(1.長(zhǎng)慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710021)

長(zhǎng)慶油田位于鄂爾多斯盆地，是世界上典型的“三低”油田，以大井組定向井開(kāi)發(fā)為主(占90%以上)，多數(shù)井采用抽油機(jī)有桿泵舉升技術(shù)，單井產(chǎn)液量低，存在桿管偏磨、系統(tǒng)效率低等問(wèn)題，成為油田提效降耗的瓶頸之一。近年來(lái)，長(zhǎng)慶油田偏磨作業(yè)井?dāng)?shù)及頻次逐年增多，桿管偏磨突出。產(chǎn)液量越低，舉升液體的有效能耗越少，系統(tǒng)效率也越低，日產(chǎn)液低于2 m3油井占總井?dāng)?shù)34%，系統(tǒng)效率不到14%，提效難度較大。

為了解決上述問(wèn)題，開(kāi)展了小排量潛油直驅(qū)螺桿泵采油技術(shù)研究與探索試驗(yàn)。解決了有桿泵的桿管偏磨問(wèn)題。由于沒(méi)有抽油桿、減速器等傳動(dòng)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)效率大幅提升。整個(gè)系統(tǒng)安全可靠、運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-5]。

1 潛油直驅(qū)螺桿泵采油工藝

潛油直驅(qū)螺桿泵采油工作原理就是利用動(dòng)力電纜將電力傳送給井下潛油電機(jī)，電機(jī)通過(guò)柔性聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)螺桿泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，井液經(jīng)過(guò)螺桿泵增壓后，被舉升到地面。系統(tǒng)組成如圖1所示，包括地面數(shù)控系統(tǒng)、電纜專(zhuān)用井口、動(dòng)力電纜、螺桿泵、聯(lián)軸器、保護(hù)器和永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)置于設(shè)備的低端，通過(guò)保護(hù)器與聯(lián)軸器連接至螺桿泵轉(zhuǎn)子，電機(jī)帶動(dòng)螺桿泵轉(zhuǎn)子將原油從泵的輸入端推進(jìn)到輸出端并舉升至地面。由地面控制系統(tǒng)對(duì)工作參數(shù)( 沖程、沖次) 進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)電機(jī)溫度、電流、電壓和功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的保護(hù)。

1—防脫錨；2—電機(jī)；3—電機(jī)沉降式保護(hù)器；4—電機(jī)膠囊保護(hù)器；5—柔性聯(lián)軸器；6—進(jìn)液口；7—螺桿泵；8—扶正器；9—單向閥；10—油管柱；11—套管；12—電纜；13—防氣井口；14—接線(xiàn)盒；15—電纜；16—電控柜；17—變壓器。圖1 潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)組成

2 采油系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

揚(yáng)程

<2 000 m

液量

1.5～5.0 m3/d

沉沒(méi)度

>50 m

電壓

380、660 V

井溫

<120 ℃

3 配套工具與設(shè)備

3.1 永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)作為井下的動(dòng)力源，采用的是一種新型級(jí)聯(lián)電機(jī)，具有低轉(zhuǎn)速輸出大轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速范圍廣、平滑，去掉了電機(jī)與泵之間的大直徑減速器。考慮到電機(jī)在井下的通過(guò)性，進(jìn)一步對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子外徑、定子槽數(shù)、永磁體寬度、熱負(fù)荷和電流密度等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。永磁體選用耐溫200 ℃的38EH高性能釹鐵硼永磁體來(lái)提升材料性能。將電機(jī)外徑由原來(lái)的?114 mm減小至?100 mm，對(duì)于有輕微套變、較大狗腿度的油井，也有很好的適應(yīng)性。同時(shí)，油套環(huán)空變大，還可增設(shè)溫度、壓力等井下測(cè)試設(shè)備。電機(jī)轉(zhuǎn)速為100～500 r/min，工作轉(zhuǎn)矩為500～700 N·m，電機(jī)外徑100 mm，定子外徑90 mm，轉(zhuǎn)子外徑53 mm，永磁體采用38EH，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1100 N·m，耐溫120 ℃，承壓25 MPa。

