小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵研制與應(yīng)用

彭永剛

(大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

當(dāng)前，在大慶油田外圍采油廠油井開采過程中，主要以抽油機(jī)舉升方式為主，因其具有工作性能可靠、后續(xù)維護(hù)簡(jiǎn)單、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，得到了用戶的認(rèn)可[1-4]。由于本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在低產(chǎn)井、大斜度井應(yīng)用時(shí)，舉升系統(tǒng)效率低、能耗高、抽油桿和油管偏磨嚴(yán)重[5-9]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，舉升揚(yáng)程在1 400～1 800 m低產(chǎn)區(qū)塊的采油井，單井日產(chǎn)液量不足10 m3，平均泵效不足28%，平均系統(tǒng)效率僅為16.4%，很大程度上影響了原油的開采成本[10-13]。

近年來，大慶油田采油工程研究院針對(duì)有桿泵舉升存在桿管偏磨嚴(yán)重、能耗高、地面設(shè)備有安全隱患等問題，研制出了120泵型、200泵型、240泵型3種規(guī)格的螺桿泵，以及15 kW、22 kW 2種直驅(qū)潛油電機(jī)，能夠滿足舉升揚(yáng)程在1 000 m以內(nèi)、排量在10～80 m3/d采油井的舉升要求[14-17]?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)20多口井，取得了較好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。為解決大慶油田外圍采油廠舉升揚(yáng)程在1 800 m以內(nèi)低產(chǎn)區(qū)塊的采油井舉升問題，在現(xiàn)有潛油直驅(qū)螺桿泵技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)組優(yōu)化升級(jí)，成功研制出舉升揚(yáng)程在1 800 m以內(nèi)，排量10 m3/d以下的小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵，并開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了良好的效果，為大慶油田外圍采油廠的經(jīng)濟(jì)有效開采提供了新的人工舉升方式。

1 潛油直驅(qū)螺桿泵系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)如圖1所示，主要包括地面控制部分、電纜、井下機(jī)組和配套的井下工具。其中，地面控制部分包括地面控制柜、接線盒及電泵井口；潛油電纜包括大扁電纜和小扁電纜；井下機(jī)組自下而上包括潛油電機(jī)、電機(jī)保護(hù)器、軸承組及保護(hù)器、方向節(jié)聯(lián)軸器和專用螺桿泵。配套井下工具包括錨定工具、剛性扶正器、單流閥和泄油閥。

圖1 潛油直驅(qū)螺桿泵系統(tǒng)示意

1.2 工作原理

潛油電機(jī)置于井下機(jī)組的底端，通過中間動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的輸出軸與專用螺桿泵的轉(zhuǎn)子下端連接，整個(gè)連接自上而下為同軸連接。地面輸入的三相電源通過地面控制柜、接線盒和電纜輸送給井下潛油電機(jī)，潛油電機(jī)的定子繞組中就會(huì)形成旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)，安裝永磁體的轉(zhuǎn)子由于磁極是固定的，根據(jù)磁極同性相吸異性排斥的原理，在定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相等。專用螺桿泵在潛油電機(jī)的帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，抽汲井液，經(jīng)油管將井液舉升到地面。通過調(diào)節(jié)地面變頻控制柜輸出頻率，對(duì)潛油電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。通過控制柜對(duì)輸出電壓和電流進(jìn)行模糊控制，保證潛油電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出。

1.3 機(jī)組優(yōu)化

通過對(duì)潛油電機(jī)電磁方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了散熱能力，增加了機(jī)械強(qiáng)度。改進(jìn)轉(zhuǎn)子工藝,提高了槽滿率。為了降低在啟動(dòng)過程中長(zhǎng)線電纜的電壓降損耗，提高啟動(dòng)能力，將潛油電機(jī)的工作電壓由380 V提高到660 V。參數(shù)優(yōu)化后增強(qiáng)了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩及其穩(wěn)定性，功率密度更大，過載能力由原來的1.5倍提高到1.8倍，井下耐壓由20 MPa提高到25 MPa，井下耐溫由150 ℃提高到200 ℃。

