渤海B 油田電潛泵長(zhǎng)距離控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李 越，于法浩，宋 鑫，陳 征，方 濤

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

渤海油田為中國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)的主力油田[1]，隨著可供開(kāi)發(fā)的整裝優(yōu)質(zhì)油田數(shù)量減少，巖性復(fù)雜的低滲透儲(chǔ)量、經(jīng)濟(jì)效益較差的小型儲(chǔ)量和稠油儲(chǔ)量比例逐漸增大。海上邊際油田具有儲(chǔ)量小、豐度低、產(chǎn)量不大、生產(chǎn)年限較短的特點(diǎn)[2]，作為海上油田開(kāi)發(fā)的三大難題之一，常規(guī)開(kāi)發(fā)模式達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的難度較大，邊際油田開(kāi)發(fā)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。目前海上邊際油田開(kāi)發(fā)主要采用小型平臺(tái)[3]，并將油氣水通過(guò)海管集輸至陸地終端或具有油水處理設(shè)備的平臺(tái)進(jìn)行處理，人工舉升方式采用電潛泵[4]。

渤海B 油田水深約20 m，擬新建一座井口平臺(tái)+一座動(dòng)力平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，兩平臺(tái)距離約5 km，電氣設(shè)備的放置位置將直接影響投資成本，若將電氣設(shè)備放置于動(dòng)力平臺(tái)，則電潛泵或混輸泵的長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)及控制是此類開(kāi)發(fā)方式的技術(shù)難題。電潛泵長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)通過(guò)將變頻器、變壓器和濾波器放置于依托平臺(tái)，對(duì)井下機(jī)組實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，為邊際油田的開(kāi)發(fā)提供了新思路。目前世界上，挪威北海Otter 油田變頻器驅(qū)動(dòng)23.4 km電纜實(shí)現(xiàn)水井下雙電潛泵供電運(yùn)行[5，6]；國(guó)內(nèi)以南海流花16-2 油田實(shí)現(xiàn)FPSO 通過(guò)25 km 海底電纜驅(qū)動(dòng)水下電潛泵生產(chǎn)的范例[7]。渤海B 油田海纜+電纜總長(zhǎng)＜8 km，該項(xiàng)技術(shù)在渤海開(kāi)發(fā)尚屬先例，同樣面臨長(zhǎng)距離供電存在的系統(tǒng)諧波大、啟動(dòng)控制難及設(shè)備運(yùn)行可靠等技術(shù)問(wèn)題[8]。本文針對(duì)渤海B 油田電潛泵長(zhǎng)距離控制系統(tǒng)開(kāi)展研究與設(shè)計(jì)，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，提出解決對(duì)策，為邊際油田經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)提供參考。

1 電潛泵長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程控制面臨的技術(shù)難點(diǎn)

電潛泵長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程控制主要面臨系統(tǒng)可靠性要求高、電流及電壓諧波含量高、電纜壓降大和電機(jī)啟動(dòng)難等問(wèn)題。

（1）系統(tǒng)可靠性要求高。海上油田設(shè)備投資及維修成本高，同時(shí)電潛泵的啟停頻率高，渤海B 油田電潛泵長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)置于距井口平臺(tái)5 km 之外的動(dòng)力平臺(tái)，保證關(guān)鍵設(shè)備的可靠性對(duì)降低生產(chǎn)過(guò)程中的操作運(yùn)營(yíng)成本具有重要意義。

（2）電流及電壓諧波含量高。諧波的產(chǎn)生是由于非線性負(fù)載所加的電壓與電流不成正比，因此帶來(lái)畸變。變頻器控制井下潛油電機(jī)用于油井調(diào)產(chǎn)具有明顯優(yōu)勢(shì)，已在海上平臺(tái)廣泛應(yīng)用，但在一個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)中大量應(yīng)用變頻設(shè)備會(huì)產(chǎn)生諧波污染，影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。

（3）電纜壓降大。應(yīng)用等效電路的方法，長(zhǎng)電纜可等效成一個(gè)大電阻，這會(huì)導(dǎo)致變頻器輸出側(cè)的電壓經(jīng)過(guò)長(zhǎng)電纜輸送抵達(dá)電機(jī)輸入側(cè)后，電壓值過(guò)低。一方面會(huì)增大無(wú)功功率，另一方面會(huì)降低電機(jī)的輸出效率。

（4）電機(jī)啟動(dòng)難。電機(jī)的啟動(dòng)扭矩與電壓的平方成正比，長(zhǎng)電纜條件下，變頻器施加到電機(jī)上的電壓勢(shì)必會(huì)降低，潛油電機(jī)啟動(dòng)條件需驗(yàn)證。

2 電潛泵長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)框架及基礎(chǔ)參數(shù)

