高溫電動(dòng)潛油泵在稠油開采中的應(yīng)用分析

姚春雪 顏偉

摘要：目前，我國許多油田已經(jīng)進(jìn)入中后期開采階段，諸如油藏的滲透率低、設(shè)備大量腐蝕等層面的問題開始集中顯現(xiàn)，油田企業(yè)面臨著產(chǎn)能下降和需求提升的困局。此外，以克拉瑪依油田為例，油田稠油占比高，開采難度大。現(xiàn)階段針對油田中后期開采和稠油開采，高溫電潛泵日益發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，極大的提高油田產(chǎn)能。本文針對高溫電潛泵在稠油開采中的技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行論述。

關(guān)鍵字：稠油 潛油電泵 耐高溫 密封

一、原油黏度對采油的影響

油氣所涉及的油氣水物性，流入動(dòng)態(tài)，井筒流動(dòng)，以及流體在泵等井下設(shè)備中的流動(dòng)均與壓力與溫度有關(guān)。其中，油氣水物性包括密度，溶解汽油比，和黏度等。原油黏度越大，開采的技術(shù)難度越高，從井底舉升到地面較一般輕油更為困難。

原油黏度指原油內(nèi)部對流動(dòng)的阻力，是決定原油在地層孔隙和管道中流動(dòng)的一個(gè)重要物理量。原油黏度取決于它的化學(xué)組成、溫度、壓力、溶解汽油比等條件。

二、電潛泵系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

電潛泵系統(tǒng)基本上由三大部分八大件組成

（1）井下部分：包括電動(dòng)機(jī)，保護(hù)器，分離器和多級離心泵。

（2）中間部分：電纜。

（3）地面部分：包括控制屏，接線盒和變壓器。

（一）電潛泵

電潛泵是一種多級離心泵，每一級基本上由一個(gè)旋轉(zhuǎn)的葉輪和一個(gè)靜止的導(dǎo)輪組成，可根據(jù)生產(chǎn)容積和舉升確定總級數(shù)，再根據(jù)總級數(shù)確定電動(dòng)機(jī)馬力和總水頭。為了達(dá)到最佳的防腐效果，導(dǎo)輪通常采用耐蝕鎳合金材料制造，并用金屬外殼作為保護(hù)膜。

（二）電動(dòng)機(jī)

電潛泵中使用的電機(jī)為三相鼠籠異步電機(jī)。其工作原理與普通三相異步電機(jī)一樣，把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

但是它與普通電機(jī)相比，它有以下特點(diǎn)：

轉(zhuǎn)軸為空心，便于冷卻循環(huán)電機(jī);絕緣等級高，絕緣材料耐高溫，耐高壓和油氣水的綜合作用;電機(jī)內(nèi)腔充滿電機(jī)油以隔絕井液和便于散熱;有專門的井液與電機(jī)油的隔離密封裝置-保護(hù)器。

（三）保護(hù)器

電動(dòng)機(jī)保護(hù)器有多種功能，例如：

（1）防止井中液體流入電動(dòng)機(jī)內(nèi)。

（2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的潤滑油因溫度升高而膨脹，保護(hù)器內(nèi)有足夠空間存儲(chǔ)因膨脹而溢出的電動(dòng)機(jī)油。反之，當(dāng)潤滑油的溫度下降而收縮時(shí)，保護(hù)器內(nèi)的潤滑油又可以返回補(bǔ)充給電動(dòng)機(jī)。

（四）電纜的功能是為電動(dòng)機(jī)提供電能，主要由導(dǎo)體，絕緣層，護(hù)套層所組成。電纜的選擇取決于電壓、電流強(qiáng)度、油套環(huán)形空間和井底溫度。

（五）控制屏

控制屏的功能是電潛泵的啟動(dòng)和停機(jī)，它還可以對電潛泵系統(tǒng)的短路、過載、欠保護(hù)以及欠載延時(shí)等狀況進(jìn)行自動(dòng)啟動(dòng)。

（六）井口裝置

井口裝置由套管尺寸、油管尺寸、最大推薦載荷、井口壓力和最大安裝深度所確定，其主要功能是利用壓力來密封油管和電纜之間的空間，用此種方法，可減少通過電纜的氣體運(yùn)移速度。

（七）接線盒

接線盒安裝在井口裝置和控制屏之間，它的功能是防空由潛油電纜線芯內(nèi)上升至井口的天然氣，從而防止天然氣在控制屏中積聚和爆炸。

（八）變壓器

變壓器是用來改變交流電電壓的一種設(shè)備。變壓器由一個(gè)鐵芯和纏繞在鐵芯上的絕緣銅線線圈組成，通常鐵芯和線圈浸泡在變壓器油里。變壓器油不但可以作為絕緣介質(zhì)，而且對變壓器有一定的冷卻作用。

簡言之，電潛泵機(jī)組以電能為能源。將電能傳輸給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動(dòng)電潛泵高速旋轉(zhuǎn)。潛油電泵中的每級葉輪，導(dǎo)輪使井液壓力逐步升高，在潛油泵出口處達(dá)到潛油泵要求的舉升揚(yáng)程，井液便通過油管舉升至地面，最后通過地面管線傳輸至地面集輸系統(tǒng)。

