電潛往復(fù)泵舉升工藝優(yōu)化研究與應(yīng)用

錢 坤，胡文瑞，孫延安，師國臣，杜偉山，李驥楠，蓋偉濤，何 艷

（1.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶，163318；2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶，163712）

電潛往復(fù)泵新型無桿舉升工藝徹底解決了有桿舉升方式存在的桿管偏磨嚴(yán)重、舉升能耗高、管理維護(hù)工作量大等問題，受到石油行業(yè)的普遍關(guān)注，其作為高效節(jié)能舉升新技術(shù)之一，應(yīng)用規(guī)模逐年擴(kuò)大[1-3]，但試驗(yàn)井普遍存在檢泵周期短、舉升力不足、機(jī)組振動(dòng)大、系統(tǒng)效率偏低、過載現(xiàn)象頻發(fā)、一次性投資成本較大等問題[4-5]，所以該工藝離規(guī)?；瘧?yīng)用仍存在差距，亟待開展關(guān)鍵技術(shù)深入研究及優(yōu)化[6-7]。針對(duì)上述現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中存在的不足，創(chuàng)造性的提出一種電潛往復(fù)泵舉升工藝的優(yōu)化方法，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)潛油直線電機(jī)及其配套的控制系統(tǒng)、研制新型雙作用減載抽油泵、研發(fā)低成本新型鋁合金潛油電纜。然后開展大量室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，應(yīng)用效果表明：優(yōu)化升級(jí)的新工藝能夠進(jìn)一步提升電潛往復(fù)泵舉升工藝的可靠性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。

1 工藝運(yùn)行機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化

電潛往復(fù)泵舉升工藝是新一代采油設(shè)備，現(xiàn)已進(jìn)入關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化研究和擴(kuò)大應(yīng)用階段[8-9]。如圖1所示，該工藝主要由潛油直線電機(jī)及專用控制系統(tǒng)、管式抽油泵、潛油電纜等組成，是一種以直線電機(jī)作為動(dòng)力推動(dòng)裝置，將電機(jī)與抽油泵相結(jié)合，潛入到地下油層中，實(shí)現(xiàn)機(jī)泵一體化。其中：電機(jī)在下端，管式抽油泵倒置于電機(jī)上端；電機(jī)定子與泵筒結(jié)合，動(dòng)子與抽油泵柱塞結(jié)合；專用變頻控制系統(tǒng)通過潛油電纜將電能輸送給井下電機(jī)；利用動(dòng)子往復(fù)運(yùn)動(dòng)同柱塞運(yùn)動(dòng)方向一致的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)柱塞做周期往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有效抽汲。

圖1 電潛往復(fù)泵舉升工藝Fig.1 Lifting process of electric submersible reciprocating pump

1.1 潛油直線電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

潛油直線電機(jī)屬于圓筒型永磁同步直線電機(jī)，主要由定子、動(dòng)子和電機(jī)引出線構(gòu)成，并配套專用控制系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有電機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)際要求，在穩(wěn)定成熟的機(jī)械結(jié)構(gòu)和變頻控制技術(shù)基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)及其控制方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)提升電機(jī)舉升力和可靠性，降低機(jī)組振動(dòng)。

1.1.1 電機(jī)推力輸出能力改善

動(dòng)子結(jié)構(gòu)選擇軸向磁路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化永磁體的軸向長度與極距的比值大小，磁體制造充磁簡(jiǎn)單；為避免溫度和電磁性能影響電機(jī)的絕緣能力，選用高矯頑力的釹鐵硼永磁材料，可大大提高電機(jī)氣隙磁場(chǎng)指標(biāo)；在相同推力指標(biāo)下，將繞組線圈圓形截面優(yōu)化為矩形截面，以此提高線圈的滿槽率；同時(shí)在保證電流通過率的前提下，優(yōu)化繞組線圈外徑尺寸，增加線圈匝數(shù)，進(jìn)而顯著降低電機(jī)熱負(fù)荷指標(biāo)，增強(qiáng)電機(jī)運(yùn)行的可靠性。同時(shí)改進(jìn)加工工藝，減小定子和動(dòng)子的軸向尺寸誤差，降低機(jī)組振動(dòng)。針對(duì)5.5 寸套管設(shè)計(jì)電機(jī)外徑為? 114 mm，7 寸套管設(shè)計(jì)電機(jī)外徑為? 143 mm。

