試論潛油電泵的啟動(dòng)運(yùn)行

王磊

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163000）

當(dāng)前石油行業(yè)開(kāi)采石油只有自噴井不需要輔助動(dòng)力抽取石油外，大多數(shù)都使用抽油機(jī)或潛油泵進(jìn)行油井石油的提取，由于潛油泵具有成本低、能耗小、施工方便等特點(diǎn)，在很多油區(qū)都是用上了潛油泵實(shí)施抽油作業(yè)。因此，在這些油區(qū)中，產(chǎn)油量的大小與潛油泵能否正常運(yùn)行存在最直接的聯(lián)系，潛油泵油井，在每次進(jìn)行修井的過(guò)程中，需要對(duì)油泵電纜進(jìn)行更換、對(duì)潛油泵進(jìn)行更換、對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行更換，加上人員費(fèi)用每次修井的費(fèi)用多達(dá)300萬(wàn)以上，這無(wú)形中嚴(yán)重影響了油田企業(yè)生產(chǎn)的成本與效益。

潛油泵安裝在抽油管的最下面，大約是海平面以下1200m左右，其啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)是通過(guò)電纜與地面設(shè)備連接，因?yàn)榈叵掠蛯游恢脺囟确浅８?，壓力也非常高，所以，潛油泵是工作在非常惡劣的環(huán)境中，目前，潛油泵最高使用壽命為3年，如果對(duì)不同地質(zhì)區(qū)塊的潛油泵，針對(duì)其實(shí)際的情況采用差異化的方法維護(hù)以及使用潛油泵，對(duì)延長(zhǎng)潛油泵使用的時(shí)間以及降低油井維修的成本具有重大意義。潛油泵使用時(shí)間主要是取決于潛油泵的質(zhì)量、選擇相關(guān)材料的質(zhì)量、潛油泵的安裝質(zhì)量、配套設(shè)施的質(zhì)量、潛油泵運(yùn)行中維護(hù)的質(zhì)量等，本文主要是研究分析潛油泵在工作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)研究提升潛油泵運(yùn)行的壽命。

1 潛油泵啟動(dòng)、運(yùn)行特性的分析

1.1 潛油泵啟動(dòng)的特性分析

潛油泵正常狀況下啟動(dòng)的條件是進(jìn)行輕載的啟動(dòng)，此時(shí)，潛油泵電機(jī)只承擔(dān)保護(hù)器、分離裝置以及油泵的重量，同時(shí)加上在泵腔里的油液重量和分離裝置、保護(hù)器以及泵的旋轉(zhuǎn)阻力，由于在泵葉導(dǎo)輪里的原油具有一定的潤(rùn)滑作用，所以，在潛油泵啟動(dòng)時(shí)，其啟動(dòng)所需的時(shí)間為0.08～0.1s，在0.2s后潛油泵將進(jìn)入全速運(yùn)轉(zhuǎn)。本文對(duì)某油田28口井進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)潛油泵電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)電壓達(dá)到額定值65%的時(shí)候，潛油泵就可以達(dá)到一次性的啟動(dòng)，潛油泵電機(jī)啟動(dòng)的力矩和電壓平方為正比的關(guān)系，當(dāng)電壓降低10%的時(shí)候，啟動(dòng)產(chǎn)生的力矩會(huì)降低19%左右。因此，在設(shè)計(jì)潛油泵電機(jī)時(shí)，應(yīng)該恰當(dāng)?shù)臏p少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的力矩，這不僅能夠降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需的電流，同時(shí)也能夠改善其他電機(jī)的參數(shù)。

