電動潛油螺桿泵技術現場節能應用

吳 頻，李 帥，宋 磊

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

油田經過多年的開采，開采難度越來越大，部分油田地況復雜，原油物性不佳，尤其是對于高黏、高凝且含蠟含砂較多地層開采難度更大，產油效率極低，且開采成本逐年攀升，在油田采油作業中通常采用人工舉升工藝進行開采，在稠油開采過程中，為了解決原油在井筒內流動性差、易堵塞井筒等生產難題，通常在作業中采取加裝伴熱系統以增強井筒內原油的流動性，雖然在一定程度上緩解了稠油開采難度大等問題，但是生產運行成本大幅增長，耗電量及維修費用激增，且在生產中極易出現井筒結垢、腐蝕嚴重等問題，在采油過程中應用電動潛油螺桿泵可以有效實現稠油冷采問題，同時具有顯著提高生產效率、節約耗電量等節能效果，對電動潛油螺桿泵的工作原理及性能結構進行簡要闡述，并結合在二井子鎮及李家屯等油田實際應用效果進行分析，與原來采油技術相對比，發現應用電動潛油螺桿泵具備良好的節能效果，值得在石油開采尤其是地質復雜、原油物性差等作業環境中廣泛應用。

1 電動潛油螺桿泵概述

1.1 工作原理

電動潛油泵潛水電纜的主要作用是向電動潛油螺桿泵電機傳輸電流，再由電機對電動潛油螺桿泵進行驅動，電動潛油螺桿泵通過對油井內液體進行加壓，使井內液體不斷向上升至地面。電動潛油螺桿泵主要由電機控制柜、水下電機、常規螺桿泵裝置以及動力輸入系統等構成。

1.2 定子及轉子

在電動潛油螺桿泵工作時，在人工舉升作業中定子主要由標準丁腈橡膠、軟腈橡膠、高丙烯腈橡膠、氫化丁腈橡膠以及碳氟橡膠5 種橡膠類型。其中標準丁腈橡膠在富含中油以及稠油的油井中應用較廣，氫化丁腈橡膠則廣泛應用于富含高溫和砂的油井，而輕油和芳烴含量較高的油井一般用碳氟橡膠。

定子和轉子之間應當留有最佳間隙以保證設備正常運行，影響間隙的因素主要有：電動潛油螺桿泵入口處介質溫度、定子橡膠的類型、電動潛油螺桿泵體形狀、油井內介質構成以及橡膠與介質的相容性等。通過不斷優化間隙可以有效提高電動潛油螺桿泵的生產效率及使用周期。一方面，由于橡膠基于油井內溫度的變化以及井內石油及芳烴的含量發生熱膨脹或是化學膨脹，此時通過正確應用轉子可以達到提高生產效率以及延長電動潛油螺桿泵使用壽命的目的。另一方面，如果間隙過小，石油中的芳烴導致橡膠膨脹時，會因為轉子和定子之間的間隙過小而使電動潛油螺桿泵無法工作，在對稠油介質進行作業時，應當應用較小的干擾量以減少內部泄漏量。另外，由于砂井對電動潛油螺桿泵的磨損較大，較為緊密的過盈度可以有效降低對泵的損耗。

1.3 控制系統及同步電機

電動潛油螺桿泵的控制系統主要對電機的啟、停控制，同時對整個系統的運行狀態進行實時監控，操作人員通過數字化遠程智能系統進行有效控制。

電動潛油螺桿泵中的永磁同步電機主要由定子、轉子以及端蓋等主要部件構成，其最主要的特征就是永磁同步電機中定子結構與常規感應電機較為一致，而轉子并不相同，主要就是在轉子上安裝有磁極，通過磁極來產生磁場。永磁同步電機的主要特點就是在低速運轉時其扭矩較大，同時沒有轉差、轉子損耗，并且生產效率較高。

1.4 保護器及聯軸器

高推力保護器在承受軸向力方面具有較大優勢，同時通過囊及沉積物對油井內各種復雜多變的作業環境進行良好適應，其工作環境主要適應低速及高扭矩傳動工作。聯軸器中耐磨、耐腐蝕材料及徑向軸承設計可以有效提高驅動端的驅動準確性；另外，通過高推力的設計可以保證在較大軸力作用下，聯軸器仍能保證良好的抗壓性及可靠性。大擺角的設計也可以應用于多種類型的工作泵。

1.5 油井內溫度及壓力檢測裝置

該檢測裝置由數據采集及處理系統構成，電動潛油螺桿泵與該裝置構成一套完整的單井采油裝置，該裝置可以對電動潛油螺桿泵的溫度、壓力等工作參數進行準確檢測，同時可以提供多參數顯示系統以滿足用戶對潛油螺桿泵參數的監控。通過水下螺桿泵監控設備收集數據并對其進行分析，操作人員可以實時監控油井的運行狀態以保證工作效率及安全，操作人員依據參數的具體變化來調整操作，可以有效提高單位時間內油井的產量并顯著降低采油成本。

2 電動潛油螺桿泵相較于傳統人工起重設備的優勢

（1）在采油作業中實現無桿采油，有效減少設備損耗，主要是減少桿柱與桿管的機械磨損，同時采用無桿設計，減少抽油機地上設施和抽油桿的應用，極大的節約采油成本，另外該設備相較于傳統人工起重設備具有占地面積小、井口泄漏量小、噪聲量小、安全可靠且維修費用低等優勢。