1.1.2 電機(jī)柔性閉環(huán)控制技術(shù)研發(fā)

潛油直線電機(jī)柔性閉環(huán)控制技術(shù)的核心就是長距離無感矢量控制技術(shù)，在矢量控制的基礎(chǔ)上引入無感控制，在無感矢量控制程序中嵌入柔性控制算法，通過PID 的高級(jí)智能調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)：自動(dòng)生成全沖程內(nèi)的最佳運(yùn)行速度分布方案和輸出功率分布方案，并能根據(jù)工況的變化情況自動(dòng)完成運(yùn)行方案的優(yōu)化調(diào)整；全程圍繞最佳速度分布和功率輸出分布做持續(xù)無級(jí)變速運(yùn)行，電機(jī)與控制器之間完全通過軟件的方法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

該控制系統(tǒng)由智能控制器、驅(qū)動(dòng)器等組成，且具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，利用濾波、精算消除或降低各種干擾及影響。能夠保證多項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的高速采集和實(shí)時(shí)復(fù)雜運(yùn)算，并采用了32位運(yùn)算處理器，通過采集分析電機(jī)功率，調(diào)整電流和電壓，計(jì)算動(dòng)子速度和推力，自動(dòng)分析出合適的驅(qū)動(dòng)電流，達(dá)到最小電流下的高效運(yùn)行?？稍?.1～10沖次范圍內(nèi)柔性調(diào)節(jié)，隨井下負(fù)載變化調(diào)整輸出功率，降低電機(jī)啟動(dòng)載荷和系統(tǒng)沖擊振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)行、柔性啟停，同時(shí)依據(jù)潛油直線電機(jī)自適應(yīng)法與轉(zhuǎn)速觀測(cè)器法相結(jié)合的控制策略，適時(shí)引用井下壓力傳感器的反饋，改善電機(jī)失步監(jiān)測(cè)效果，提高閉環(huán)控制精度和自適應(yīng)調(diào)參能力。

1.1.3 室內(nèi)試驗(yàn)

針對(duì)優(yōu)化后額定電壓1 140 v、外徑? 114 mm、配套? 32 mm抽油泵的潛油直線電機(jī)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：優(yōu)化后的潛油直線電機(jī)在30 MPa壓力的油水介質(zhì)中檢驗(yàn)24 h，無變形和滲漏；繞組在環(huán)境溫度200 ℃熱態(tài)下，施加交流50 Hz、3 300 v 電壓，一分鐘后測(cè)試介電強(qiáng)度，無閃絡(luò)和擊穿；用2 500 v兆歐表做絕緣電阻測(cè)試，絕緣電阻不低于1 000 兆歐；繞組燒結(jié)溫度為380 ℃，電機(jī)在溫度不高于150 ℃的介質(zhì)中運(yùn)行，可保證額定推力輸出。優(yōu)化后動(dòng)子在4.5 t徑向力作用下不變形，最大揚(yáng)程達(dá)到3 220 m，擴(kuò)大了工藝的適用范圍，優(yōu)化前后電機(jī)性能對(duì)比如表1所示。

表1 潛油直線電機(jī)優(yōu)化前后性能對(duì)比Table 1 Comparison of performance before and after optimization of submersible linear motor

然后，在相同工況條件下，分別應(yīng)用常規(guī)開環(huán)控制系統(tǒng)和柔性閉環(huán)控制系統(tǒng)控制同一臺(tái)優(yōu)化后的潛油直線電機(jī)，得到振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比曲線圖和電參對(duì)比數(shù)據(jù)（表2）。

試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用柔性閉環(huán)控制方式，電機(jī)的啟動(dòng)電流和運(yùn)行電流明顯降低，幅度分別達(dá)到53.94%和44.73%。同時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)強(qiáng)度減弱，應(yīng)用常規(guī)控制系統(tǒng)和柔性閉環(huán)控制系統(tǒng)的振動(dòng)強(qiáng)度曲線（圖2）最大值分別為0.577 m/s2和0.287 m/s2，降低幅度達(dá)到50.26%。

圖2 常規(guī)及柔性控制振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比曲線Fig.2 Comparison of conventional and flexible vibration strength

