小排量潛油直驅螺桿泵采油技術研究與應用

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710021)

長慶油田位于鄂爾多斯盆地，是世界上典型的“三低”油田，以大井組定向井開發為主(占90%以上)，多數井采用抽油機有桿泵舉升技術，單井產液量低，存在桿管偏磨、系統效率低等問題，成為油田提效降耗的瓶頸之一。近年來，長慶油田偏磨作業井數及頻次逐年增多，桿管偏磨突出。產液量越低，舉升液體的有效能耗越少，系統效率也越低，日產液低于2 m3油井占總井數34%，系統效率不到14%，提效難度較大。

為了解決上述問題，開展了小排量潛油直驅螺桿泵采油技術研究與探索試驗。解決了有桿泵的桿管偏磨問題。由于沒有抽油桿、減速器等傳動環節，系統效率大幅提升。整個系統安全可靠、運行平穩、結構簡單、操作方便，具有廣泛的應用前景[1-5]。

1 潛油直驅螺桿泵采油工藝

潛油直驅螺桿泵采油工作原理就是利用動力電纜將電力傳送給井下潛油電機，電機通過柔性聯軸器直接驅動螺桿泵轉子轉動，井液經過螺桿泵增壓后，被舉升到地面。系統組成如圖1所示，包括地面數控系統、電纜專用井口、動力電纜、螺桿泵、聯軸器、保護器和永磁同步電機。永磁同步電機置于設備的低端，通過保護器與聯軸器連接至螺桿泵轉子，電機帶動螺桿泵轉子將原油從泵的輸入端推進到輸出端并舉升至地面。由地面控制系統對工作參數( 沖程、沖次) 進行調節，對電機溫度、電流、電壓和功率進行監測，實現對電機的保護。

1—防脫錨；2—電機；3—電機沉降式保護器；4—電機膠囊保護器；5—柔性聯軸器；6—進液口；7—螺桿泵；8—扶正器；9—單向閥；10—油管柱；11—套管；12—電纜；13—防氣井口；14—接線盒；15—電纜；16—電控柜；17—變壓器。圖1 潛油直驅螺桿泵采油系統組成

2 采油系統主要技術參數

揚程

<2 000 m

液量

1.5～5.0 m3/d

沉沒度

>50 m

電壓

380、660 V

井溫

<120 ℃

3 配套工具與設備

3.1 永磁同步電機

永磁同步電機作為井下的動力源，采用的是一種新型級聯電機，具有低轉速輸出大轉矩的動力優點，調速范圍廣、平滑，去掉了電機與泵之間的大直徑減速器?？紤]到電機在井下的通過性，進一步對電機定轉子外徑、定子槽數、永磁體寬度、熱負荷和電流密度等進行優化設計。永磁體選用耐溫200 ℃的38EH高性能釹鐵硼永磁體來提升材料性能。將電機外徑由原來的?114 mm減小至?100 mm，對于有輕微套變、較大狗腿度的油井，也有很好的適應性。同時，油套環空變大，還可增設溫度、壓力等井下測試設備。電機轉速為100～500 r/min，工作轉矩為500～700 N·m，電機外徑100 mm，定子外徑90 mm，轉子外徑53 mm，永磁體采用38EH，啟動轉矩為1100 N·m，耐溫120 ℃，承壓25 MPa。

3.2 螺桿泵

螺桿泵由定子和轉子組成。定子是內部模壓高彈性合成橡膠的鋼管，轉子是一個細長的金屬螺桿。定轉子之間形成一個封閉腔，當轉子在定子內部轉動時，螺旋腔體會從一端移向另一端，吸入口的液體會隨著腔體的螺旋移動向泵出口端排出，經油管輸送至地面。展開現場試驗前，需要對井液進行分析化驗，優化設計定轉子初始過盈量，優選橡膠材料，確保較高的泵效和舉升能力。

3.3 電機保護器

電機保護器是潛油直驅螺桿泵采油機組中的重要組成部分之一，所起的作用是平衡電動機內外壓力，防止井液進入電動機，為軸承、電機等組件提供潤滑油。設計了“膠囊+沉淀”新型結構，如圖2，此結構不受井斜限制，可在水平井中使用，增加了機組的適應性。設置在下沉降室上方的止推軸承裝置用來承受泵及保護器的軸向力[6]。

1—膠囊式保護器；2—沉淀式保護器；3—軸承倉。圖2 “膠囊+沉淀”復合式保護器結構

3.4 柔性聯軸器

柔性聯軸器上端接螺桿泵轉子，下端接保護器，作用是將電機輸出的轉矩傳遞給螺桿泵[7]，還將電機輸出軸的同心運動轉化成螺桿泵動子所需要的偏心運動，同時還承受螺桿泵轉子反作用過來的軸向壓力。井液通過聯軸器上的孔眼流入到泵的輸入端。

