潛油永磁同步電機直驅螺桿泵采油實驗平臺

崔俊國，高 翔，鄒文強，王全賓，肖文生

（1. 中國石油大學（華東）機電工程學院 海洋物探及勘探設備國家工程實驗室，山東 青島 266580；2. 中國石油勘探開發研究院 采油采氣裝備研究所，北京 100083）

隨著油田的不斷開發，大斜度井、水平井以及高稠粘、高含砂蠟原油井逐漸增多，有桿泵采油系統和電潛離心泵采油面臨較多問題，很難滿足新的開采需求。低速大扭矩潛油永磁同步電機直接驅動螺桿泵采油作為一項新技術逐漸被油田應用[1-6]。但在使用過程中，出現了潛油永磁同步電機出力不足、退磁、溫升過高，螺桿泵磨損、漏失等問題[7-9]。近幾年，國內一些高校、科研院所、企業進行了潛油永磁同步電機研究[10-13]，但均是針對潛油永磁同步電機進行空載/負載實驗，測試加載過程較為理想，并沒有與油田采油相結合。為解決以上問題，并評價該新型采油系統的性能及可靠性，本文搭建了一種潛油永磁同步電機直接驅動螺桿泵采油實驗平臺，開展不同工況下采油綜合實驗研究；將實驗結果與理論分析進行對比，驗證理論設計與計算的有效性，為新型采油裝備的科學研究及工程化、創新型人才培養提供平臺。

1 實驗原理

潛油永磁同步電機直接驅動螺桿泵采油實驗平臺原理如圖1 所示。系統主要由低速潛油永磁同步電機、電機保護器、轉矩轉速傳感器、螺桿泵、電磁閥組、循環油路系統、控制及參數采集系統等構成。整個裝置有兩套循環油路系統：螺桿泵吸排油管路和模擬井下溫度環境循環油路。吸排油管路的工作流程為：潛油永磁同步電機直接驅動螺桿泵機組啟動，油箱1 中的原油經篩網管進入螺桿泵吸入口，螺桿泵將原油增壓排出，經過濾器、電磁閥組后返回油箱1，壓力、流量等參數被記錄下來。模擬井下溫度環境循環油路工作流程為：油箱2 下端的齒輪泵啟動，將油箱2 中的原油吸入潛油永磁同步電機環套，然后再流回油箱2；加熱棒給原油加熱，模擬井下原油溫度。

圖1 潛油永磁同步電機直接驅動螺桿泵采油實驗平臺原理圖

通過調節相關參數，利用該實驗平臺可完成如下實驗測試：

（1）調節永磁電機控制系統和油路控制系統，測量螺桿泵出口流量、壓力、油溫等參數，同時測量相應工況下潛油永磁同步電機的電壓、電流、功率、轉速、轉矩、效率、功率因數等參數。

（2）改變循環油的性質（砂、蠟、氣含量以及粘稠度等），測試針對不同井況或油井時的整機系統性能。

（3）設定不同的循環油溫度，開展不同溫升下潛油永磁同步電機的電磁性能以及不同溫度下螺桿泵運行實驗研究。

2 裝置設計

2.1 潛油永磁同步電機

潛油永磁同步電機作為該系統的核心動力裝置，其性能直接影響潛油螺桿泵機組乃至電泵井的質量和壽命，同時影響原油產量和采油成本。本實驗平臺采用一臺自主研制的10 極12 槽分數槽潛油永磁同步電機，結構如圖2 所示。主要創新在于：①電機轉子采用永磁體勵磁代替電勵磁，提高電機效率和功率因數；②轉軸采用整體式，與單元組合式潛油永磁電機相比，有效解決了轉子扭轉變形問題；③低速直驅，省掉了行星齒輪減速器及其保護器，有效縮短了傳動鏈長度，減少了故障點，提高了系統效率。

圖2 潛油永磁同步電機結構示意圖

基于Maxwell 軟件開展潛油永磁同步電機電磁結構參數設計并優化（見圖3），分析電機的轉矩、效率、轉矩脈動、溫升等評價指標。

圖3 潛油永磁同步電機磁場分布圖

2.2 吸排油管路

該管路用于模擬螺桿泵采油的過程。螺桿泵吸入口與油箱連接，排出口與循環油管路連接，油經過管路后最終進入油箱，構成循環。通過控制電機的轉速實現流量的控制，在進入油箱前端安裝有流量計，方便直觀地獲取實時流量。壓力的控制通過電磁閥組實現：每兩個電磁閥之間連接一根外徑為8 mm 的細管，改變1~8 號電磁閥的開閉順序和個數，使油經過的路線長度不同，從而使油在管路內產生的摩阻不同，實現壓力的改變。

2.3 控制及參數采集系統

該系統通過控制電機的工作頻率改變電機的轉速，同時在控制面板上顯示當前工況下的電壓、電流。轉矩轉速傳感器連接在電機保護器與萬向節之間，實時采集電機的轉矩轉速；通過溫度傳感器實時采集兩油箱中及電機殼表面的溫度值；螺桿泵輸出端的壓力傳感器實時采集循環油路壓力，流量計的數據也實時進入參數采集系統。采集到的所有參數均可在循環油路系統面板和計算機軟件中實時顯示，同時可通過軟件繪制實時曲線。