依據(jù)潛油泵電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，負(fù)荷和啟動(dòng)所需時(shí)間兩者關(guān)系得知，潛油泵啟動(dòng)所需時(shí)間越短，其運(yùn)動(dòng)負(fù)荷將會(huì)越大，因此，要恰當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)潛油泵電機(jī)啟動(dòng)所需時(shí)間，這樣能夠很大程度降低運(yùn)動(dòng)的負(fù)荷。潛油泵電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)上的電壓將會(huì)升高，因而將會(huì)縮短潛油泵電機(jī)啟動(dòng)所需時(shí)間，假如此時(shí)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出力矩的屈服限度，潛油泵主軸將有可能發(fā)生斷裂事故。潛油泵電機(jī)啟動(dòng)所需時(shí)間也不是越長(zhǎng)越好，通過(guò)對(duì)某油田N2-6-26油井進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)表明，當(dāng)潛油泵電機(jī)啟動(dòng)所需時(shí)間達(dá)到延長(zhǎng)190%時(shí)，潛油泵電機(jī)將會(huì)瞬時(shí)發(fā)熱，其熱量會(huì)上升到160%。理想的潛油泵電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為0.2～0.35s最為合適，這一時(shí)間既能達(dá)到消除運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，同時(shí)又不會(huì)使?jié)撚捅秒姍C(jī)發(fā)熱。

潛油泵電機(jī)在斷電以后，其滑行所需時(shí)間接近0，這主要是因?yàn)闈撚捅秒姍C(jī)斷電后，其磁力的力矩接近0，潛油泵出口位置的單向閥自動(dòng)落下關(guān)閉所用時(shí)間，會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于潛油泵電機(jī)轉(zhuǎn)換投全壓所用的時(shí)間0.085s，這時(shí)潛油泵電機(jī)所承受的負(fù)荷包含油管內(nèi)液柱的重量。由于慣性產(chǎn)生的力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的阻力，因此，潛油泵電機(jī)在進(jìn)行降壓后轉(zhuǎn)換成全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)和全壓進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)的曲線電流的波形一樣。

1.2 潛油泵電機(jī)運(yùn)行的特性

（1）潛油泵電機(jī)在欠載條件下運(yùn)行。欠載條件運(yùn)行，實(shí)際上就是潛油泵電機(jī)運(yùn)行的電流不大于額定工作的電流，同樣是輸出的功率不大于額定的功率。

①潛油泵在欠載條件下運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生熱蠕變情況。潛油泵電機(jī)出現(xiàn)欠載條件運(yùn)行主要是：一是因?yàn)闈撚捅妙~定的排量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油井底部供油液的能力，也就是潛油泵將井底抽空，或者說(shuō)井底的油不夠抽的。二是潛油泵在工作的過(guò)程中，出現(xiàn)氣鎖情況。當(dāng)潛油泵工作在這兩種狀態(tài)下，潛油泵剩余的功，將會(huì)被油液吸收，油液的溫度會(huì)快速上升。當(dāng)潛油泵電機(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)下工作時(shí)，它的運(yùn)行電壓任然是額定的電壓，電機(jī)的鐵損沒(méi)有改變，電機(jī)定子中的銅損會(huì)出現(xiàn)下降，此時(shí)的潛油泵電機(jī)自身的溫度變化很小。當(dāng)潛油泵實(shí)際的排量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于潛油泵額定的排量，這時(shí)，潛油泵電機(jī)會(huì)出現(xiàn)散熱能力變差的情況，潛油泵電機(jī)周圍環(huán)境的溫度會(huì)上升，此時(shí)，潛油泵電機(jī)與電機(jī)控制動(dòng)力電纜都工作在溫度不斷升高環(huán)境里，其潛油泵電機(jī)所需的電流會(huì)隨著溫度不斷升高而加大，同時(shí)，電阻也隨之增大，加大的電阻會(huì)增加銅耗，溫度不斷升高，電阻也跟著溫度持續(xù)加大，潛油泵電機(jī)在惡性循環(huán)的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，潛油泵電機(jī)中的繞組以及動(dòng)力電纜非常容易發(fā)生擊穿的現(xiàn)象。

②潛油泵在欠載條件下運(yùn)行，其有功的功率與功率的因數(shù)會(huì)出現(xiàn)下降的情況。某油田某礦區(qū)7-9井，使用的潛油泵排量為，在實(shí)際的工作中，其最小的排量是，潛油泵電機(jī)功率的因數(shù)從0.83降到0.65左右，潛油泵電機(jī)有功的功率降低了21.7%左右，無(wú)功的功率升高了36.2%左右。這組潛油泵在井下實(shí)際工作了535天以后燒毀，通過(guò)排查在潛油泵出口位置的電纜存在8mm擊穿兩處。

