小排量高揚程潛油直驅螺桿泵研制與應用

彭永剛

(大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

當前，在大慶油田外圍采油廠油井開采過程中，主要以抽油機舉升方式為主，因其具有工作性能可靠、后續維護簡單、工藝成熟等優點，得到了用戶的認可[1-4]。由于本身結構特點，在低產井、大斜度井應用時，舉升系統效率低、能耗高、抽油桿和油管偏磨嚴重[5-9]。據統計，舉升揚程在1 400～1 800 m低產區塊的采油井，單井日產液量不足10 m3，平均泵效不足28%，平均系統效率僅為16.4%，很大程度上影響了原油的開采成本[10-13]。

近年來，大慶油田采油工程研究院針對有桿泵舉升存在桿管偏磨嚴重、能耗高、地面設備有安全隱患等問題，研制出了120泵型、200泵型、240泵型3種規格的螺桿泵，以及15 kW、22 kW 2種直驅潛油電機，能夠滿足舉升揚程在1 000 m以內、排量在10～80 m3/d采油井的舉升要求[14-17]?，F場試驗20多口井，取得了較好的應用效果和經濟效益。為解決大慶油田外圍采油廠舉升揚程在1 800 m以內低產區塊的采油井舉升問題，在現有潛油直驅螺桿泵技術基礎上，對機組優化升級，成功研制出舉升揚程在1 800 m以內，排量10 m3/d以下的小排量高揚程潛油直驅螺桿泵，并開展了現場試驗，取得了良好的效果，為大慶油田外圍采油廠的經濟有效開采提供了新的人工舉升方式。

1 潛油直驅螺桿泵系統

1.1 結構組成

潛油直驅螺桿泵采油系統如圖1所示，主要包括地面控制部分、電纜、井下機組和配套的井下工具。其中，地面控制部分包括地面控制柜、接線盒及電泵井口；潛油電纜包括大扁電纜和小扁電纜；井下機組自下而上包括潛油電機、電機保護器、軸承組及保護器、方向節聯軸器和專用螺桿泵。配套井下工具包括錨定工具、剛性扶正器、單流閥和泄油閥。

圖1 潛油直驅螺桿泵系統示意

1.2 工作原理

潛油電機置于井下機組的底端，通過中間動力傳遞系統的輸出軸與專用螺桿泵的轉子下端連接，整個連接自上而下為同軸連接。地面輸入的三相電源通過地面控制柜、接線盒和電纜輸送給井下潛油電機，潛油電機的定子繞組中就會形成旋轉的電磁場，安裝永磁體的轉子由于磁極是固定的，根據磁極同性相吸異性排斥的原理，在定子中產生的旋轉磁場就會帶動轉子進行旋轉，最終達到轉子的轉速與定子中產生旋轉磁極的轉速相等。專用螺桿泵在潛油電機的帶動下做旋轉運動，抽汲井液，經油管將井液舉升到地面。通過調節地面變頻控制柜輸出頻率，對潛油電機輸出的轉速進行無級調節。通過控制柜對輸出電壓和電流進行模糊控制，保證潛油電機轉矩輸出。

1.3 機組優化

通過對潛油電機電磁方案優化設計，提高了散熱能力，增加了機械強度。改進轉子工藝,提高了槽滿率。為了降低在啟動過程中長線電纜的電壓降損耗，提高啟動能力，將潛油電機的工作電壓由380 V提高到660 V。參數優化后增強了電機的轉矩及其穩定性，功率密度更大，過載能力由原來的1.5倍提高到1.8倍，井下耐壓由20 MPa提高到25 MPa，井下耐溫由150 ℃提高到200 ℃。

專用螺桿泵是在原有基礎上進行了橡膠材料優選和制造工藝改進，通過優選采油井，現場取樣的方式來進行橡膠配伍性試驗。將現場取回的井液加溫到90 ℃，然后將不同類型的橡膠材料浸泡在加溫后的井液中，觀察并測量橡膠的體積、質量、硬度的變化量，最終定型了橡膠專用配方為氫化丁腈橡膠。氫化丁腈橡膠能夠保證其耐溫、耐磨和耐溶脹性能。

對專用螺桿泵的偏心參數和間隙參數進行科學設計，利用潛油泵高速時所具有的離心泵特性，使定轉子運動副之間更易于形成流體潤滑，從而避免常規泵啟動時產生的粘附啟動轉矩，同時還降低了泵的摩擦轉矩和磨損。

螺桿泵初始過盈δ0及偏心調整量ΔE分別為：

δ0=δ-(δ1+δ2)

(1)

ΔE=(δ1+δ2-δ3)/4

(2)

螺桿泵轉子設計直徑d及偏心e分別為：

d=D+δ0

(3)

e=E+ΔE

(4)