專用螺桿泵是在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了橡膠材料優(yōu)選和制造工藝改進(jìn)，通過優(yōu)選采油井，現(xiàn)場(chǎng)取樣的方式來進(jìn)行橡膠配伍性試驗(yàn)。將現(xiàn)場(chǎng)取回的井液加溫到90 ℃，然后將不同類型的橡膠材料浸泡在加溫后的井液中，觀察并測(cè)量橡膠的體積、質(zhì)量、硬度的變化量，最終定型了橡膠專用配方為氫化丁腈橡膠。氫化丁腈橡膠能夠保證其耐溫、耐磨和耐溶脹性能。

對(duì)專用螺桿泵的偏心參數(shù)和間隙參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，利用潛油泵高速時(shí)所具有的離心泵特性，使定轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)副之間更易于形成流體潤(rùn)滑，從而避免常規(guī)泵啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的粘附啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)還降低了泵的摩擦轉(zhuǎn)矩和磨損。

螺桿泵初始過盈δ0及偏心調(diào)整量ΔE分別為：

δ0=δ-(δ1+δ2)

(1)

ΔE=(δ1+δ2-δ3)/4

(2)

螺桿泵轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)直徑d及偏心e分別為：

d=D+δ0

(3)

e=E+ΔE

(4)

式中：δ為目標(biāo)過盈量，mm；δ0為初始過盈量，mm；δ1為短軸熱脹量，mm；δ2為短軸溶脹量，mm；δ3為長(zhǎng)軸尺寸變化量，mm；d為轉(zhuǎn)子直徑，mm；e為轉(zhuǎn)子偏心，mm；D為定子直徑，mm；E為定子偏心，mm。

以普通GLB120型螺桿泵與QYLB120型潛油專用螺桿泵為例，轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)對(duì)比如圖2所示。試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速150 r/min，介質(zhì)為清水，環(huán)境溫度為常溫，出口壓力7 MPa。從圖2中可以看出，設(shè)計(jì)的潛油專用螺桿泵沒有啟動(dòng)波峰，不僅啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，而且正常工作時(shí)摩擦轉(zhuǎn)矩也小，從而使整個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷減小，提高了系統(tǒng)可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。

圖2 普通螺桿泵與潛油專用螺桿泵轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)對(duì)比曲線

通過改進(jìn)專用螺桿泵的加工工藝，使橡膠與專用螺桿泵定子粘接性能提高；通過采用菱形鋼砂磨料，增大了定子表面粗糙度，增加粘接面積；通過粘接劑霧化、旋轉(zhuǎn)噴涂工藝保證涂膠質(zhì)量，最終制造出小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)專用螺桿泵。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證優(yōu)化后潛油直驅(qū)螺桿泵機(jī)組的性能，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象為QYLB14-24型泵，其額定轉(zhuǎn)速300 r/min、額定電壓660 V、額定功率7.5 kW。試驗(yàn)條件：介質(zhì)溫度90 ℃，試驗(yàn)介質(zhì)為清水。通過試驗(yàn)井井口憋壓的方式測(cè)試不同轉(zhuǎn)速、不同揚(yáng)程下泵的容積效率。圖3為專用螺桿泵在額定轉(zhuǎn)速下容積效率隨舉升壓力變化曲線。

圖3 額定轉(zhuǎn)速下泵容積效率隨舉升壓力變化曲線

由圖3可以看出，專用螺桿泵在額定轉(zhuǎn)速下泵容積效率隨舉升壓力的升高而降低，在舉升壓力為7.5 MPa條件下，容積效率達(dá)到100%；在舉升壓力19 MPa條件以內(nèi)，容積效率均能達(dá)到60%以上?？梢姡瑑?yōu)化后的小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵機(jī)組能夠滿足大慶油田外圍采油井舉升揚(yáng)程在1 800 m以內(nèi)的需求。

3 配套技術(shù)

3.1 油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)