三、高溫電潛泵開采稠油的技術(shù)優(yōu)勢

同其他機(jī)械采油方式相比，在我國電潛泵已經(jīng)可以用于產(chǎn)量為40m3/d的油井，能夠較好的應(yīng)用于斜井、水平井，生產(chǎn)時(shí)效高，有利于原油生產(chǎn)，以及便于安裝井下壓力傳感器等。但是傳統(tǒng)的電潛泵也有其局限性，如不適用于零散井，井底高溫高壓等不利環(huán)境易使電纜及電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障等。

使用用電潛泵開采稠油，進(jìn)行泵的設(shè)計(jì)安裝時(shí)，除考慮常規(guī)的要求和油藏特性外，還應(yīng)要求應(yīng)具有較好的耐磨蝕和耐高溫性，以及對于高粘度稠油，應(yīng)有較大的排量。

在國際領(lǐng)域，美國是生產(chǎn)和應(yīng)用電潛泵最多的國家。美國的Reda公司采用特殊的耐高溫絕緣材料和橡膠密封材料，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能適應(yīng)200℃以及以上井溫的電動(dòng)機(jī)，泵軸功率為 559～7457kw，泵效為44%～70% ，地?zé)峋哪蜏乜蛇_(dá)232℃。Bome公司生產(chǎn)的電潛泵用電纜，耐高溫達(dá)240℃?？梢娫陔姖摫玫哪透邷貑栴}上國際上已經(jīng)領(lǐng)先一步。

四、高溫潛油電泵在技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)方式

現(xiàn)今，我國油田在中后期開采和稠油開采上，普遍使用SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）技術(shù)。SAGD技術(shù)是一項(xiàng)前沿的稠油熱米開發(fā)技術(shù)，其工藝原理為：首先通過位置較高的注氣井向油藏中連續(xù)注入蒸汽，再依靠蒸汽超覆作用加熱上部油層，并逐漸形成蒸汽腔，從而使原油的流動(dòng)性增強(qiáng)，在重力作用下原油流向下部水平生產(chǎn)井，最后將原油采出地面。

目前，對于已經(jīng)成功應(yīng)用了 SAGD技術(shù)的油井，其絕大多數(shù)為中低溫油井，在油井開采過程中，所采用的高溫潛油電泵能夠耐受的井下環(huán)境溫度僅為180°C左右。但是，隨著對中低溫油井開采趨于飽和，只能轉(zhuǎn)向埋藏更深且溫度更高的高溫油井，而高溫油井的井下環(huán)境溫度可達(dá)220°C左右，目前常規(guī)潛油電泵已經(jīng)難以滿足高溫油井的開采需要了。

對于高溫潛油電泵來說其地下部分必須能夠承受井下的高溫環(huán)境，特別是電機(jī)的耐高溫性能會(huì)直接影響到高溫潛油電泵的工作可靠性。為適應(yīng)高溫油井的稠油開采的情況，應(yīng)選用一種耐高溫電機(jī)。且電機(jī)軸采用空心結(jié)構(gòu)，電機(jī)軸一端延伸至頂部機(jī)殼，其端部利用絲堵進(jìn)行密封處理;電機(jī)軸另一端延伸至尾部機(jī)殼，其端部為進(jìn)油口，在進(jìn)油口處設(shè)置有增壓螺旋葉片，增壓螺旋葉片與儲(chǔ)油底座相對應(yīng);在頂部機(jī)殼、中部機(jī)殼及尾部機(jī)殼的內(nèi)部空腔中、在儲(chǔ)油底座的內(nèi)部儲(chǔ)油腔中在電機(jī)軸中心孔內(nèi)充滿有潤滑油，通過電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)潤滑油進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，通過潤滑油循環(huán)流動(dòng)對電機(jī)進(jìn)行潤滑及散熱降溫。使其具有在高溫工作時(shí)合理的電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及高效的潤滑和散熱性能，能夠有效提高電機(jī)的井下耐熱溫度，使高溫潛油電泵滿足高溫油井的開采需要。

此外，在高溫環(huán)境下，電機(jī)電纜的塑料護(hù)層、橡膠墊均產(chǎn)生膨脹，密封性能仍然能夠保持，但塑料護(hù)層在三孔橡膠墊的擠壓下就會(huì)形成一道環(huán)形溝痕。在高溫向低溫轉(zhuǎn)變后，電機(jī)電纜的塑料護(hù)層產(chǎn)生的收縮較橡膠墊要大一些，在塑料護(hù)層與橡膠墊之間產(chǎn)生了縫隙，密封性能減弱甚至失效。工作溫度越高時(shí)，殘留的環(huán)形溝痕變形量也越大，三孔橡膠墊的密封性能失效的可能性就越大。為此高溫潛油電泵的使用應(yīng)使用高溫高壓密封結(jié)構(gòu)，以避免常溫潛油電泵電纜接頭密封性能在高溫向低溫轉(zhuǎn)變之后失效的問題，保護(hù)了電機(jī)電纜的正常有效聯(lián)接，從而提高了潛油電泵的使用壽命和安全性。

與普通電動(dòng)潛油泵相比，其具有在高溫工作時(shí)合理的電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及高效的潤滑和散熱性能，能夠有效提高電機(jī)的井下耐熱溫度，使高溫潛油電泵滿足高溫油井的開采需要，在高溫油井開采過程中，使高溫潛油電泵具有更高的工作可靠性。

綜上所述，高溫電潛泵采油的適用范圍，系統(tǒng)效率和工作壽命均得到了顯著提高。此高溫電潛泵設(shè)備已在新疆、遼河油田推廣應(yīng)用。

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