2.1 電潛泵長(zhǎng)距離供電系統(tǒng)框架

渤海B 油田長(zhǎng)距離供電系統(tǒng)框架（見(jiàn)圖1），動(dòng)力平臺(tái)低壓盤接0.38 kV 電壓，連接中壓變頻器，通過(guò)約5 km 的海底電纜將電力分配至井口平臺(tái)，和2 km 井下電纜連接為電潛泵提供動(dòng)力。

圖1 渤海B 油田長(zhǎng)距離供電系統(tǒng)框架圖

2.2 基礎(chǔ)參數(shù)

以渤海B 油田A1 井為例，選用符合該井耗電量需求的井下電機(jī)、電纜及海纜，詳細(xì)參數(shù)（見(jiàn)表1、表2）。

表1 渤海B 油田A1 井潛油電機(jī)參數(shù)

3 電潛泵長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

3.1 電纜壓降分析

當(dāng)電纜長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)（＞100 m），那么電纜壓降及損耗便不可忽略，需驗(yàn)證長(zhǎng)距離條件下的設(shè)備參數(shù)及合理性。目前尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電潛泵長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的壓降值做以規(guī)定，因此參考行業(yè)內(nèi)普適性建議，將變頻器輸出電壓值的20 %作為電潛泵長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)供電線路允許的最大壓降。以渤海B 油田A1井適配的三種112 kW（見(jiàn)表1）電機(jī)參數(shù)為例，參考SY/T 5904-2004 標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展海纜及潛油電纜壓降計(jì)算與分析。

針對(duì)渤海B 油田5 000 m 海纜長(zhǎng)度，以常用海纜尺寸70 mm2和150 mm2對(duì)不同輸出電流開(kāi)展壓降計(jì)算（見(jiàn)圖2）。在相同溫度條件下，單位長(zhǎng)度電阻和截面積成反比關(guān)系，因此海纜截面積越大，海纜壓降值越小；在相同海纜截面積條件下，單位長(zhǎng)度電阻和溫度成正比關(guān)系，因此海纜在供電時(shí)電纜壓降高于未供電情況；在相同海纜長(zhǎng)度條件下，輸出電流值越高，海纜壓降值越大。在經(jīng)濟(jì)效益及海纜尺寸允許條件下，盡可能選用大截面積的海纜。

圖2 5 000 m 海纜壓降損失圖

對(duì)三種112 kW 電機(jī)以渤海油田常用4# 電纜為例，對(duì)不同電纜長(zhǎng)度及溫度開(kāi)展壓降計(jì)算（見(jiàn)圖3）。以M 電機(jī)參數(shù)為基準(zhǔn)，對(duì)不同電纜長(zhǎng)度及電纜型號(hào)開(kāi)展壓降計(jì)算（見(jiàn)圖4）。相同功率電機(jī)在額定工況下，電流值越小，電纜壓降越低；相同電流條件下，電纜長(zhǎng)度越短，電纜截面積越大，電纜壓降越低。因此在電潛泵長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程控制方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用高電壓、低電流的潛油電機(jī)，并盡可能選用大截面積的電纜。

A1 井所需電纜長(zhǎng)度為2 000 m，選用4#電纜和70 mm2海纜作為該井設(shè)計(jì)方案，計(jì)算三種型號(hào)電機(jī)的壓降值，并確定變頻器輸出電壓最低值（見(jiàn)表3）。由此可見(jiàn)，電纜壓降百分比均＜20 %，低于行業(yè)要求；變頻器輸出電壓值應(yīng)＞2 367 V。

3.2 長(zhǎng)距離啟動(dòng)分析

在常用的V/F 控制模式下，需要核算長(zhǎng)距離電纜拖帶電機(jī)的啟動(dòng)能力。渤海B 油田屬于輕質(zhì)油，原油黏度低，油品性質(zhì)較好，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定電潛泵克服摩擦力開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)的摩擦扭矩為額定扭矩的10 %。海上平臺(tái)變頻器常規(guī)選用U/f 控制方式，根據(jù)變頻器供電條件下電機(jī)啟動(dòng)特性計(jì)算方法，以M 電機(jī)靜態(tài)直流電阻0.9 Ω 為例，對(duì)不同型號(hào)2 000 m 潛油電纜結(jié)合70 mm2不同長(zhǎng)度海底電纜（0～5 000 m）開(kāi)展計(jì)算啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩分析（見(jiàn)圖5）。

當(dāng)頻率固定時(shí)，電機(jī)的啟動(dòng)扭矩與電壓的平方成正比，以渤海B 油田A1 井選用4#潛油電纜2 000 m+70 mm2海底電纜5 000 m 為例，長(zhǎng)電纜工況下，變頻器施加到電機(jī)上的電壓僅為其輸出電壓的0.24 倍，其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的5.76 %，在U/f 控制模式下無(wú)法啟動(dòng)潛油電機(jī)。