為解決小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵在舉升過程中因蠟堵造成能耗高，以及停機(jī)問題，配套了油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由井下配重、井下加熱體(如圖4所示)和地面控制系統(tǒng)組成。其工作原理是：將地面提供的電能轉(zhuǎn)變成磁熱能，對(duì)油管內(nèi)的原油進(jìn)行加溫和磁化，使其滲透率、流動(dòng)性增加，從而降低舉升設(shè)備能耗。

圖4 井下加熱體結(jié)構(gòu)

井下配重是連接在井下加熱體底部，避免出現(xiàn)井下加熱體在下井過程中因油管內(nèi)液體浮力大于重力，致使井下加熱體無法下到油管內(nèi)部。井下加熱體是油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)的核心部分，一般下到油管內(nèi)600～800 m位置，三芯電纜在井下做星型連接，井口端供三相電源，實(shí)現(xiàn)井下除蠟?zāi)康?。地面控制采用微電腦數(shù)字化自動(dòng)控制技術(shù)，性能穩(wěn)定，可以設(shè)置加熱溫度、加熱周期，可對(duì)缺相、過壓、過流、短路等故障自動(dòng)保護(hù)，具有識(shí)別顯示功能。

3.2 地面控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后的機(jī)組平穩(wěn)控制，研制了660 V專用地面變頻控制系統(tǒng)。整個(gè)變頻系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括輸入整流單元、直流濾波儲(chǔ)能單元、信號(hào)檢測(cè)回路、伺服驅(qū)動(dòng)逆變單元及能耗制動(dòng)單元；控制上使用無編碼器全閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制模式，具有電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車和平滑調(diào)速特性，并對(duì)電器的過壓、過流、短路等故障具有保護(hù)功能。在變頻控制系統(tǒng)內(nèi)置制動(dòng)電阻，當(dāng)系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，通過外部電路的常閉交流接觸器使電機(jī)立即切換到制動(dòng)電阻回路中，將電機(jī)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能在制動(dòng)電阻上消耗掉。

研制的地面高性能伺服變頻地面控制系統(tǒng)如圖5所示。對(duì)永磁潛油電機(jī)轉(zhuǎn)子速度、位置以及定子電流進(jìn)行閉環(huán)控制，柔性平滑驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)。通過GPRS傳送到上位機(jī)的電機(jī)電壓、電流、速度、功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程日常監(jiān)控和工況分析。

圖5 地面變頻調(diào)控原理

3.3 錨定裝置

由于潛油專用螺桿泵的轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩直接作用于定子，該轉(zhuǎn)矩會(huì)使泵上部的正扣油管倒扣，造成管柱脫扣，因此潛油螺桿泵井的管柱也必須實(shí)施防脫扣措施。研制了錨定裝置如圖6所示，由活動(dòng)爪、滑套、長(zhǎng)滑道和短滑道組成。常態(tài)下活動(dòng)爪處于閉合狀態(tài)，此時(shí)滑套處于長(zhǎng)滑道內(nèi)。工作狀態(tài)下，活動(dòng)爪張開，此時(shí)滑套處于短滑道上。為了防止損壞電纜，錨定裝置安裝在電機(jī)尾部，起到有效錨定和扶正作用。

圖6 錨定裝置

錨定裝置在坐封過程中，應(yīng)注意觀察作業(yè)機(jī)上的懸重表指針，最好的狀態(tài)是大部分載荷懸掛在井口懸掛器上，小部分載荷壓在錨定裝置上，這樣既能保證機(jī)組在受壓的情況下不彎曲，又能防止機(jī)組在工作過程中油管倒扣。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵應(yīng)用效果，在前期優(yōu)選取樣采油井上開展2口井試驗(yàn)，具體情況如表1所示。

表1 應(yīng)用小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升前后采油井生產(chǎn)參數(shù)

