小排量潛油直驅(qū)螺桿泵采油技術(shù)研究與應(yīng)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(fā)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(fā)為主(占90%以上)，多數(shù)井采用抽油機有桿泵舉升技術(shù)，單井產(chǎn)液量低，存在桿管偏磨、系統(tǒng)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(yè)井?dāng)?shù)及頻次逐年增多，桿管偏磨突出。產(chǎn)液量越低，舉升液體的有效能耗越少，系統(tǒng)效率也越低，日產(chǎn)液低于2 m3油井占總井?dāng)?shù)34%，系統(tǒng)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(qū)螺桿泵采油技術(shù)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(huán)節(jié)，系統(tǒng)效率大幅提升。整個系統(tǒng)安全可靠、運行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。

1 潛油直驅(qū)螺桿泵采油工藝

潛油直驅(qū)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(lián)軸器直接驅(qū)動螺桿泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，井液經(jīng)過螺桿泵增壓后，被舉升到地面。系統(tǒng)組成如圖1所示，包括地面數(shù)控系統(tǒng)、電纜專用井口、動力電纜、螺桿泵、聯(lián)軸器、保護器和永磁同步電機。永磁同步電機置于設(shè)備的低端，通過保護器與聯(lián)軸器連接至螺桿泵轉(zhuǎn)子，電機帶動螺桿泵轉(zhuǎn)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(tǒng)對工作參數(shù)( 沖程、沖次) 進行調(diào)節(jié)，對電機溫度、電流、電壓和功率進行監(jiān)測，實現(xiàn)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(lián)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(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)組成

2 采油系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

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(shè)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(lián)電機，具有低轉(zhuǎn)速輸出大轉(zhuǎn)矩的動力優(yōu)點，調(diào)速范圍廣、平滑，去掉了電機與泵之間的大直徑減速器。考慮到電機在井下的通過性，進一步對電機定轉(zhuǎn)子外徑、定子槽數(shù)、永磁體寬度、熱負(fù)荷和電流密度等進行優(yōu)化設(shè)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(yīng)性。同時，油套環(huán)空變大，還可增設(shè)溫度、壓力等井下測試設(shè)備。電機轉(zhuǎn)速為100～500 r/min，工作轉(zhuǎn)矩為500～700 N·m，電機外徑100 mm，定子外徑90 mm，轉(zhuǎn)子外徑53 mm，永磁體采用38EH，啟動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子組成。定子是內(nèi)部模壓高彈性合成橡膠的鋼管，轉(zhuǎn)子是一個細(xì)長的金屬螺桿。定轉(zhuǎn)子之間形成一個封閉腔，當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部轉(zhuǎn)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(jīng)油管輸送至地面。展開現(xiàn)場試驗前，需要對井液進行分析化驗，優(yōu)化設(shè)計定轉(zhuǎn)子初始過盈量，優(yōu)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(qū)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(nèi)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(shè)計了“膠囊+沉淀”新型結(jié)構(gòu)，如圖2，此結(jié)構(gòu)不受井斜限制，可在水平井中使用，增加了機組的適應(yīng)性。設(shè)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(fù)合式保護器結(jié)構(gòu)

3.4 柔性聯(lián)軸器

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

3.5 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)的主要功能是運行控制、工況分析、過程控制、系統(tǒng)保護和數(shù)據(jù)傳輸[8]?？刂葡到y(tǒng)流程如圖3。電機控制采用無編碼器全閉環(huán)矢量控制模式，實現(xiàn)速度、位置以及定子電流的三閉環(huán)伺服控制。在實現(xiàn)無機械編碼器的基礎(chǔ)上，電機控制采用基于32位DSP的直接轉(zhuǎn)矩(DTC)控制理論，實現(xiàn)了對電機速度、位置以及定子電流的三閉環(huán)控制，即伺服控制，控制器實時跟蹤負(fù)載變化輸出相應(yīng)的電壓和電流，精確控制電機速度和轉(zhuǎn)矩，柔性平滑驅(qū)動電機，大幅降低系統(tǒng)損耗，具有功率因數(shù)高、啟動轉(zhuǎn)矩大、系統(tǒng)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(dǎo)測算模型，能夠推算井下電機溫度、及時優(yōu)化電控參數(shù)，保護系統(tǒng)運行。