（2）電動潛油螺桿泵在生產實踐中可以廣泛應用于斜井、稠油井、含砂、含氣井等復雜工況油井的開采，其應用范圍更廣。

（3）整機效率較傳統人工起重設備顯著提高，節能效果十分明顯。

（4）整機使用壽命大幅延長，保護功能相較于傳統人工起重設備大幅提高，由于不需要減速設備，大大減少減速設備常見故障點，同時具有強大的電路超載、超壓防護功能，也能良好解決潛油電纜經常出現的反射波和漏電現象，永磁同步電機采取防退磁設計可以有效避免電動潛油螺桿泵反轉等現象。

（5）實現對整個系統的智能遠程控制，通過油井相關生產運行參數的及時反饋和實時采集，操作人員根據數據結果及操作規程遠程控制液位、產液量等參數，對油井的相關參數及工況合理判斷，提高生產效率，降低采油成本。

3 電動潛油螺桿泵相關參數選擇

正確選擇電動潛油螺桿泵的揚程及排量等相關參數，可以有效提高生產效率和降低設備投資成本。在選擇電動潛油螺桿泵的排量時，要注意設計排量應當小于1.5 倍的理論排量，泵入口氣體流量與三相流體流量的比值＜50%，如果該比值＞50%就需要使用HR 轉子或安裝氣錨等設備以提高氣體的分離效果，或采取降低排量調整泵的位置等具體措施。同時泵的最大揚程的70%要大于泵的總壓頭，且在加裝壓力傳感器時要注意其井沉沒度≥100 m，而沒有加裝壓力傳感器的井沉沒度≥300 m，如果井沉沒度太低則需采取加深泵掛及減小排量等相關措施。

4 電動潛油螺桿泵現場測驗效果

4.1 二井子鎮油田

二11-15 為二井子鎮油田1 號抽油機井，地層每日產液量約4.7 m3，日均產油量為1.7 t。該井原油主要為稠油，80 ℃時原油的黏度為2678 mPa·s，20 ℃時原油的相對密度為0.974 5，凝固點為25.4 ℃，蠟含量為3.4%，且地層出砂率較高。傳統抽油機井作業時主要利用套管進行伴熱，水流量為11 m3/d，采用電加熱器為伴熱進行加溫，日耗電量約900 kW·h。由于抽油機井為稠油導致生產參數及負荷變化頻繁，且耗電量較大。2020 年1 月10 日開始連續7 d 在該井應用電動潛油螺桿泵進行生產，日均產油量大幅提升至2.3 t。

4.2 李家屯油田

家31-23-1 井為李家屯油田1 號電泵井，地層每日產液量約10.4 m3，日均產油量為7.7 t。每日地下摻水約25 m3。該井原油物性不佳，80 ℃時原油的黏度為2478 mPa·s，20 ℃時原油的相對密度為0.934 5，凝固點為29 ℃，蠟含量為7.4%。由于地層供液性差及原油物性不佳，導致電泵散熱效果不好，頻繁產生跳泵現象，嚴重影響生產效率。2020 年6 月10 日開始應用電動潛油螺桿泵進行生產，日產油量較為穩定，保持在7.5 t/d。

4.3 電動潛油螺桿泵節能效果評估

二11-15 采取電動潛油螺桿泵后，開井后不再向地下摻水輔助采油，油井正產運行日均產油量提升至2.3 t，日耗電量大幅下降至60 kW·h，而通過抽油機井套摻水生產時日耗電量高達1300 kW·h，日均耗電量大幅下降至1240 kW·h，節電率高達94.6%，年減少耗電量45.26×104kW·h，折合節約人民幣36.18 萬元，投資費用約為50 萬元，投入產出比為1∶0.73。

家31-23-1 井在應用電動潛油螺桿泵后，日均耗電量為245 kW·h，實現日節約耗電量1032 kW·h，節電率高達80.5%。其中電泵年耗電量約為45.6×104kW·h，而應用電動潛油螺桿泵作業年耗電量僅為9.31×104kW·h，年節約耗電量為36.29×104kW·h，折合人民幣為29.87 萬元，其投資費用約50 萬元，電泵檢修費用每年約34 萬元，年綜合創收62.5 萬元，投入產出比為1∶1.25。

目前來看，在采油過程中應用電動潛油螺桿泵共計12 口，應用后日均產油量大幅增加且耗電量大幅減少，日均產油量增加約為22.4 t，日均節電約16 345 kW·h，節電率為88.7%，年節約資金約為288 余萬元。

5 結束語

（1）電動潛油螺桿泵的廣泛應用可以有效實現在較復雜工況下的稠油冷開采，尤其是在那些含水量較低、出砂量較高、高黏度高濃稠的稠油井中，應用過程中可以發現顯著降低能耗，并且對于復雜工況的適應性較好。

（2）由于電動潛油螺桿泵工作時不需要桿，因此可以有效減少桿與井筒之間的磨損，從而減少能耗，增加設備使用壽命，尤其適用于全角變化率較大的油井。

（3）基于電動潛油螺桿泵中的智能控制系統，操作人員可以更好的控制液位的穩定性，有效杜絕泵在油井液位歸零情況下的“干抽”現象，增加設備的使用壽命。

（4）雖然電動潛油螺桿泵的應用大大提高了生產效率及設備使用周期，但是也存在一定問題，例如泵的揚程及排量選取需要進一步優化，合理選擇電機舉升能力影響下泵的液量和深度。

（5）目前電動潛油螺桿泵的生產成本較高，應當對電力電纜和電力控制柜等方面進行工藝改進，只有成本降低才能更廣泛地應用于稠油開采。