式中：δ為目標過盈量，mm；δ0為初始過盈量，mm；δ1為短軸熱脹量，mm；δ2為短軸溶脹量，mm；δ3為長軸尺寸變化量，mm；d為轉子直徑，mm；e為轉子偏心，mm；D為定子直徑，mm；E為定子偏心，mm。

以普通GLB120型螺桿泵與QYLB120型潛油專用螺桿泵為例，轉矩試驗對比如圖2所示。試驗條件：轉速150 r/min，介質為清水，環境溫度為常溫，出口壓力7 MPa。從圖2中可以看出，設計的潛油專用螺桿泵沒有啟動波峰，不僅啟動轉矩小，而且正常工作時摩擦轉矩也小，從而使整個系統負荷減小，提高了系統可靠性，延長系統壽命。

圖2 普通螺桿泵與潛油專用螺桿泵轉矩試驗對比曲線

通過改進專用螺桿泵的加工工藝，使橡膠與專用螺桿泵定子粘接性能提高；通過采用菱形鋼砂磨料，增大了定子表面粗糙度，增加粘接面積；通過粘接劑霧化、旋轉噴涂工藝保證涂膠質量，最終制造出小排量高揚程潛油直驅專用螺桿泵。

2 室內試驗

為了驗證優化后潛油直驅螺桿泵機組的性能，對其進行室內試驗。試驗對象為QYLB14-24型泵，其額定轉速300 r/min、額定電壓660 V、額定功率7.5 kW。試驗條件：介質溫度90 ℃，試驗介質為清水。通過試驗井井口憋壓的方式測試不同轉速、不同揚程下泵的容積效率。圖3為專用螺桿泵在額定轉速下容積效率隨舉升壓力變化曲線。

圖3 額定轉速下泵容積效率隨舉升壓力變化曲線

由圖3可以看出，專用螺桿泵在額定轉速下泵容積效率隨舉升壓力的升高而降低，在舉升壓力為7.5 MPa條件下，容積效率達到100%；在舉升壓力19 MPa條件以內，容積效率均能達到60%以上。可見，優化后的小排量高揚程潛油直驅螺桿泵機組能夠滿足大慶油田外圍采油井舉升揚程在1 800 m以內的需求。

3 配套技術

3.1 油管內除蠟系統

為解決小排量高揚程潛油直驅螺桿泵在舉升過程中因蠟堵造成能耗高，以及停機問題，配套了油管內除蠟系統。該系統主要由井下配重、井下加熱體(如圖4所示)和地面控制系統組成。其工作原理是：將地面提供的電能轉變成磁熱能，對油管內的原油進行加溫和磁化，使其滲透率、流動性增加，從而降低舉升設備能耗。

圖4 井下加熱體結構

井下配重是連接在井下加熱體底部，避免出現井下加熱體在下井過程中因油管內液體浮力大于重力，致使井下加熱體無法下到油管內部。井下加熱體是油管內除蠟系統的核心部分，一般下到油管內600～800 m位置，三芯電纜在井下做星型連接，井口端供三相電源，實現井下除蠟目的。地面控制采用微電腦數字化自動控制技術，性能穩定，可以設置加熱溫度、加熱周期，可對缺相、過壓、過流、短路等故障自動保護，具有識別顯示功能。

3.2 地面控制系統

為了實現優化后的機組平穩控制，研制了660 V專用地面變頻控制系統。整個變頻系統內部結構包括輸入整流單元、直流濾波儲能單元、信號檢測回路、伺服驅動逆變單元及能耗制動單元；控制上使用無編碼器全閉環直接轉矩控制模式，具有電機軟啟動、軟停車和平滑調速特性，并對電器的過壓、過流、短路等故障具有保護功能。在變頻控制系統內置制動電阻，當系統停機時，通過外部電路的常閉交流接觸器使電機立即切換到制動電阻回路中，將電機反轉產生的電能在制動電阻上消耗掉。

研制的地面高性能伺服變頻地面控制系統如圖5所示。對永磁潛油電機轉子速度、位置以及定子電流進行閉環控制，柔性平滑驅動電機，實現整個系統平穩驅動。通過GPRS傳送到上位機的電機電壓、電流、速度、功率等實時數據，可以進行遠程日常監控和工況分析。

圖5 地面變頻調控原理

3.3 錨定裝置

由于潛油專用螺桿泵的轉子在定子內轉動產生的摩擦轉矩直接作用于定子，該轉矩會使泵上部的正扣油管倒扣，造成管柱脫扣，因此潛油螺桿泵井的管柱也必須實施防脫扣措施。研制了錨定裝置如圖6所示，由活動爪、滑套、長滑道和短滑道組成。常態下活動爪處于閉合狀態，此時滑套處于長滑道內。工作狀態下，活動爪張開，此時滑套處于短滑道上。為了防止損壞電纜，錨定裝置安裝在電機尾部，起到有效錨定和扶正作用。

