電動(dòng)潛油螺桿泵技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能應(yīng)用

吳 頻，李 帥，宋 磊

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

油田經(jīng)過多年的開采，開采難度越來越大，部分油田地況復(fù)雜，原油物性不佳，尤其是對(duì)于高黏、高凝且含蠟含砂較多地層開采難度更大，產(chǎn)油效率極低，且開采成本逐年攀升，在油田采油作業(yè)中通常采用人工舉升工藝進(jìn)行開采，在稠油開采過程中，為了解決原油在井筒內(nèi)流動(dòng)性差、易堵塞井筒等生產(chǎn)難題，通常在作業(yè)中采取加裝伴熱系統(tǒng)以增強(qiáng)井筒內(nèi)原油的流動(dòng)性，雖然在一定程度上緩解了稠油開采難度大等問題，但是生產(chǎn)運(yùn)行成本大幅增長(zhǎng)，耗電量及維修費(fèi)用激增，且在生產(chǎn)中極易出現(xiàn)井筒結(jié)垢、腐蝕嚴(yán)重等問題，在采油過程中應(yīng)用電動(dòng)潛油螺桿泵可以有效實(shí)現(xiàn)稠油冷采問題，同時(shí)具有顯著提高生產(chǎn)效率、節(jié)約耗電量等節(jié)能效果，對(duì)電動(dòng)潛油螺桿泵的工作原理及性能結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，并結(jié)合在二井子鎮(zhèn)及李家屯等油田實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析，與原來采油技術(shù)相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用電動(dòng)潛油螺桿泵具備良好的節(jié)能效果，值得在石油開采尤其是地質(zhì)復(fù)雜、原油物性差等作業(yè)環(huán)境中廣泛應(yīng)用。

1 電動(dòng)潛油螺桿泵概述

1.1 工作原理

電動(dòng)潛油泵潛水電纜的主要作用是向電動(dòng)潛油螺桿泵電機(jī)傳輸電流，再由電機(jī)對(duì)電動(dòng)潛油螺桿泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)潛油螺桿泵通過對(duì)油井內(nèi)液體進(jìn)行加壓，使井內(nèi)液體不斷向上升至地面。電動(dòng)潛油螺桿泵主要由電機(jī)控制柜、水下電機(jī)、常規(guī)螺桿泵裝置以及動(dòng)力輸入系統(tǒng)等構(gòu)成。

1.2 定子及轉(zhuǎn)子

在電動(dòng)潛油螺桿泵工作時(shí)，在人工舉升作業(yè)中定子主要由標(biāo)準(zhǔn)丁腈橡膠、軟腈橡膠、高丙烯腈橡膠、氫化丁腈橡膠以及碳氟橡膠5 種橡膠類型。其中標(biāo)準(zhǔn)丁腈橡膠在富含中油以及稠油的油井中應(yīng)用較廣，氫化丁腈橡膠則廣泛應(yīng)用于富含高溫和砂的油井，而輕油和芳烴含量較高的油井一般用碳氟橡膠。

定子和轉(zhuǎn)子之間應(yīng)當(dāng)留有最佳間隙以保證設(shè)備正常運(yùn)行，影響間隙的因素主要有：電動(dòng)潛油螺桿泵入口處介質(zhì)溫度、定子橡膠的類型、電動(dòng)潛油螺桿泵體形狀、油井內(nèi)介質(zhì)構(gòu)成以及橡膠與介質(zhì)的相容性等。通過不斷優(yōu)化間隙可以有效提高電動(dòng)潛油螺桿泵的生產(chǎn)效率及使用周期。一方面，由于橡膠基于油井內(nèi)溫度的變化以及井內(nèi)石油及芳烴的含量發(fā)生熱膨脹或是化學(xué)膨脹，此時(shí)通過正確應(yīng)用轉(zhuǎn)子可以達(dá)到提高生產(chǎn)效率以及延長(zhǎng)電動(dòng)潛油螺桿泵使用壽命的目的。另一方面，如果間隙過小，石油中的芳烴導(dǎo)致橡膠膨脹時(shí)，會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子和定子之間的間隙過小而使電動(dòng)潛油螺桿泵無法工作，在對(duì)稠油介質(zhì)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)應(yīng)用較小的干擾量以減少內(nèi)部泄漏量。另外，由于砂井對(duì)電動(dòng)潛油螺桿泵的磨損較大，較為緊密的過盈度可以有效降低對(duì)泵的損耗。

1.3 控制系統(tǒng)及同步電機(jī)

電動(dòng)潛油螺桿泵的控制系統(tǒng)主要對(duì)電機(jī)的啟、停控制，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作人員通過數(shù)字化遠(yuǎn)程智能系統(tǒng)進(jìn)行有效控制。

電動(dòng)潛油螺桿泵中的永磁同步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子以及端蓋等主要部件構(gòu)成，其最主要的特征就是永磁同步電機(jī)中定子結(jié)構(gòu)與常規(guī)感應(yīng)電機(jī)較為一致，而轉(zhuǎn)子并不相同，主要就是在轉(zhuǎn)子上安裝有磁極，通過磁極來產(chǎn)生磁場(chǎng)。永磁同步電機(jī)的主要特點(diǎn)就是在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其扭矩較大，同時(shí)沒有轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)子損耗，并且生產(chǎn)效率較高。