3.5 地面控制系統

地面控制系統的主要功能是運行控制、工況分析、過程控制、系統保護和數據傳輸[8]?？刂葡到y流程如圖3。電機控制采用無編碼器全閉環矢量控制模式，實現速度、位置以及定子電流的三閉環伺服控制。在實現無機械編碼器的基礎上，電機控制采用基于32位DSP的直接轉矩(DTC)控制理論，實現了對電機速度、位置以及定子電流的三閉環控制，即伺服控制，控制器實時跟蹤負載變化輸出相應的電壓和電流，精確控制電機速度和轉矩，柔性平滑驅動電機，大幅降低系統損耗，具有功率因數高、啟動轉矩大、系統效率高等特點。還可對電機欠載、過載、過電壓、欠電壓、短路、電機接地、過熱、三相電壓及電流不平衡等有效保護。定向井潛油電機熱傳導測算模型，能夠推算井下電機溫度、及時優化電控參數，保護系統運行。

圖3 控制原理

4 室內試驗

潛油直驅螺桿泵整套系統進行質量、性能及穩定性室內測試與下井試驗評價，對7.5 kW電機絕緣電阻、繞組直流電阻不平衡率、負載、堵轉和最大轉矩測試等特性開展室內試驗，試驗參考標準GB/T16750—2008《潛油電泵機組》規定要求。

4.1 電機絕緣電阻測試

電機置于空氣中，測試分別使用量程500、1 000 V兆歐表。測試結果顯示，電機絕緣電阻為1 133 MΩ，達到標準中大于1 000 MΩ的要求。

4.2 三相電阻不平衡率測試

為了檢查電機加工工藝有無缺陷，需要對電機的三相干直流電阻進行測試，并計算三相繞組直流不平衡率。使用直流電阻測量表對三相電阻進行測試，按星接法計算三相直流不平衡率，結果為0.42%，達到標準中要求的<2%的要求。

4.3 空載測試

在額定電壓1.3倍時，測試電流、電壓及功率。根據測試結果計算電機三相電流不平衡率。三相電流不平衡率分別為1.99%、0.20%、2.32%，達到要求(<10%)。

4.4 溫升測試

電機在負載情況下正常運轉2 h，待溫升達到穩定后停機，在第一時間測量繞組熱態直流電阻，并以相同的時間間隔測試電阻值。測試結束后計算定子繞阻平均溫升值。計算結果為42.5 ℃，達到標準要求的<120 ℃的要求。

4.5 轉矩測試

為了測試電機在額定轉速情況下能夠提供的最大轉矩，利用變頻器供電[9]，通過逐步加負載的方法測試轉速的變化，當轉速下降時，即為其最大轉矩值。測試結果，最大轉矩為517 N·m。

4.6 下井試驗

試驗系統包括ZQLB40-40型螺桿泵和7.5 kW電機，模擬井井深54 m，套管139.7 mm(5英寸)，介質為水，加熱設備為電磁加熱器，采用磁電流量計、40 MPa防震壓力表、水銀溫度計、自吸泵。試驗轉速為100～500 r/min，井口憋壓10 MPa，分析其轉速、流量、壓力、電流和輸入功率等參數間的關系。在轉速恒定條件下，井口壓力越大，轉矩越大、電機效率越高。當井口壓力≥10 MPa時，轉矩≥60 N·m，電機效率≥50%(如圖4)。同等條件下，轉速越大，電機效率越高(如圖5)。

圖4 150 r/min轉速下潛油直驅螺桿泵舉升系統測試曲線

圖5 300 r/min轉速下潛油直驅螺桿泵舉升系統測試曲線

5 現場應用

經過近5 a的現場試驗，潛油直驅螺桿泵在長慶油田取得了好的應用效果。截至2017-02底，共開展15口井現場試驗(如表1)，最長無故障免修期達973 d，最大下深1 704 m，平均泵效提高35%，平均系統效率提高2.5%，平均節電率33.3%。

表1 潛油直驅螺桿泵現場試驗情況

6 結論

1) 潛油直驅螺桿泵采油技術已經進入現場試驗階段，經過不斷改進與完善，初步具備了規模試驗的條件。逐步實現了在低液量(日產液2～5 m3)、小套管(?127 mm套管)井的應用，有望解決有桿泵井管桿偏磨的治理難題，降低修井維護成本、生產耗電費用和工人勞動強度，應用前景廣闊。

2) 研制出?100 mm小直徑低轉速大轉矩潛油永磁同步電機，去掉了機械減速機構，對于有輕微套變、較大狗腿度的油井，也有很好的適應性，提升了電潛直驅螺桿泵技術在127 mm(5英寸)套管、大斜度等特殊井況中適應性。

3) 設計應用“膠囊+沉淀”復合式電機保護器，提升了在斜度較大井段的適應性；借助GPRS終端平臺實現系統的遠程實時閉環監控，提升了系統可靠性。

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