圖6 錨定裝置

錨定裝置在坐封過程中，應注意觀察作業機上的懸重表指針，最好的狀態是大部分載荷懸掛在井口懸掛器上，小部分載荷壓在錨定裝置上，這樣既能保證機組在受壓的情況下不彎曲，又能防止機組在工作過程中油管倒扣。

4 現場應用

為了驗證小排量高揚程潛油直驅螺桿泵應用效果，在前期優選取樣采油井上開展2口井試驗，具體情況如表1所示。

表1 應用小排量高揚程潛油直驅螺桿泵舉升前后采油井生產參數

續表1

由表1可以看出，應用小排量高揚程潛油直驅螺桿泵舉升前，2口試驗井采用抽油機方式舉升，2口試驗井均采用?38 mm抽油泵，平均泵掛深度1 248.5 m，平均日產液量5.05 m3，平均動液面深度959.5 m，平均泵效16.7%；應用小排量高揚程潛油直驅螺桿泵舉升后，2口試驗井采用QYLB14-24型潛油直驅螺桿泵，平均泵掛深度1 802.5 m，平均日產液量6 m3，平均動液面深度1 182.5 m，平均泵效65.35%；應用前后平均泵掛加深554 m，平均泵效高了48.65%?？梢?，應用小排量高揚程潛油直驅螺桿泵舉升后不僅徹底解決了因加深泵掛帶來的桿管偏磨問題，而且泵效更高。

為了進一步分析小排量高揚程潛油直驅螺桿泵節能效果，對2口試驗井的噸液百米耗電、噸液百米節電率進行了對比，具體結果如表2所示。

表2 應用小排量高揚程潛油直驅螺桿泵舉升前后采油井節能數據對比

由表2可以看出，采用抽油機方式舉升時，A井噸液百米耗電2.87 kW·h，B井噸液百米耗電2.76 kW·h；采用小排量高揚程潛油直驅螺桿方式舉升時，A井噸液百米耗電0.99 kW·h，B井噸液百米耗電1.15 kW·h；應用小排量高揚程潛油直驅螺桿泵舉升前后，A井噸液百米節電率65.51%，B井噸液百米節電率58.33%?？梢?，潛油直驅螺桿機組優化后具有較高的節能效果。

2口試驗井在配套油管內除蠟系統前，采用定期在井口加入化學藥劑和罐車熱洗的方式清蠟，這種組合式方式不僅費時、費力，而且受天氣情況制約會導致不能按時加入化學藥劑或熱洗井，影響采油井正常生產。

為了避免因蠟堵影響采油井正常生產，2口采油井均配套了油管內除蠟系統，應用油管內除蠟系統前后情況如表3所示。

表3 應用油管內除蠟系統前后對比數據

由表3可以看出，2口采油井在應用小排量高揚程潛油直驅螺桿泵舉升技術前，采用井口化學加藥方式進行防蠟，平均加藥周期為10 d，而且每月要利用罐車進行1次熱洗井。應用油管內除蠟系統后，平均加熱周期為15 d，省去了每月定期加入化學藥劑和熱洗井工作量。

經計算，單井每年需要熱洗井12次，采用油管內除蠟系統后，省去了熱洗井工作量。單井熱洗費用按照0.2萬元/次計算，年節約熱洗井費用￥2.4萬元；單井年加化學藥劑費用按1萬元/井，單井年清蠟費用共節約￥3.4萬元。油管內除蠟系統每15 d需要進行加熱一次，加熱時間為24 h，每次耗電量為720 kW·h，電費按照1元/度計算，單井年耗電費用￥1.728萬元，兩口采油井年節約清蠟費用共￥3.344萬元。可見，避免蠟堵影響采油井正常生產的情況下，單純考慮清蠟費用，油管內除蠟系統清蠟費用更低。

5 結論

1) 室內試驗得出，優化后的機組在額定轉速300 r/min、試驗介質為清水的情況下，舉升壓力19 MPa條件以內，泵容積效率均能達到60%以上，能夠滿足大慶油田外圍低產采油井舉升揚程在1 800 m以內的需求。

2) 現場應用表明，相比于抽油機舉升方式，小排量高揚程潛油直驅螺桿泵具有更好的舉升效果；配套的油管內除蠟系統與定期化學加藥和熱洗的組合清蠟方式相比,不僅清蠟費用低、清蠟及時，而且避免了因蠟堵影響采油井正常生產。

3) 下一步，繼續擴大現場試驗井規模，進一步驗證小排量高揚程潛油直驅螺桿泵性能的可靠性及節能效果。