中所述归一化BEP K-R数等于(所述基准BEP K-R数*(所述基准RPM/所述设计RPM)^A))，其中当所述粘度为绝对粘度时A等于4，并且当所述粘度为运动粘度时A等于2.5。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述BEP K-R数是归一化BEP K-R数，所述方法还包括：
使用所述设计RPM调整基准规格，其中调整后的流速等于(基准流速*(所述设计RPM/基准RPM))，并且调整后的BHP等于(基准BHP*(所述设计RPM/基准RPM)^3)；以及
使用所述调整后的流速和所述调整后的BHP确定所述归一化BEP K-R数。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘度是绝对粘度，并且所述原始流速是质量流速，并且所述原始K-R数的所述计算等于(所述质量流速^2.0)/(所述BHP*所述绝对粘度)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘度为运动粘度，并且所述原始流速为质量流速，并且所述原始K-R数等于(所述质量流速*所述运动粘度^0.5)/(所述设计RPM^0.5*所述BEP BHP)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述原始流速是体积流速，并且所述计算使用所述流体的密度将所述体积流速转换成质量流速。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述泵是离心泵、旋转泵、正排量泵或计量泵中的一者。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述泵用于医疗领域、化学领域、石化领域或碳氢化合物生产领域。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述设计BHP用于预测所述泵的马达参数，并且所述泵是泥浆泵、碳氢化合物泵、渣浆泵、液压泵、砂泵或盐水泵中的一者。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：
利用所述设计BHP、所述泵、所述流体的所述粘度和所述马达参数分析井操作计划，以确定所述泵的参数和所述泵的级数量，其中所述泵的所述参数包含所述设计RPM、级直径、设计流速、液压设计、压头值和流体粘度处理。
11.一种确定泵的设计制动马力(BHP)的系统，所述系统包括：
接口，能够接收所述泵的基准规格并且接收用户输入；以及
BHP预测器，通信地耦合到所述接口，能够计算设计每分钟转数(RPM)的一种或多种类型的Ketan-Robert(K-R)数，确定最佳效率点(BEP)参数，转换流体粘度，转换流速，归一化所述K-R数和所述流速，并且利用基准规格计算设计BHP。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述BHP预测器还能够执行计算，包括：
归一化BEP K-R数等于(基准BEP K-R数*(基准RPM*(基准RPM/所述设计RPM)^5))；
原始K-R数等于(质量流速^2.0)/(BEP BHP*绝对粘度)；以及
原始K-R数等于(质量流速*运动粘度^0.5)/(所述设计RPM^0.5*BEP BHP)。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述BHP预测器还能够实现亲和定律，包括：
调整后的流速等于(基准流速*(所述设计RPM/基准RPM))；以及
调整后的BHP等于(基准BHP*(所述设计RPM/基准RPM)^3)。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的系统，其中所述设计BHP用于预测所述泵的马达参数，并且所述泵是泥浆泵、碳氢化合物泵、渣浆泵、液压泵、砂泵或盐水泵中的一者。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的系统，所述系统还包括：
井系统分析仪，其能够利用所述设计BHP、所述泵、所述流体粘度和所述马达参数分析井操作计划，以确定所述泵的参数和所述泵的级数量，其中所述泵的所述参数包含所述设计RPM、级直径、所述流速、液压设计、压头值和流体粘度处理。
16.一种计算机程序产品，具有存储在非暂时性计算机可读介质上的一系列操作指令，所述指令在由数据处理设备执行时引导所述数据处理设备执行预测泵的设计制动马力(BHP)的操作，所述操作包括：
选择所述泵的设计每分钟转数(RPM)；
使用流体的粘度以及所述泵的原始流速和第一BHP计算原始Ketan-Robert(K-R)数，其中所述计算是在受控环境条件下执行的；
利用所述原始K-R数和最佳效率点(BEP)K-R数生成归一化K-R数，以及利用所述原始流速和BEP流速生成归一化流速，其中所述BEP K-R数和所述BEP流速是使用水性能规格为所述泵计算的；以及
计算所述设计RPM的所述设计BHP，其中为所述设计RPM确定BEP BHP，并且所述设计BHP等于((所述归一化流速^B*所述BEP BHP)/所述归一化K-R数)，其中当所述粘度是绝对粘度时B等于2，并且当所述粘度是运动粘度时B等于1。
17.根据权利要求16所述的计算机程序产品，其中所述BEP K-R数是归一化BEP K-R数，所述计算机程序产品还包括：
使用所述水性能规格和所述泵的基准RPM生成基准BEP K-R数；以及
修改所述设计RPM的所述归一化BEP K-R数，其中所述归一化BEP K-R数等于(所述基准BEP K-R数*(所述基准RPM/所述设计RPM)^A))，其中当所述粘度为绝对粘度时A等于4，并且当所述粘度为运动粘度时A等于2.5。
18.根据权利要求16所述的计算机程序产品，其中所述BEP K-R数是归一化BEP K-R数，所述计算机程序产品还包括：
使用所述设计RPM调整基准规格，其中调整后的流速等于(基准流速*(所述设计RPM/基准RPM))，并且调整后的BHP等于(基准BHP*(所述设计RPM/基准RPM)^3)；以及
使用所述调整后的流速和所述调整后的BHP确定所述归一化BEP K-R数。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的计算机程序产品，其中所述设计BHP用于预测所述泵的马达参数，并且所述泵是泥浆泵、碳氢化合物泵、渣浆泵、液压泵、砂泵或盐水泵中的一者，并且利用所述设计BHP、所述泵、所述流体的所述粘度和所述马达参数分析井操作计划，以确定所述泵的参数和所述泵的级数量，其中所述泵的所述参数包含所述设计RPM、级直径、设计流速、液压设计、压头值和流体粘度处理。
20.根据权利要求16至18中任一项所述的计算机程序产品，其中所述泵是离心泵、旋转泵、正排量泵或计量泵中的一者。
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