潛油永磁同步電機(jī)直驅(qū)螺桿泵采油實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

崔俊國(guó)，高 翔，鄒文強(qiáng)，王全賓，肖文生

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院 海洋物探及勘探設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；2. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 采油采氣裝備研究所，北京 100083）

隨著油田的不斷開(kāi)發(fā)，大斜度井、水平井以及高稠粘、高含砂蠟原油井逐漸增多，有桿泵采油系統(tǒng)和電潛離心泵采油面臨較多問(wèn)題，很難滿(mǎn)足新的開(kāi)采需求。低速大扭矩潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油作為一項(xiàng)新技術(shù)逐漸被油田應(yīng)用[1-6]。但在使用過(guò)程中，出現(xiàn)了潛油永磁同步電機(jī)出力不足、退磁、溫升過(guò)高，螺桿泵磨損、漏失等問(wèn)題[7-9]。近幾年，國(guó)內(nèi)一些高校、科研院所、企業(yè)進(jìn)行了潛油永磁同步電機(jī)研究[10-13]，但均是針對(duì)潛油永磁同步電機(jī)進(jìn)行空載/負(fù)載實(shí)驗(yàn)，測(cè)試加載過(guò)程較為理想，并沒(méi)有與油田采油相結(jié)合。為解決以上問(wèn)題，并評(píng)價(jià)該新型采油系統(tǒng)的性能及可靠性，本文搭建了一種潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展不同工況下采油綜合實(shí)驗(yàn)研究；將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)與計(jì)算的有效性，為新型采油裝備的科學(xué)研究及工程化、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理如圖1 所示。系統(tǒng)主要由低速潛油永磁同步電機(jī)、電機(jī)保護(hù)器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、螺桿泵、電磁閥組、循環(huán)油路系統(tǒng)、控制及參數(shù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成。整個(gè)裝置有兩套循環(huán)油路系統(tǒng)：螺桿泵吸排油管路和模擬井下溫度環(huán)境循環(huán)油路。吸排油管路的工作流程為：潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵機(jī)組啟動(dòng)，油箱1 中的原油經(jīng)篩網(wǎng)管進(jìn)入螺桿泵吸入口，螺桿泵將原油增壓排出，經(jīng)過(guò)濾器、電磁閥組后返回油箱1，壓力、流量等參數(shù)被記錄下來(lái)。模擬井下溫度環(huán)境循環(huán)油路工作流程為：油箱2 下端的齒輪泵啟動(dòng)，將油箱2 中的原油吸入潛油永磁同步電機(jī)環(huán)套，然后再流回油箱2；加熱棒給原油加熱，模擬井下原油溫度。

圖1 潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖

通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可完成如下實(shí)驗(yàn)測(cè)試：

（1）調(diào)節(jié)永磁電機(jī)控制系統(tǒng)和油路控制系統(tǒng)，測(cè)量螺桿泵出口流量、壓力、油溫等參數(shù)，同時(shí)測(cè)量相應(yīng)工況下潛油永磁同步電機(jī)的電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)等參數(shù)。

（2）改變循環(huán)油的性質(zhì)（砂、蠟、氣含量以及粘稠度等），測(cè)試針對(duì)不同井況或油井時(shí)的整機(jī)系統(tǒng)性能。

（3）設(shè)定不同的循環(huán)油溫度，開(kāi)展不同溫升下潛油永磁同步電機(jī)的電磁性能以及不同溫度下螺桿泵運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 潛油永磁同步電機(jī)

潛油永磁同步電機(jī)作為該系統(tǒng)的核心動(dòng)力裝置，其性能直接影響潛油螺桿泵機(jī)組乃至電泵井的質(zhì)量和壽命，同時(shí)影響原油產(chǎn)量和采油成本。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用一臺(tái)自主研制的10 極12 槽分?jǐn)?shù)槽潛油永磁同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。主要?jiǎng)?chuàng)新在于：①電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁代替電勵(lì)磁，提高電機(jī)效率和功率因數(shù)；②轉(zhuǎn)軸采用整體式，與單元組合式潛油永磁電機(jī)相比，有效解決了轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)變形問(wèn)題；③低速直驅(qū)，省掉了行星齒輪減速器及其保護(hù)器，有效縮短了傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度，減少了故障點(diǎn)，提高了系統(tǒng)效率。

