小排量潜油直驱螺杆泵采油技术研究与应用

(1.长庆油田分公司 油气工艺研究院，西安710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710021)

长庆油田位于鄂尔多斯盆地，是世界上典型的“三低”油田，以大井组定向井开发为主(占90%以上)，多数井采用抽油机有杆泵举升技术，单井产液量低，存在杆管偏磨、系统效率低等问题，成为油田提效降耗的瓶颈之一。近年来，长庆油田偏磨作业井数及频次逐年增多，杆管偏磨突出。产液量越低，举升液体的有效能耗越少，系统效率也越低，日产液低于2 m3油井占总井数34%，系统效率不到14%，提效难度较大。

为了解决上述问题，开展了小排量潜油直驱螺杆泵采油技术研究与探索试验。解决了有杆泵的杆管偏磨问题。由于没有抽油杆、减速器等传动环节，系统效率大幅提升。整个系统安全可靠、运行平稳、结构简单、操作方便，具有广泛的应用前景[1-5]。

1 潜油直驱螺杆泵采油工艺

潜油直驱螺杆泵采油工作原理就是利用动力电缆将电力传送给井下潜油电机，电机通过柔性联轴器直接驱动螺杆泵转子转动，井液经过螺杆泵增压后，被举升到地面。系统组成如图1所示，包括地面数控系统、电缆专用井口、动力电缆、螺杆泵、联轴器、保护器和永磁同步电机。永磁同步电机置于设备的低端，通过保护器与联轴器连接至螺杆泵转子，电机带动螺杆泵转子将原油从泵的输入端推进到输出端并举升至地面。由地面控制系统对工作参数( 冲程、冲次) 进行调节，对电机温度、电流、电压和功率进行监测，实现对电机的保护。

1—防脱锚；2—电机；3—电机沉降式保护器；4—电机胶囊保护器；5—柔性联轴器；6—进液口；7—螺杆泵；8—扶正器；9—单向阀；10—油管柱；11—套管；12—电缆；13—防气井口；14—接线盒；15—电缆；16—电控柜；17—变压器。图1 潜油直驱螺杆泵采油系统组成

2 采油系统主要技术参数

扬程

<2 000 m

液量

1.5～5.0 m3/d

沉没度

>50 m

电压

380、660 V

井温

<120 ℃

3 配套工具与设备

3.1 永磁同步电机

永磁同步电机作为井下的动力源，采用的是一种新型级联电机，具有低转速输出大转矩的动力优点，调速范围广、平滑，去掉了电机与泵之间的大直径减速器。考虑到电机在井下的通过性，进一步对电机定转子外径、定子槽数、永磁体宽度、热负荷和电流密度等进行优化设计。永磁体选用耐温200 ℃的38EH高性能钕铁硼永磁体来提升材料性能。将电机外径由原来的ø114 mm减小至ø100 mm，对于有轻微套变、较大狗腿度的油井，也有很好的适应性。同时，油套环空变大，还可增设温度、压力等井下测试设备。电机转速为100～500 r/min，工作转矩为500～700 N·m，电机外径100 mm，定子外径90 mm，转子外径53 mm，永磁体采用38EH，启动转矩为1100 N·m，耐温120 ℃，承压25 MPa。

3.2 螺杆泵

螺杆泵由定子和转子组成。定子是内部模压高弹性合成橡胶的钢管，转子是一个细长的金属螺杆。定转子之间形成一个封闭腔，当转子在定子内部转动时，螺旋腔体会从一端移向另一端，吸入口的液体会随着腔体的螺旋移动向泵出口端排出，经油管输送至地面。展开现场试验前，需要对井液进行分析化验，优化设计定转子初始过盈量，优选橡胶材料，确保较高的泵效和举升能力。

3.3 电机保护器

电机保护器是潜油直驱螺杆泵采油机组中的重要组成部分之一，所起的作用是平衡电动机内外压力，防止井液进入电动机，为轴承、电机等组件提供润滑油。设计了“胶囊+沉淀”新型结构，如图2，此结构不受井斜限制，可在水平井中使用，增加了机组的适应性。设置在下沉降室上方的止推轴承装置用来承受泵及保护器的轴向力[6]。

1—胶囊式保护器；2—沉淀式保护器；3—轴承仓。图2 “胶囊+沉淀”复合式保护器结构

3.4 柔性联轴器

柔性联轴器上端接螺杆泵转子，下端接保护器，作用是将电机输出的转矩传递给螺杆泵[7]，还将电机输出轴的同心运动转化成螺杆泵动子所需要的偏心运动，同时还承受螺杆泵转子反作用过来的轴向压力。井液通过联轴器上的孔眼流入到泵的输入端。

3.5 地面控制系统

地面控制系统的主要功能是运行控制、工况分析、过程控制、系统保护和数据传输[8]。控制系统流程如图3。电机控制采用无编码器全闭环矢量控制模式，实现速度、位置以及定子电流的三闭环伺服控制。在实现无机械编码器的基础上，电机控制采用基于32位DSP的直接转矩(DTC)控制理论，实现了对电机速度、位置以及定子电流的三闭环控制，即伺服控制，控制器实时跟踪负载变化输出相应的电压和电流，精确控制电机速度和转矩，柔性平滑驱动电机，大幅降低系统损耗，具有功率因数高、启动转矩大、系统效率高等特点。还可对电机欠载、过载、过电压、欠电压、短路、电机接地、过热、三相电压及电流不平衡等有效保护。定向井潜油电机热传导测算模型，能够推算井下电机温度、及时优化电控参数，保护系统运行。