1.4 保護(hù)器及聯(lián)軸器

高推力保護(hù)器在承受軸向力方面具有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過囊及沉積物對(duì)油井內(nèi)各種復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行良好適應(yīng)，其工作環(huán)境主要適應(yīng)低速及高扭矩傳動(dòng)工作。聯(lián)軸器中耐磨、耐腐蝕材料及徑向軸承設(shè)計(jì)可以有效提高驅(qū)動(dòng)端的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)確性；另外，通過高推力的設(shè)計(jì)可以保證在較大軸力作用下，聯(lián)軸器仍能保證良好的抗壓性及可靠性。大擺角的設(shè)計(jì)也可以應(yīng)用于多種類型的工作泵。

1.5 油井內(nèi)溫度及壓力檢測(cè)裝置

該檢測(cè)裝置由數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)構(gòu)成，電動(dòng)潛油螺桿泵與該裝置構(gòu)成一套完整的單井采油裝置，該裝置可以對(duì)電動(dòng)潛油螺桿泵的溫度、壓力等工作參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，同時(shí)可以提供多參數(shù)顯示系統(tǒng)以滿足用戶對(duì)潛油螺桿泵參數(shù)的監(jiān)控。通過水下螺桿泵監(jiān)控設(shè)備收集數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析，操作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控油井的運(yùn)行狀態(tài)以保證工作效率及安全，操作人員依據(jù)參數(shù)的具體變化來調(diào)整操作，可以有效提高單位時(shí)間內(nèi)油井的產(chǎn)量并顯著降低采油成本。

2 電動(dòng)潛油螺桿泵相較于傳統(tǒng)人工起重設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

（1）在采油作業(yè)中實(shí)現(xiàn)無桿采油，有效減少設(shè)備損耗，主要是減少桿柱與桿管的機(jī)械磨損，同時(shí)采用無桿設(shè)計(jì)，減少抽油機(jī)地上設(shè)施和抽油桿的應(yīng)用，極大的節(jié)約采油成本，另外該設(shè)備相較于傳統(tǒng)人工起重設(shè)備具有占地面積小、井口泄漏量小、噪聲量小、安全可靠且維修費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)。

（2）電動(dòng)潛油螺桿泵在生產(chǎn)實(shí)踐中可以廣泛應(yīng)用于斜井、稠油井、含砂、含氣井等復(fù)雜工況油井的開采，其應(yīng)用范圍更廣。

（3）整機(jī)效率較傳統(tǒng)人工起重設(shè)備顯著提高，節(jié)能效果十分明顯。

（4）整機(jī)使用壽命大幅延長(zhǎng)，保護(hù)功能相較于傳統(tǒng)人工起重設(shè)備大幅提高，由于不需要減速設(shè)備，大大減少減速設(shè)備常見故障點(diǎn)，同時(shí)具有強(qiáng)大的電路超載、超壓防護(hù)功能，也能良好解決潛油電纜經(jīng)常出現(xiàn)的反射波和漏電現(xiàn)象，永磁同步電機(jī)采取防退磁設(shè)計(jì)可以有效避免電動(dòng)潛油螺桿泵反轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。

（5）實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的智能遠(yuǎn)程控制，通過油井相關(guān)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)的及時(shí)反饋和實(shí)時(shí)采集，操作人員根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果及操作規(guī)程遠(yuǎn)程控制液位、產(chǎn)液量等參數(shù)，對(duì)油井的相關(guān)參數(shù)及工況合理判斷，提高生產(chǎn)效率，降低采油成本。

3 電動(dòng)潛油螺桿泵相關(guān)參數(shù)選擇

正確選擇電動(dòng)潛油螺桿泵的揚(yáng)程及排量等相關(guān)參數(shù)，可以有效提高生產(chǎn)效率和降低設(shè)備投資成本。在選擇電動(dòng)潛油螺桿泵的排量時(shí)，要注意設(shè)計(jì)排量應(yīng)當(dāng)小于1.5 倍的理論排量，泵入口氣體流量與三相流體流量的比值＜50%，如果該比值＞50%就需要使用HR 轉(zhuǎn)子或安裝氣錨等設(shè)備以提高氣體的分離效果，或采取降低排量調(diào)整泵的位置等具體措施。同時(shí)泵的最大揚(yáng)程的70%要大于泵的總壓頭，且在加裝壓力傳感器時(shí)要注意其井沉沒度≥100 m，而沒有加裝壓力傳感器的井沉沒度≥300 m，如果井沉沒度太低則需采取加深泵掛及減小排量等相關(guān)措施。