圖2 潛油永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

基于Maxwell 軟件開(kāi)展?jié)撚陀来磐诫姍C(jī)電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)并優(yōu)化（見(jiàn)圖3），分析電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、溫升等評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖3 潛油永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)分布圖

2.2 吸排油管路

該管路用于模擬螺桿泵采油的過(guò)程。螺桿泵吸入口與油箱連接，排出口與循環(huán)油管路連接，油經(jīng)過(guò)管路后最終進(jìn)入油箱，構(gòu)成循環(huán)。通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)流量的控制，在進(jìn)入油箱前端安裝有流量計(jì)，方便直觀(guān)地獲取實(shí)時(shí)流量。壓力的控制通過(guò)電磁閥組實(shí)現(xiàn)：每?jī)蓚€(gè)電磁閥之間連接一根外徑為8 mm 的細(xì)管，改變1~8 號(hào)電磁閥的開(kāi)閉順序和個(gè)數(shù)，使油經(jīng)過(guò)的路線(xiàn)長(zhǎng)度不同，從而使油在管路內(nèi)產(chǎn)生的摩阻不同，實(shí)現(xiàn)壓力的改變。

2.3 控制及參數(shù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過(guò)控制電機(jī)的工作頻率改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)在控制面板上顯示當(dāng)前工況下的電壓、電流。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器連接在電機(jī)保護(hù)器與萬(wàn)向節(jié)之間，實(shí)時(shí)采集電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速；通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)采集兩油箱中及電機(jī)殼表面的溫度值；螺桿泵輸出端的壓力傳感器實(shí)時(shí)采集循環(huán)油路壓力，流量計(jì)的數(shù)據(jù)也實(shí)時(shí)進(jìn)入?yún)?shù)采集系統(tǒng)。采集到的所有參數(shù)均可在循環(huán)油路系統(tǒng)面板和計(jì)算機(jī)軟件中實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可通過(guò)軟件繪制實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試

根據(jù)潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，完成了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各模塊的加工及實(shí)驗(yàn)室組裝，如圖4 所示。對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試無(wú)誤后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試。油路壓力控制調(diào)節(jié)通過(guò)開(kāi)發(fā)的模擬采油測(cè)試系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)，如圖5 所示，在人機(jī)交互界面點(diǎn)擊電磁閥按鍵，可控制電磁閥的開(kāi)閉個(gè)數(shù)和次序，從而獲得不同的壓力參數(shù)，模擬不同的井況。

圖4 直驅(qū)螺桿泵采油實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖5 人機(jī)交互界面

開(kāi)展了介質(zhì)為理想情況下（循環(huán)油采用L-HM32#抗磨液壓油，不含砂、蠟、氣）的系統(tǒng)性能測(cè)試。

設(shè)定了兩組典型工況：①電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速180 r/min，壓力8 MPa，模擬下泵深度800 m；②電機(jī)轉(zhuǎn)速120 r/min，壓力12 MPa，模擬下泵深度1 200 m。測(cè)試時(shí)每10 s 采樣數(shù)據(jù)一次，測(cè)得兩種工況下系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 兩種工況下測(cè)得系統(tǒng)參數(shù)

效率是衡量采油系統(tǒng)且為油田重點(diǎn)關(guān)注的重要指標(biāo)之一。需要評(píng)價(jià)的效率包括三項(xiàng)：電機(jī)效率、螺桿泵效率、系統(tǒng)效率。