③潛油泵在欠載條件下運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致加速泵出現(xiàn)損壞。潛油泵在欠載條件下運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不平衡的情況出現(xiàn)，油泵葉輪在旋轉(zhuǎn)推力的作用下會(huì)向前移動(dòng)，葉輪會(huì)和導(dǎo)殼發(fā)生摩擦，在7-9油井中的潛油泵葉輪，在工作535天后，葉輪被磨成了片狀。潛油泵由于磨損過(guò)于嚴(yán)重，已經(jīng)無(wú)法完成正常抽油的工作，排量也隨之減小，如果在這種狀態(tài)下繼續(xù)工作，潛油泵會(huì)繼續(xù)磨損，最后造成電機(jī)繞組的燒毀。

④潛油泵在欠載條件下運(yùn)行，不能進(jìn)行全壓形式的頻繁性啟動(dòng)。潛油泵電機(jī)地面控制系統(tǒng)具有電機(jī)欠載自動(dòng)停機(jī)以及自啟的能力。當(dāng)潛油泵欠載達(dá)到15%以上的時(shí)候，潛油泵電機(jī)將會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，當(dāng)井底油液的液面達(dá)到要求時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)潛油泵電機(jī)?？墒菨撚捅秒姍C(jī)不能頻繁進(jìn)行啟動(dòng)，這主要是由于全壓形式的啟動(dòng)，潛油泵電機(jī)實(shí)際需要的電流達(dá)到額定的電流5～8倍左右，其電流能夠達(dá)到250A左右，這一大電流的沖擊會(huì)嚴(yán)重影響潛油泵電機(jī)使用壽命，甚至?xí)斐蓾撚捅玫谋幂S發(fā)生斷裂。所以說(shuō)，潛油泵在欠載條件下運(yùn)行，要采用定時(shí)啟機(jī)、降壓?jiǎn)C(jī)。

（2）潛油泵在過(guò)載條件下運(yùn)行。潛油泵在過(guò)載條件下運(yùn)行主要有兩種情況。

一是潛油泵實(shí)際的排量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比額定的排量要大，潛油泵實(shí)際的電流也比額定的電流要大。

二是潛油泵機(jī)械方面存在問(wèn)題。當(dāng)潛油泵實(shí)際的排量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比額定的排量要大時(shí)，油泵葉輪在旋轉(zhuǎn)推力的作用下會(huì)向前移動(dòng)，葉輪會(huì)和導(dǎo)殼發(fā)生摩擦，當(dāng)葉輪出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損后，潛油泵會(huì)失去吸油的能力，使其潛油泵的排量出現(xiàn)下降，最終導(dǎo)致潛油泵在欠載的條件下運(yùn)行。當(dāng)潛油泵的排量很大，同時(shí)超出高效區(qū)進(jìn)行工作的時(shí)候，潛油泵的效率將會(huì)下降，其無(wú)功的功率會(huì)隨之增加。

潛油泵在過(guò)載情況下工作，電機(jī)定子線圈電流會(huì)加大，銅損會(huì)加大，同時(shí)潛油泵電機(jī)的溫度也會(huì)隨之升高，潛油泵電機(jī)長(zhǎng)期在這種條件下工作，電纜以及電機(jī)線圈會(huì)加速老化，甚至造成電機(jī)損壞。

（3）工頻潛油泵參數(shù)的設(shè)定。油田井下潛油電泵的電氣系統(tǒng)是由專用的動(dòng)力型電纜將電力傳送到潛油泵電機(jī)的，潛油泵電機(jī)在電力的作用下旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)與其連接的多級(jí)泵，油液在離心泵的作用下被抽出地面，隨后由相應(yīng)的輸送裝置，輸送到處理裝置內(nèi)進(jìn)行加工。工頻潛油泵電機(jī)使用的400V電源，是通過(guò)變壓器升壓后提供給電機(jī)的，當(dāng)井下潛油泵電氣系統(tǒng)接到啟動(dòng)信號(hào)后，控制接觸器電磁線圈通電觸電吸合，此時(shí)潛油泵電機(jī)進(jìn)行全壓形式的啟動(dòng)。