表2 渤海B 油田海底電纜及潛油電纜參數(shù)

圖3 4#電纜不同電纜長(zhǎng)度及電機(jī)參數(shù)壓降損失圖

圖4 M 電機(jī)不同電纜長(zhǎng)度及尺寸壓降損失圖

表3 渤海B 油田A1 井三種型號(hào)電機(jī)壓降參數(shù)表

圖5 M 電機(jī)不同電纜型號(hào)及海纜長(zhǎng)度壓降損失圖

針對(duì)電潛泵長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)電機(jī)U/f 控制模式啟動(dòng)困難的情況，可選用中壓變頻器配合矢量控制的方法，主動(dòng)抬升電機(jī)端電壓，從而提升電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)渤海B 油田生產(chǎn)井電潛泵長(zhǎng)距離啟動(dòng)。

3.3 電網(wǎng)諧波影響分析

由于變頻器作為潛油電機(jī)的地面控制設(shè)備用于油井的調(diào)產(chǎn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被大量應(yīng)用于海上平臺(tái)。但這也帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題，即在一個(gè)小的獨(dú)立電網(wǎng)中大量集中應(yīng)用變頻器會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染，影響到其他設(shè)備的正常運(yùn)行。參考電氣電子工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEEE519 和國(guó)標(biāo)GB/T 14549-1993 等，將電網(wǎng)的諧波畸變保持在5 %以下，可保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。

諧波問(wèn)題主要可通過(guò)：多脈沖整流、IGBT 整流、無(wú)源濾波器和有源濾波器來(lái)降低諧波畸變率和高次諧波。渤海B 油田選用含有多脈沖整流和LC 濾波器的中壓變頻器，避免長(zhǎng)線電纜驅(qū)動(dòng)時(shí)由于諧波反射對(duì)電纜和電機(jī)受到損壞。在增加LC 濾波器后，對(duì)不同頻率下電流及諧波畸變進(jìn)行模擬。

增加LC 濾波器后，在40 Hz 工況下，電機(jī)端諧波畸變度為0.7 %，在50 Hz 工況下，電機(jī)端諧波畸變度為1.6 %，滿足諧波畸變度＜5 %的要求。但由于方案設(shè)計(jì)階段海纜、電纜、電機(jī)和變頻器參數(shù)與最終投產(chǎn)參數(shù)可能存在差異，上述模擬結(jié)果僅能代表總體趨勢(shì)，建議最終投產(chǎn)方案確定后，對(duì)電網(wǎng)諧波影響進(jìn)行再度矯正，保證海纜、電纜和設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行。

3.4 方案設(shè)計(jì)

渤海B 油田動(dòng)力平臺(tái)采用透平發(fā)電，變頻器輸入電壓為0.38 kV/50 Hz。經(jīng)過(guò)對(duì)電纜壓降、電機(jī)啟動(dòng)特性和電網(wǎng)諧波的計(jì)算與分析，最終確定選用多級(jí)聯(lián)型中壓變頻器，內(nèi)部采用18 脈整流并配合LC 濾波器消除諧波，保證正弦波輸出；配以矢量控制模式確保潛油電機(jī)穩(wěn)定啟動(dòng)；結(jié)合電纜壓降和電機(jī)需求，選用輸入側(cè)0.38 kV—輸出側(cè)0～3.3 kV 電壓等級(jí)，并匹配潛油電機(jī)功率的中壓變頻器。

同時(shí)，對(duì)比將低壓變頻設(shè)備放置于新建平臺(tái)的常規(guī)方案（低壓變頻方案），動(dòng)力平臺(tái)增加甲板面積100 m2，新建平臺(tái)減少500 m2，整體平臺(tái)結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，可節(jié)約初期投資約2 000 萬(wàn)元，為渤海邊際油田經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)提供了新方向（見(jiàn)表4）。

表4 渤海B 油田方案比選

4 結(jié)論

（1）渤海B 油田電潛泵長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，建議選用高電壓、低電流的潛油電機(jī)降低電纜壓降損耗；選用中壓變頻器配合矢量控制，主動(dòng)升高電機(jī)側(cè)輸入電壓，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離電機(jī)啟動(dòng)；增加LC 濾波器降低高頻諧波影響，提高平臺(tái)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

（2）結(jié)合渤海B 油田特點(diǎn)，創(chuàng)新形成具有邊際油田特色的電潛泵長(zhǎng)距離控制系統(tǒng)方案，相比于常規(guī)低壓變頻控制系統(tǒng)方案，在基本不增加動(dòng)力平臺(tái)面積的基礎(chǔ)上，減少新建平臺(tái)甲板面積約500 m2，節(jié)約初期投資2 000 萬(wàn)元，降低邊際油田開(kāi)發(fā)門檻，提高經(jīng)濟(jì)效益，為邊際油田開(kāi)發(fā)提供新思路。