將射頻模塊與導(dǎo)航信號(hào)基帶處理板連接后，作為RTK接收機(jī)進(jìn)行差分定位測(cè)試，圖21為某次模塊應(yīng)用于RTK接收機(jī)的差分結(jié)果，表明了該模塊可以應(yīng)用于厘米級(jí)的應(yīng)用，誤差在6 cm以下。

1）電機(jī)效率。

理論設(shè)計(jì)時(shí)，潛油永磁同步電機(jī)效率可由輸出功率和功率損耗確定：

式中，Pout為電機(jī)輸出功率，Ploss為相應(yīng)工況下電機(jī)損耗的功率。

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中功率損耗主要由銅耗PCu、鐵耗PFe、機(jī)械損耗Pfw、雜散損耗Ps四部分組成：

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，精確測(cè)量各項(xiàng)損耗較為困難，可根據(jù)電機(jī)的輸入和輸出功率計(jì)算電機(jī)效率。電機(jī)輸入功率P1為

式中，U為電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后電壓值，I為電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后電流值，cosφN為電機(jī)的功率因數(shù)。

輸出功率P2（單位為 kW）由測(cè)得的轉(zhuǎn)矩T（單位為Nm）和轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）計(jì)算得到：

則實(shí)測(cè)電機(jī)效率為

有限元仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的兩種工況下潛油永磁同步電機(jī)效率如表2 所示。在不同的工況下，效率理論值與實(shí)測(cè)值均接近，驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化的合理性。

表2 兩種工況下的效率值

2）螺桿泵效率。

由螺桿泵輸入功率和輸出功率計(jì)算。輸入功率P3為

式中，ηb為電機(jī)保護(hù)器效率，ηw為萬(wàn)向節(jié)效率。

輸出功率P4（單位為kW）由螺桿泵的出口壓力p壓（單位為MPa）和流量Q（單位為m3/s）計(jì)算：

則螺桿泵效率為

3）系統(tǒng)效率。

潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵機(jī)組系統(tǒng)效率為

根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到兩組工況下的螺桿泵效率和系統(tǒng)效率如表3 所示。

表3 兩種工況下的螺桿泵和系統(tǒng)實(shí)測(cè)效率值

圖6(a)和6(b)分別為工況 1 和 2 下電機(jī)轉(zhuǎn)矩有限元仿真與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)，輸出轉(zhuǎn)矩平均值和波動(dòng)規(guī)律均接近，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析具有較好的一致性。工況 1下，轉(zhuǎn)矩實(shí)測(cè)值最大振幅為34.75 Nm，仿真值最大振幅為 18.77 Nm；工況 2 下，轉(zhuǎn)矩實(shí)測(cè)值最大振幅為39.30 Nm，仿真值最大振幅為22.15 Nm；誤差的主要原因是實(shí)驗(yàn)時(shí)存在管路端液體流動(dòng)引起的機(jī)械振動(dòng)。

圖6 兩種工況下電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得兩種工況下電機(jī)的溫度變化曲線(xiàn)如圖7 所示。電機(jī)在工況1 下運(yùn)行800 s 溫度上升了6.35 ℃，在工況2 下運(yùn)行800 s 溫度上升了7.57 ℃。隨著電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)溫度先近似直線(xiàn)緩慢上升，隨后趨于平緩，直至電磁-熱場(chǎng)雙向耦合平衡，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 兩種工況下電機(jī)溫度變化曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

本文搭建了潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并開(kāi)展了基本性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況下潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油綜合性能的測(cè)試及分析，能夠驗(yàn)證潛油永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性，并可以拓展更多工況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試能力，為潛油永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)在油田的可靠應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)支撐。該平臺(tái)用于石油機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可使學(xué)生直觀(guān)地認(rèn)識(shí)并掌握電潛泵采油原理及相關(guān)技術(shù)，通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析，使學(xué)生能夠更深層次地掌握油田人工舉升的相關(guān)知識(shí)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用能力及創(chuàng)新能力起到積極的作用。