潛油泵電機(jī)供電的路徑為：配電柜→動(dòng)力型變壓器→潛油泵電機(jī)控制柜→潛油泵電纜→潛油泵電機(jī)。工頻潛油泵參數(shù)確定的依據(jù)是，通過(guò)油井實(shí)際的溫度、潛油泵電機(jī)負(fù)載的電流以及電機(jī)降壓的需求進(jìn)行潛油泵電機(jī)動(dòng)力電纜規(guī)格的確定，然后再對(duì)變壓器的輸出電壓進(jìn)行確定。例如：當(dāng)潛油泵電機(jī)的額定使用功率是43.87kW時(shí)，額定使用的電壓為945V，額定使用的電流為39A，動(dòng)力電纜使用的規(guī)格為AWG4＃，潛油電泵最大深度為1200m，油井溫度最高66度。經(jīng)過(guò)對(duì)電纜使用手冊(cè)的查詢得知，電纜在標(biāo)準(zhǔn)的溫度下，其電壓降為每305m電壓下降17V，1200m潛油泵電機(jī)動(dòng)力電纜的電壓降是。通過(guò)資料查詢得到，66度電阻系數(shù)是1.176，由此確定出變壓器為潛油泵電機(jī)輸送的電壓為50Hz的工頻1023.6V電源。

2 潛油泵常見(jiàn)故障的原因分析

（1）電氣方面經(jīng)常出現(xiàn)的故障。動(dòng)力性電纜發(fā)生擊穿故障、潛油泵電機(jī)發(fā)生損壞。

（2）機(jī)械方面經(jīng)常出現(xiàn)的故障。潛油泵與電機(jī)連接固定的螺栓發(fā)生斷裂，導(dǎo)致電機(jī)與潛油泵體脫離，油泵出現(xiàn)卡死現(xiàn)象無(wú)法正常工作。

通過(guò)對(duì)歷年潛油電泵故障的統(tǒng)計(jì)與調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生電纜擊穿以及電機(jī)出現(xiàn)損害的故障是總故障的80%左右，不論是設(shè)備質(zhì)量的問(wèn)題、電源問(wèn)題以及施工出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，其導(dǎo)致的故障會(huì)通過(guò)電氣的故障顯現(xiàn)。由于井下出砂的問(wèn)題和其他問(wèn)題，導(dǎo)致潛油泵電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)阻力加大，從而影響電機(jī)無(wú)法順利的啟動(dòng)，使啟動(dòng)的時(shí)間加長(zhǎng)，這種情況會(huì)加快設(shè)備絕緣材料的老化，降低設(shè)備的壽命。因此，當(dāng)潛油泵電機(jī)出現(xiàn)啟動(dòng)非常困難時(shí)，必須對(duì)其參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)定。

3 潛油泵電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的分析

3.1 電機(jī)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩

電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間非常短，當(dāng)電機(jī)在進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，提供給電機(jī)的供電電壓必須確保電機(jī)轉(zhuǎn)矩高于機(jī)械拖動(dòng)阻力，也就是啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，必須大于機(jī)械阻力，同時(shí)要多出一定的轉(zhuǎn)矩余量，從而保證電機(jī)能夠啟動(dòng)順利。轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如下：

式中，Ms表示的是啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，N.m；U1表示的是定子電壓，V；m1為表示的是相數(shù)；r1表示的是定子線圈電阻，Ω；r2表示的是折算后定子線圈電阻，Ω；表示的是電機(jī)同步的角速度，1/s；為表示的是短路的阻抗，Ω。通過(guò)上述的公式能夠知道，電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的電壓以及其電機(jī)特性存在直接的關(guān)系，當(dāng)電機(jī)電源沒(méi)有變化時(shí)，電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩不變，并且它和電機(jī)電壓的平方存在正比關(guān)系。