1.2 研制新型雙作用減載抽油泵

電潛往復(fù)泵舉升工藝應(yīng)用在深井或配套抽油泵泵徑較大時(shí)，很容易造成推桿失穩(wěn)，導(dǎo)致柱塞超負(fù)荷運(yùn)行或卡泵，為此研制新型雙作用減載抽油泵。雙作用泵上、下行程均排液，分解單程做功過程；上柱塞截面積約為下柱塞的二倍，柱塞上、下行程的載荷大致相等，如? 57/38 mm 的雙作用泵理論排量相當(dāng)于? 57 mm 的常規(guī)柱塞泵；上、下泵筒設(shè)計(jì)了扶正器，保證應(yīng)有的同軸度，同時(shí)降低了電機(jī)振動(dòng)。為了避免電機(jī)動(dòng)子受大負(fù)荷拉力作用松動(dòng)和在電機(jī)上設(shè)計(jì)過流通道影響套管空間及電機(jī)性能，將雙作用泵固定閥總成設(shè)計(jì)在泵頂部，油液由雙作用泵下部的篩管進(jìn)入泵筒，游動(dòng)閥總成在柱塞內(nèi)部，所有閥球向上單項(xiàng)開啟，如圖3 所示，當(dāng)柱塞處在上死點(diǎn)或下死點(diǎn)時(shí)，防漏閥關(guān)閉，有效防止泵的漏失。

圖3 新型雙作用減載抽油泵Fig.3 New double acting load reduction pump

表2 常規(guī)及柔性控制室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)Table 2 Comparison of laboratory tests of conventional and flexible controlling

為了更好地適應(yīng)定向井和水平井舉升，提高雙作用減載抽油泵泵效，研制了彈簧復(fù)位導(dǎo)向閥（圖4），在固定閥罩和游動(dòng)閥罩內(nèi)設(shè)有一體式四條扶正筋，閥球只有一個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)時(shí)球心只能沿著閥罩的軸線運(yùn)動(dòng)，液體從四條扶正筋的周圍流過。該結(jié)構(gòu)具有較大的流道面積和較小的開啟度，能夠減少吸入阻力和閥球坐封的滯后時(shí)間。

圖4 彈簧復(fù)位導(dǎo)向閥Fig.4 Reset pilot valve of spring

室內(nèi)試驗(yàn)：以清水為試驗(yàn)介質(zhì)，在室內(nèi)模擬油井中下入電潛往復(fù)泵機(jī)組，用井口憋壓的方法模擬機(jī)組在不同舉升高度條件下的工況，憋壓由0 MPa 開始，最高至8 MPa，穩(wěn)定后停機(jī)觀察。結(jié)果表明：新型雙作用減載抽油泵在憋壓閥溢流口處5 min 內(nèi)無明顯溢流，漏失量滿足投產(chǎn)要求，機(jī)組震動(dòng)減小，上、下電流顯示數(shù)值一致。

1.3 研發(fā)低成本新型鋁合金電纜

電潛往復(fù)泵舉升工藝一次性投資中潛油電纜費(fèi)用占到單井投入的1/3，綜合工藝運(yùn)行特點(diǎn)，針對(duì)優(yōu)化后的電潛往復(fù)泵提出選用稀土鋁合金線芯代替目前的銅線芯，同時(shí)優(yōu)化電纜的絕緣及護(hù)套材質(zhì)。對(duì)開發(fā)的新型鋁合金材料的潛油電纜進(jìn)行室內(nèi)檢測(cè)評(píng)價(jià)，從成本投入、尺寸標(biāo)準(zhǔn)、材料性能等方面均能滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，其與常規(guī)銅芯電纜比較，成本降低約20%，如表3所示，主要指標(biāo)均滿足相關(guān)性能要求。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

針對(duì)優(yōu)化后的電潛往復(fù)泵舉升工藝在某油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用90 口井，其中配套應(yīng)用電機(jī)柔性閉環(huán)控制系統(tǒng)22口井、新型雙作用減載抽油泵8口井、低成本新型鋁合金潛油電纜1口井。

表3 常規(guī)銅芯及鋁合金電纜性能檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Performance test data of conventional copper conductor and aluminum alloy cable

2.1 潛油直線電機(jī)