續(xù)表1

由表1可以看出，應(yīng)用小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升前，2口試驗(yàn)井采用抽油機(jī)方式舉升，2口試驗(yàn)井均采用?38 mm抽油泵，平均泵掛深度1 248.5 m，平均日產(chǎn)液量5.05 m3，平均動(dòng)液面深度959.5 m，平均泵效16.7%；應(yīng)用小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升后，2口試驗(yàn)井采用QYLB14-24型潛油直驅(qū)螺桿泵，平均泵掛深度1 802.5 m，平均日產(chǎn)液量6 m3，平均動(dòng)液面深度1 182.5 m，平均泵效65.35%；應(yīng)用前后平均泵掛加深554 m，平均泵效高了48.65%。可見，應(yīng)用小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升后不僅徹底解決了因加深泵掛帶來的桿管偏磨問題，而且泵效更高。

為了進(jìn)一步分析小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵節(jié)能效果，對(duì)2口試驗(yàn)井的噸液百米耗電、噸液百米節(jié)電率進(jìn)行了對(duì)比，具體結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)用小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升前后采油井節(jié)能數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2可以看出，采用抽油機(jī)方式舉升時(shí)，A井噸液百米耗電2.87 kW·h，B井噸液百米耗電2.76 kW·h；采用小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿方式舉升時(shí)，A井噸液百米耗電0.99 kW·h，B井噸液百米耗電1.15 kW·h；應(yīng)用小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升前后，A井噸液百米節(jié)電率65.51%，B井噸液百米節(jié)電率58.33%?？梢?，潛油直驅(qū)螺桿機(jī)組優(yōu)化后具有較高的節(jié)能效果。

2口試驗(yàn)井在配套油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)前，采用定期在井口加入化學(xué)藥劑和罐車熱洗的方式清蠟，這種組合式方式不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且受天氣情況制約會(huì)導(dǎo)致不能按時(shí)加入化學(xué)藥劑或熱洗井，影響采油井正常生產(chǎn)。

為了避免因蠟堵影響采油井正常生產(chǎn)，2口采油井均配套了油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)，應(yīng)用油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)前后情況如表3所示。

表3 應(yīng)用油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)前后對(duì)比數(shù)據(jù)

由表3可以看出，2口采油井在應(yīng)用小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升技術(shù)前，采用井口化學(xué)加藥方式進(jìn)行防蠟，平均加藥周期為10 d，而且每月要利用罐車進(jìn)行1次熱洗井。應(yīng)用油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)后，平均加熱周期為15 d，省去了每月定期加入化學(xué)藥劑和熱洗井工作量。

經(jīng)計(jì)算，單井每年需要熱洗井12次，采用油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)后，省去了熱洗井工作量。單井熱洗費(fèi)用按照0.2萬元/次計(jì)算，年節(jié)約熱洗井費(fèi)用￥2.4萬元；單井年加化學(xué)藥劑費(fèi)用按1萬元/井，單井年清蠟費(fèi)用共節(jié)約￥3.4萬元。油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)每15 d需要進(jìn)行加熱一次，加熱時(shí)間為24 h，每次耗電量為720 kW·h，電費(fèi)按照1元/度計(jì)算，單井年耗電費(fèi)用￥1.728萬元，兩口采油井年節(jié)約清蠟費(fèi)用共￥3.344萬元?？梢?，避免蠟堵影響采油井正常生產(chǎn)的情況下，單純考慮清蠟費(fèi)用，油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)清蠟費(fèi)用更低。

5 結(jié)論

1) 室內(nèi)試驗(yàn)得出，優(yōu)化后的機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速300 r/min、試驗(yàn)介質(zhì)為清水的情況下，舉升壓力19 MPa條件以內(nèi)，泵容積效率均能達(dá)到60%以上，能夠滿足大慶油田外圍低產(chǎn)采油井舉升揚(yáng)程在1 800 m以內(nèi)的需求。

2) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，相比于抽油機(jī)舉升方式，小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵具有更好的舉升效果；配套的油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)與定期化學(xué)加藥和熱洗的組合清蠟方式相比,不僅清蠟費(fèi)用低、清蠟及時(shí)，而且避免了因蠟堵影響采油井正常生產(chǎn)。

3) 下一步，繼續(xù)擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)井規(guī)模，進(jìn)一步驗(yàn)證小排量高揚(yáng)程潛油直驅(qū)螺桿泵性能的可靠性及節(jié)能效果。