圖3 控制原理

4 室內(nèi)試驗

潛油直驅(qū)螺桿泵整套系統(tǒng)進行質(zhì)量、性能及穩(wěn)定性室內(nèi)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(fù)載、堵轉(zhuǎn)和最大轉(zhuǎn)矩測試等特性開展室內(nèi)試驗，試驗參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T16750—2008《潛油電泵機組》規(guī)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(jié)果顯示，電機絕緣電阻為1 133 MΩ，達到標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果為0.42%，達到標(biāo)準(zhǔn)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(jù)測試結(jié)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(fù)載情況下正常運轉(zhuǎn)2 h，待溫升達到穩(wěn)定后停機，在第一時間測量繞組熱態(tài)直流電阻，并以相同的時間間隔測試電阻值。測試結(jié)束后計算定子繞阻平均溫升值。計算結(jié)果為42.5 ℃，達到標(biāo)準(zhǔn)要求的<120 ℃的要求。

4.5 轉(zhuǎn)矩測試

為了測試電機在額定轉(zhuǎn)速情況下能夠提供的最大轉(zhuǎn)矩，利用變頻器供電[9]，通過逐步加負(fù)載的方法測試轉(zhuǎn)速的變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時，即為其最大轉(zhuǎn)矩值。測試結(jié)果，最大轉(zhuǎn)矩為517 N·m。

4.6 下井試驗

試驗系統(tǒng)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(zhì)為水，加熱設(shè)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(zhuǎn)速為100～500 r/min，井口憋壓10 MPa，分析其轉(zhuǎn)速、流量、壓力、電流和輸入功率等參數(shù)間的關(guān)系。在轉(zhuǎn)速恒定條件下，井口壓力越大，轉(zhuǎn)矩越大、電機效率越高。當(dāng)井口壓力≥10 MPa時，轉(zhuǎn)矩≥60 N·m，電機效率≥50%(如圖4)。同等條件下，轉(zhuǎn)速越大，電機效率越高(如圖5)。

圖4 150 r/min轉(zhuǎn)速下潛油直驅(qū)螺桿泵舉升系統(tǒng)測試曲線

圖5 300 r/min轉(zhuǎn)速下潛油直驅(qū)螺桿泵舉升系統(tǒng)測試曲線

5 現(xiàn)場應(yīng)用

經(jīng)過近5 a的現(xiàn)場試驗，潛油直驅(qū)螺桿泵在長慶油田取得了好的應(yīng)用效果。截至2017-02底，共開展15口井現(xiàn)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(tǒng)效率提高2.5%，平均節(jié)電率33.3%。

表1 潛油直驅(qū)螺桿泵現(xiàn)場試驗情況

6 結(jié)論

1) 潛油直驅(qū)螺桿泵采油技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)場試驗階段，經(jīng)過不斷改進與完善，初步具備了規(guī)模試驗的條件。逐步實現(xiàn)了在低液量(日產(chǎn)液2～5 m3)、小套管(?127 mm套管)井的應(yīng)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(chǎn)耗電費用和工人勞動強度，應(yīng)用前景廣闊。

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

3) 設(shè)計應(yīng)用“膠囊+沉淀”復(fù)合式電機保護器，提升了在斜度較大井段的適應(yīng)性；借助GPRS終端平臺實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實時閉環(huán)監(jiān)控，提升了系統(tǒng)可靠性。

[1] 張克巖.潛油直驅(qū)螺桿泵[J].油氣田地面工程，2011，30(7)：99.

[2] 楊獻平，周海，王輝.淺談電動潛油但螺桿泵采油系統(tǒng)的研究開發(fā)[J].石油礦場機械，2004，33(3)：82-84.

[3] 關(guān)崇峰.潛油直驅(qū)螺桿泵在薩北油田的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013(12)：130.

[4] 屈文濤，馬加尚，孫艷萍.潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化[J].石油礦場機械，2014，43(6)：42-44.

[5] 嚴(yán)亞忠，李穎，李俊華.電動潛油螺桿泵用于抽油大斜度定向井的討論[J].石油機械，2003，31(3)：49-51.

[6] 辛宏，李佰濤，張磊，等.一種潛油直驅(qū)螺桿泵：2015102375482[P].2017-03-08.

[7] 辛宏，甘慶明，陸梅，等.一種潛油直驅(qū)螺桿泵柔性軸傳動裝置：2016202615664[P].2016-08-31.

[8] 張磊，辛宏，李明，等.井下直驅(qū)螺桿泵的智能控制裝置及其操作方法：2013106548212[P].2017-06-06.

[9] 張炳義，劉忠奇，馮桂宏.潛油螺桿泵直驅(qū)細(xì)長永磁電機轉(zhuǎn)軸扭曲對電磁轉(zhuǎn)矩影響分析[J].電機與控制學(xué)報，2016，20(2)：76-82.