3.2 螺桿泵

螺桿泵由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子是內(nèi)部模壓高彈性合成橡膠的鋼管，轉(zhuǎn)子是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬螺桿。定轉(zhuǎn)子之間形成一個(gè)封閉腔，當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋腔體會(huì)從一端移向另一端，吸入口的液體會(huì)隨著腔體的螺旋移動(dòng)向泵出口端排出，經(jīng)油管輸送至地面。展開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)前，需要對(duì)井液進(jìn)行分析化驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)定轉(zhuǎn)子初始過(guò)盈量，優(yōu)選橡膠材料，確保較高的泵效和舉升能力。

3.3 電機(jī)保護(hù)器

電機(jī)保護(hù)器是潛油直驅(qū)螺桿泵采油機(jī)組中的重要組成部分之一，所起的作用是平衡電動(dòng)機(jī)內(nèi)外壓力，防止井液進(jìn)入電動(dòng)機(jī)，為軸承、電機(jī)等組件提供潤(rùn)滑油。設(shè)計(jì)了“膠囊+沉淀”新型結(jié)構(gòu)，如圖2，此結(jié)構(gòu)不受井斜限制，可在水平井中使用，增加了機(jī)組的適應(yīng)性。設(shè)置在下沉降室上方的止推軸承裝置用來(lái)承受泵及保護(hù)器的軸向力[6]。

1—膠囊式保護(hù)器；2—沉淀式保護(hù)器；3—軸承倉(cāng)。圖2 “膠囊+沉淀”復(fù)合式保護(hù)器結(jié)構(gòu)

3.4 柔性聯(lián)軸器

柔性聯(lián)軸器上端接螺桿泵轉(zhuǎn)子，下端接保護(hù)器，作用是將電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞給螺桿泵[7]，還將電機(jī)輸出軸的同心運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成螺桿泵動(dòng)子所需要的偏心運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還承受螺桿泵轉(zhuǎn)子反作用過(guò)來(lái)的軸向壓力。井液通過(guò)聯(lián)軸器上的孔眼流入到泵的輸入端。

3.5 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)的主要功能是運(yùn)行控制、工況分析、過(guò)程控制、系統(tǒng)保護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸[8]。控制系統(tǒng)流程如圖3。電機(jī)控制采用無(wú)編碼器全閉環(huán)矢量控制模式，實(shí)現(xiàn)速度、位置以及定子電流的三閉環(huán)伺服控制。在實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械編碼器的基礎(chǔ)上，電機(jī)控制采用基于32位DSP的直接轉(zhuǎn)矩(DTC)控制理論，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)速度、位置以及定子電流的三閉環(huán)控制，即伺服控制，控制器實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載變化輸出相應(yīng)的電壓和電流，精確控制電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩，柔性平滑驅(qū)動(dòng)電機(jī)，大幅降低系統(tǒng)損耗，具有功率因數(shù)高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、系統(tǒng)效率高等特點(diǎn)。還可對(duì)電機(jī)欠載、過(guò)載、過(guò)電壓、欠電壓、短路、電機(jī)接地、過(guò)熱、三相電壓及電流不平衡等有效保護(hù)。定向井潛油電機(jī)熱傳導(dǎo)測(cè)算模型，能夠推算井下電機(jī)溫度、及時(shí)優(yōu)化電控參數(shù)，保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行。

圖3 控制原理

4 室內(nèi)試驗(yàn)

潛油直驅(qū)螺桿泵整套系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量、性能及穩(wěn)定性室內(nèi)測(cè)試與下井試驗(yàn)評(píng)價(jià)，對(duì)7.5 kW電機(jī)絕緣電阻、繞組直流電阻不平衡率、負(fù)載、堵轉(zhuǎn)和最大轉(zhuǎn)矩測(cè)試等特性開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T16750—2008《潛油電泵機(jī)組》規(guī)定要求。

4.1 電機(jī)絕緣電阻測(cè)試

電機(jī)置于空氣中，測(cè)試分別使用量程500、1 000 V兆歐表。測(cè)試結(jié)果顯示，電機(jī)絕緣電阻為1 133 MΩ，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中大于1 000 MΩ的要求。

4.2 三相電阻不平衡率測(cè)試

為了檢查電機(jī)加工工藝有無(wú)缺陷，需要對(duì)電機(jī)的三相干直流電阻進(jìn)行測(cè)試，并計(jì)算三相繞組直流不平衡率。使用直流電阻測(cè)量表對(duì)三相電阻進(jìn)行測(cè)試，按星接法計(jì)算三相直流不平衡率，結(jié)果為0.42%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中要求的<2%的要求。