截止目前總體應(yīng)用效果如下：平均泵掛1 199 m，最深1 865 m；平均動(dòng)液面1 032 m，產(chǎn)液2.7 t/d，泵效55.4 %；平均檢泵周期從452 d 提高到693 d，最長1 037 d；平均免修期438 d，其中先期開展試驗(yàn)投產(chǎn)的22 口井平均免修期超過1 000 d，最長達(dá)到1 485 d；分別與同排量有桿舉升方式相比平均節(jié)電率達(dá)到45.6 %；平均系統(tǒng)效率提高了6.9 %；相比電機(jī)優(yōu)化前，節(jié)能效果和舉升能力顯著提高，振動(dòng)強(qiáng)度有效降低，增強(qiáng)了工藝運(yùn)行的可靠性，擴(kuò)大了工藝的適用范圍。

其中應(yīng)用新型電纜的1 口井已平穩(wěn)運(yùn)行578 d，經(jīng)歷五次常規(guī)洗井，電纜未發(fā)生擊穿，進(jìn)一步表明該新型電纜各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，有利于提升工藝的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 電機(jī)柔性閉環(huán)控制系統(tǒng)

針對(duì)同一口井，在相同井況和工作參數(shù)條件下，現(xiàn)場(chǎng)分別應(yīng)用柔性閉環(huán)控制系統(tǒng)和常規(guī)開環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果對(duì)比情況如表4 所示，其中常規(guī)控制方式運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)兩次過載停機(jī)現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明：應(yīng)用柔性閉環(huán)控制系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，機(jī)組系統(tǒng)效率顯著提高。當(dāng)潛油直線電機(jī)動(dòng)子上行頻率8 Hz、下行頻率15 Hz 時(shí)，上行實(shí)時(shí)電流和功率曲線見圖5、圖6，表明柔性閉環(huán)控制方式有效降低了啟動(dòng)沖擊和運(yùn)行載荷，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

表4 常規(guī)及柔性控制現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果數(shù)據(jù)Table 4 Data of field application effect of conventional and flexible control

圖5 動(dòng)子上行實(shí)時(shí)電流曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of real time current when active cell uplink

圖6 動(dòng)子上行實(shí)時(shí)功率曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of real time power when active cell uplink

2.3 新型雙作用減載抽油泵

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用? 57/38 mm 新型雙作用減載抽油泵，結(jié)果表明：電機(jī)動(dòng)子上、下行程電流基本平衡；與常規(guī)? 57 mm柱塞泵相比，日產(chǎn)液量基本相當(dāng)，揚(yáng)程提高217 m，上行電流降低27.9%；與常規(guī)? 38 mm 柱塞泵相比，日產(chǎn)液量提高近1 倍，上行電流基本相當(dāng)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 雙作用泵與常規(guī)柱塞泵現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比Table 5 Comparison of field test data of dual-acting pump and conventional plunger pump

3 結(jié)論

1）室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，優(yōu)化后的潛油直線電機(jī)能夠更好的適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境，連續(xù)工作能力得到有效提升，振動(dòng)減弱、推力增大，平均檢泵周期由452 d 提高到693 d，平均節(jié)電率達(dá)到45.6%，平均系統(tǒng)效率提高了6.9%。

2）柔性閉環(huán)控制算法的嵌入，徹底改善了原有開環(huán)控制方式的不足，有效的避免過載停機(jī)現(xiàn)象，降低了啟動(dòng)沖擊和整機(jī)振動(dòng)，節(jié)能效果明顯，保證機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)可靠，為深入研究長線潛油電纜變頻系統(tǒng)和電潛往復(fù)泵井下工況監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

3）新型雙作用減載抽油泵可有效減小電機(jī)動(dòng)子運(yùn)行載荷，延長工藝使用壽命，為進(jìn)一步開展該工藝適應(yīng)深井和大排量舉升研究奠定基礎(chǔ)。

4）電潛往復(fù)泵舉升工藝的關(guān)鍵技術(shù)深入研究和規(guī)模化應(yīng)用是其發(fā)展的必然趨勢(shì)，優(yōu)化升級(jí)的新工藝能夠進(jìn)一步提升工藝的可靠性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，為該工藝向數(shù)字化管理、高效節(jié)能、安全環(huán)保的方向發(fā)展，以及合理控制油田開發(fā)成本，改善開發(fā)效果提供了技術(shù)保障。