图3 控制原理

4 室内试验

潜油直驱螺杆泵整套系统进行质量、性能及稳定性室内测试与下井试验评价，对7.5 kW电机绝缘电阻、绕组直流电阻不平衡率、负载、堵转和最大转矩测试等特性开展室内试验，试验参考标准GB/T16750—2008《潜油电泵机组》规定要求。

4.1 电机绝缘电阻测试

电机置于空气中，测试分别使用量程500、1 000 V兆欧表。测试结果显示，电机绝缘电阻为1 133 MΩ，达到标准中大于1 000 MΩ的要求。

4.2 三相电阻不平衡率测试

为了检查电机加工工艺有无缺陷，需要对电机的三相干直流电阻进行测试，并计算三相绕组直流不平衡率。使用直流电阻测量表对三相电阻进行测试，按星接法计算三相直流不平衡率，结果为0.42%，达到标准中要求的<2%的要求。

4.3 空载测试

在额定电压1.3倍时，测试电流、电压及功率。根据测试结果计算电机三相电流不平衡率。三相电流不平衡率分别为1.99%、0.20%、2.32%，达到要求(<10%)。

4.4 温升测试

电机在负载情况下正常运转2 h，待温升达到稳定后停机，在第一时间测量绕组热态直流电阻，并以相同的时间间隔测试电阻值。测试结束后计算定子绕阻平均温升值。计算结果为42.5 ℃，达到标准要求的<120 ℃的要求。

4.5 转矩测试

为了测试电机在额定转速情况下能够提供的最大转矩，利用变频器供电[9]，通过逐步加负载的方法测试转速的变化，当转速下降时，即为其最大转矩值。测试结果，最大转矩为517 N·m。

4.6 下井试验

试验系统包括ZQLB40-40型螺杆泵和7.5 kW电机，模拟井井深54 m，套管139.7 mm(5英寸)，介质为水，加热设备为电磁加热器，采用磁电流量计、40 MPa防震压力表、水银温度计、自吸泵。试验转速为100～500 r/min，井口憋压10 MPa，分析其转速、流量、压力、电流和输入功率等参数间的关系。在转速恒定条件下，井口压力越大，转矩越大、电机效率越高。当井口压力≥10 MPa时，转矩≥60 N·m，电机效率≥50%(如图4)。同等条件下，转速越大，电机效率越高(如图5)。

图4 150 r/min转速下潜油直驱螺杆泵举升系统测试曲线

图5 300 r/min转速下潜油直驱螺杆泵举升系统测试曲线

5 现场应用

经过近5 a的现场试验，潜油直驱螺杆泵在长庆油田取得了好的应用效果。截至2017-02底，共开展15口井现场试验(如表1)，最长无故障免修期达973 d，最大下深1 704 m，平均泵效提高35%，平均系统效率提高2.5%，平均节电率33.3%。

表1 潜油直驱螺杆泵现场试验情况

6 结论

1) 潜油直驱螺杆泵采油技术已经进入现场试验阶段，经过不断改进与完善，初步具备了规模试验的条件。逐步实现了在低液量(日产液2～5 m3)、小套管(ø127 mm套管)井的应用，有望解决有杆泵井管杆偏磨的治理难题，降低修井维护成本、生产耗电费用和工人劳动强度，应用前景广阔。

2) 研制出ø100 mm小直径低转速大转矩潜油永磁同步电机，去掉了机械减速机构，对于有轻微套变、较大狗腿度的油井，也有很好的适应性，提升了电潜直驱螺杆泵技术在127 mm(5英寸)套管、大斜度等特殊井况中适应性。

3) 设计应用“胶囊+沉淀”复合式电机保护器，提升了在斜度较大井段的适应性；借助GPRS终端平台实现系统的远程实时闭环监控，提升了系统可靠性。

[1] 张克岩.潜油直驱螺杆泵[J].油气田地面工程，2011，30(7)：99.

[2] 杨献平，周海，王辉.浅谈电动潜油但螺杆泵采油系统的研究开发[J].石油矿场机械，2004，33(3)：82-84.

[3] 关崇峰.潜油直驱螺杆泵在萨北油田的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2013(12)：130.

[4] 屈文涛，马加尚，孙艳萍.潜油直驱螺杆泵采油系统生产参数优化[J].石油矿场机械，2014，43(6)：42-44.

[5] 严亚忠，李颖，李俊华.电动潜油螺杆泵用于抽油大斜度定向井的讨论[J].石油机械，2003，31(3)：49-51.

[6] 辛宏，李佰涛，张磊，等.一种潜油直驱螺杆泵：2015102375482[P].2017-03-08.

[7] 辛宏，甘庆明，陆梅，等.一种潜油直驱螺杆泵柔性轴传动装置：2016202615664[P].2016-08-31.

[8] 张磊，辛宏，李明，等.井下直驱螺杆泵的智能控制装置及其操作方法：2013106548212[P].2017-06-06.

[9] 张炳义，刘忠奇，冯桂宏.潜油螺杆泵直驱细长永磁电机转轴扭曲对电磁转矩影响分析[J].电机与控制学报，2016，20(2)：76-82.