3.2 電機(jī)啟動(dòng)的電流

在電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)所需的電流是出現(xiàn)變化參數(shù)的量。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，其轉(zhuǎn)速達(dá)到額定的轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)電流將會(huì)下降。電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)使用的時(shí)間與電機(jī)負(fù)載存在直接關(guān)系，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)的負(fù)載加大時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)需要的時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)，此時(shí)電機(jī)繞組以及電纜將會(huì)發(fā)熱，電機(jī)以及電纜絕緣能力會(huì)下降，電泵電機(jī)使用壽命會(huì)降低，甚至損壞。

3.3 電機(jī)電壓

在不考慮電機(jī)在實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程中電壓下降的因素下時(shí)，因?yàn)闈撚捅秒娎|過(guò)長(zhǎng)，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電纜會(huì)產(chǎn)生一定的電壓降，電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)所需電流是額定電流的5倍，此時(shí)電纜承受的電壓是額定電壓的5倍以上，這時(shí)啟動(dòng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩：[(1023.6-5×78.6)÷945]2≈0.445倍。當(dāng)潛油泵在輕負(fù)荷狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)，壓降不會(huì)對(duì)潛油泵電機(jī)的啟動(dòng)產(chǎn)生影響，但是，當(dāng)油井含沙量大發(fā)生卡泵時(shí)，潛油泵電機(jī)所需啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩就要大，這時(shí)壓降會(huì)降低電機(jī)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。

4 變頻潛油泵

變頻進(jìn)行電機(jī)調(diào)速是最為科學(xué)的調(diào)速方式。當(dāng)前變頻技術(shù)已經(jīng)非常成熟，變頻技術(shù)已經(jīng)在油田油井上大量應(yīng)用。變頻潛油泵電壓是由工頻做基礎(chǔ)，它是根據(jù)井下實(shí)際的狀態(tài)，利用改變提供潛油泵電機(jī)頻率的方法實(shí)現(xiàn)控制潛油泵輸出量的目的，使控制更為便利。

電機(jī)在變頻條件下運(yùn)行，其定子線圈電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算如下：

根據(jù)公式可知，為了防止出現(xiàn)磁飽和導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱的情況發(fā)生，在降低變頻器輸出頻率的同時(shí)也要進(jìn)行電壓的降低，從而達(dá)到磁通量不變。因?yàn)殡姍C(jī)的定子線圈存在一定的阻值，電機(jī)在工作的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生30V左右壓降，當(dāng)電壓頻率高的時(shí)候，對(duì)轉(zhuǎn)矩影響較輕，但是在頻率較低時(shí)就會(huì)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)矩的輸出。當(dāng)前變頻器均已設(shè)計(jì)補(bǔ)償輸出功能，當(dāng)頻率較低時(shí)，變頻器將會(huì)提升輸出的電壓，從而使電機(jī)輸出的扭矩達(dá)到最佳狀態(tài)。在變頻器實(shí)際的使用中，我們可依據(jù)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對(duì)變頻器的頻率及電壓進(jìn)行設(shè)置，從而達(dá)到補(bǔ)償啟動(dòng)時(shí)的電壓，加大啟動(dòng)磁通量。在實(shí)際工作中，不同頻率使用的補(bǔ)償會(huì)有所不同，提升電壓可以加強(qiáng)低頻時(shí)電機(jī)的功率。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本文的研究分析得出，潛油泵電機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候，其供電電壓是決定電機(jī)成功啟動(dòng)的主要條件，潛油泵電機(jī)供電電壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)的力矩太低，使電機(jī)啟動(dòng)失敗，因此，必須對(duì)電機(jī)供電電纜產(chǎn)生的壓降進(jìn)行計(jì)算確定，同時(shí)還要考慮到電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)供電電壓產(chǎn)生壓降的問(wèn)題。在潛油泵變頻啟動(dòng)時(shí)，要注重低頻時(shí)的啟動(dòng)情況，定子線圈產(chǎn)生的壓降會(huì)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，因此，根據(jù)實(shí)際情況合理進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)升壓的設(shè)置，能夠使電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)電源產(chǎn)生極小的影響，能夠使電機(jī)得到最佳的啟動(dòng)能力。