4 電動(dòng)潛油螺桿泵現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)效果

4.1 二井子鎮(zhèn)油田

二11-15 為二井子鎮(zhèn)油田1 號(hào)抽油機(jī)井，地層每日產(chǎn)液量約4.7 m3，日均產(chǎn)油量為1.7 t。該井原油主要為稠油，80 ℃時(shí)原油的黏度為2678 mPa·s，20 ℃時(shí)原油的相對(duì)密度為0.974 5，凝固點(diǎn)為25.4 ℃，蠟含量為3.4%，且地層出砂率較高。傳統(tǒng)抽油機(jī)井作業(yè)時(shí)主要利用套管進(jìn)行伴熱，水流量為11 m3/d，采用電加熱器為伴熱進(jìn)行加溫，日耗電量約900 kW·h。由于抽油機(jī)井為稠油導(dǎo)致生產(chǎn)參數(shù)及負(fù)荷變化頻繁，且耗電量較大。2020 年1 月10 日開始連續(xù)7 d 在該井應(yīng)用電動(dòng)潛油螺桿泵進(jìn)行生產(chǎn)，日均產(chǎn)油量大幅提升至2.3 t。

4.2 李家屯油田

家31-23-1 井為李家屯油田1 號(hào)電泵井，地層每日產(chǎn)液量約10.4 m3，日均產(chǎn)油量為7.7 t。每日地下?lián)剿s25 m3。該井原油物性不佳，80 ℃時(shí)原油的黏度為2478 mPa·s，20 ℃時(shí)原油的相對(duì)密度為0.934 5，凝固點(diǎn)為29 ℃，蠟含量為7.4%。由于地層供液性差及原油物性不佳，導(dǎo)致電泵散熱效果不好，頻繁產(chǎn)生跳泵現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。2020 年6 月10 日開始應(yīng)用電動(dòng)潛油螺桿泵進(jìn)行生產(chǎn)，日產(chǎn)油量較為穩(wěn)定，保持在7.5 t/d。

4.3 電動(dòng)潛油螺桿泵節(jié)能效果評(píng)估

二11-15 采取電動(dòng)潛油螺桿泵后，開井后不再向地下?lián)剿o助采油，油井正產(chǎn)運(yùn)行日均產(chǎn)油量提升至2.3 t，日耗電量大幅下降至60 kW·h，而通過抽油機(jī)井套摻水生產(chǎn)時(shí)日耗電量高達(dá)1300 kW·h，日均耗電量大幅下降至1240 kW·h，節(jié)電率高達(dá)94.6%，年減少耗電量45.26×104kW·h，折合節(jié)約人民幣36.18 萬元，投資費(fèi)用約為50 萬元，投入產(chǎn)出比為1∶0.73。

家31-23-1 井在應(yīng)用電動(dòng)潛油螺桿泵后，日均耗電量為245 kW·h，實(shí)現(xiàn)日節(jié)約耗電量1032 kW·h，節(jié)電率高達(dá)80.5%。其中電泵年耗電量約為45.6×104kW·h，而應(yīng)用電動(dòng)潛油螺桿泵作業(yè)年耗電量?jī)H為9.31×104kW·h，年節(jié)約耗電量為36.29×104kW·h，折合人民幣為29.87 萬元，其投資費(fèi)用約50 萬元，電泵檢修費(fèi)用每年約34 萬元，年綜合創(chuàng)收62.5 萬元，投入產(chǎn)出比為1∶1.25。

目前來看，在采油過程中應(yīng)用電動(dòng)潛油螺桿泵共計(jì)12 口，應(yīng)用后日均產(chǎn)油量大幅增加且耗電量大幅減少，日均產(chǎn)油量增加約為22.4 t，日均節(jié)電約16 345 kW·h，節(jié)電率為88.7%，年節(jié)約資金約為288 余萬元。

5 結(jié)束語

（1）電動(dòng)潛油螺桿泵的廣泛應(yīng)用可以有效實(shí)現(xiàn)在較復(fù)雜工況下的稠油冷開采，尤其是在那些含水量較低、出砂量較高、高黏度高濃稠的稠油井中，應(yīng)用過程中可以發(fā)現(xiàn)顯著降低能耗，并且對(duì)于復(fù)雜工況的適應(yīng)性較好。

（2）由于電動(dòng)潛油螺桿泵工作時(shí)不需要桿，因此可以有效減少桿與井筒之間的磨損，從而減少能耗，增加設(shè)備使用壽命，尤其適用于全角變化率較大的油井。

（3）基于電動(dòng)潛油螺桿泵中的智能控制系統(tǒng)，操作人員可以更好的控制液位的穩(wěn)定性，有效杜絕泵在油井液位歸零情況下的“干抽”現(xiàn)象，增加設(shè)備的使用壽命。

（4）雖然電動(dòng)潛油螺桿泵的應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)效率及設(shè)備使用周期，但是也存在一定問題，例如泵的揚(yáng)程及排量選取需要進(jìn)一步優(yōu)化，合理選擇電機(jī)舉升能力影響下泵的液量和深度。

（5）目前電動(dòng)潛油螺桿泵的生產(chǎn)成本較高，應(yīng)當(dāng)對(duì)電力電纜和電力控制柜等方面進(jìn)行工藝改進(jìn)，只有成本降低才能更廣泛地應(yīng)用于稠油開采。