4.3 空載測(cè)試

在額定電壓1.3倍時(shí)，測(cè)試電流、電壓及功率。根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算電機(jī)三相電流不平衡率。三相電流不平衡率分別為1.99%、0.20%、2.32%，達(dá)到要求(<10%)。

4.4 溫升測(cè)試

電機(jī)在負(fù)載情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)2 h，待溫升達(dá)到穩(wěn)定后停機(jī)，在第一時(shí)間測(cè)量繞組熱態(tài)直流電阻，并以相同的時(shí)間間隔測(cè)試電阻值。測(cè)試結(jié)束后計(jì)算定子繞阻平均溫升值。計(jì)算結(jié)果為42.5 ℃，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的<120 ℃的要求。

4.5 轉(zhuǎn)矩測(cè)試

為了測(cè)試電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速情況下能夠提供的最大轉(zhuǎn)矩，利用變頻器供電[9]，通過(guò)逐步加負(fù)載的方法測(cè)試轉(zhuǎn)速的變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，即為其最大轉(zhuǎn)矩值。測(cè)試結(jié)果，最大轉(zhuǎn)矩為517 N·m。

4.6 下井試驗(yàn)

試驗(yàn)系統(tǒng)包括ZQLB40-40型螺桿泵和7.5 kW電機(jī)，模擬井井深54 m，套管139.7 mm(5英寸)，介質(zhì)為水，加熱設(shè)備為電磁加熱器，采用磁電流量計(jì)、40 MPa防震壓力表、水銀溫度計(jì)、自吸泵。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為100～500 r/min，井口憋壓10 MPa，分析其轉(zhuǎn)速、流量、壓力、電流和輸入功率等參數(shù)間的關(guān)系。在轉(zhuǎn)速恒定條件下，井口壓力越大，轉(zhuǎn)矩越大、電機(jī)效率越高。當(dāng)井口壓力≥10 MPa時(shí)，轉(zhuǎn)矩≥60 N·m，電機(jī)效率≥50%(如圖4)。同等條件下，轉(zhuǎn)速越大，電機(jī)效率越高(如圖5)。

圖4 150 r/min轉(zhuǎn)速下潛油直驅(qū)螺桿泵舉升系統(tǒng)測(cè)試曲線(xiàn)

圖5 300 r/min轉(zhuǎn)速下潛油直驅(qū)螺桿泵舉升系統(tǒng)測(cè)試曲線(xiàn)

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

經(jīng)過(guò)近5 a的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，潛油直驅(qū)螺桿泵在長(zhǎng)慶油田取得了好的應(yīng)用效果。截至2017-02底，共開(kāi)展15口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(如表1)，最長(zhǎng)無(wú)故障免修期達(dá)973 d，最大下深1 704 m，平均泵效提高35%，平均系統(tǒng)效率提高2.5%，平均節(jié)電率33.3%。

表1 潛油直驅(qū)螺桿泵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

6 結(jié)論

1) 潛油直驅(qū)螺桿泵采油技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)與完善，初步具備了規(guī)模試驗(yàn)的條件。逐步實(shí)現(xiàn)了在低液量(日產(chǎn)液2～5 m3)、小套管(?127 mm套管)井的應(yīng)用，有望解決有桿泵井管桿偏磨的治理難題，降低修井維護(hù)成本、生產(chǎn)耗電費(fèi)用和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，應(yīng)用前景廣闊。

2) 研制出?100 mm小直徑低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩潛油永磁同步電機(jī)，去掉了機(jī)械減速機(jī)構(gòu)，對(duì)于有輕微套變、較大狗腿度的油井，也有很好的適應(yīng)性，提升了電潛直驅(qū)螺桿泵技術(shù)在127 mm(5英寸)套管、大斜度等特殊井況中適應(yīng)性。

3) 設(shè)計(jì)應(yīng)用“膠囊+沉淀”復(fù)合式電機(jī)保護(hù)器，提升了在斜度較大井段的適應(yīng)性；借助GPRS終端平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)閉環(huán)監(jiān)控，提升了系統(tǒng)可靠性。

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