3 實驗平臺測試

根據潛油永磁同步電機直接驅動螺桿泵采油實驗平臺設計方案，完成了實驗平臺各模塊的加工及實驗室組裝，如圖4 所示。對實驗平臺調試無誤后開展實驗測試。油路壓力控制調節通過開發的模擬采油測試系統軟件實現，如圖5 所示，在人機交互界面點擊電磁閥按鍵，可控制電磁閥的開閉個數和次序，從而獲得不同的壓力參數，模擬不同的井況。

圖4 直驅螺桿泵采油實驗平臺

圖5 人機交互界面

開展了介質為理想情況下（循環油采用L-HM32#抗磨液壓油，不含砂、蠟、氣）的系統性能測試。

設定了兩組典型工況：①電機工作在額定轉速180 r/min，壓力8 MPa，模擬下泵深度800 m；②電機轉速120 r/min，壓力12 MPa，模擬下泵深度1 200 m。測試時每10 s 采樣數據一次，測得兩種工況下系統的相關參數如表1 所示。

表1 兩種工況下測得系統參數

效率是衡量采油系統且為油田重點關注的重要指標之一。需要評價的效率包括三項：電機效率、螺桿泵效率、系統效率。

將射頻模塊與導航信號基帶處理板連接后，作為RTK接收機進行差分定位測試，圖21為某次模塊應用于RTK接收機的差分結果，表明了該模塊可以應用于厘米級的應用，誤差在6 cm以下。

1）電機效率。

理論設計時，潛油永磁同步電機效率可由輸出功率和功率損耗確定：

式中，Pout為電機輸出功率，Ploss為相應工況下電機損耗的功率。

電機運行過程中功率損耗主要由銅耗PCu、鐵耗PFe、機械損耗Pfw、雜散損耗Ps四部分組成：

實驗測試時，精確測量各項損耗較為困難，可根據電機的輸入和輸出功率計算電機效率。電機輸入功率P1為

式中，U為電機穩定運行后電壓值，I為電機穩定運行后電流值，cosφN為電機的功率因數。

輸出功率P2（單位為 kW）由測得的轉矩T（單位為Nm）和轉速n（單位為r/min）計算得到：

則實測電機效率為

有限元仿真和實驗測得的兩種工況下潛油永磁同步電機效率如表2 所示。在不同的工況下，效率理論值與實測值均接近，驗證了電機設計優化的合理性。

表2 兩種工況下的效率值

2）螺桿泵效率。

由螺桿泵輸入功率和輸出功率計算。輸入功率P3為

式中，ηb為電機保護器效率，ηw為萬向節效率。

輸出功率P4（單位為kW）由螺桿泵的出口壓力p壓（單位為MPa）和流量Q（單位為m3/s）計算：

則螺桿泵效率為

3）系統效率。

潛油永磁同步電機直接驅動螺桿泵機組系統效率為

根據測得的實驗數據，得到兩組工況下的螺桿泵效率和系統效率如表3 所示。

表3 兩種工況下的螺桿泵和系統實測效率值

圖6(a)和6(b)分別為工況 1 和 2 下電機轉矩有限元仿真與實測曲線，輸出轉矩平均值和波動規律均接近，實驗結果與理論分析具有較好的一致性。工況 1下，轉矩實測值最大振幅為34.75 Nm，仿真值最大振幅為 18.77 Nm；工況 2 下，轉矩實測值最大振幅為39.30 Nm，仿真值最大振幅為22.15 Nm；誤差的主要原因是實驗時存在管路端液體流動引起的機械振動。

圖6 兩種工況下電機轉矩曲線

實驗過程中測得兩種工況下電機的溫度變化曲線如圖7 所示。電機在工況1 下運行800 s 溫度上升了6.35 ℃，在工況2 下運行800 s 溫度上升了7.57 ℃。隨著電機的運轉，電機溫度先近似直線緩慢上升，隨后趨于平緩，直至電磁-熱場雙向耦合平衡，達到穩定狀態。

圖7 兩種工況下電機溫度變化曲線

4 結語

本文搭建了潛油永磁同步電機直接驅動螺桿泵采油實驗平臺，并開展了基本性能測試實驗。結果表明，該實驗平臺可實現對不同工況下潛油永磁同步電機直接驅動螺桿泵采油綜合性能的測試及分析，能夠驗證潛油永磁同步電機優化設計的有效性，并可以拓展更多工況下的實驗測試能力，為潛油永磁同步電機直接驅動螺桿泵采油系統在油田的可靠應用提供實驗支撐。該平臺用于石油機械工程專業的實驗教學，可使學生直觀地認識并掌握電潛泵采油原理及相關技術，通過開展實驗測試及分析，使學生能夠更深層次地掌握油田人工舉升的相關知識，對培養學生科學實驗能力、跨學科知識應用能力及創新能力起到積極的作用。