郝忠獻，朱世佳，裴曉含，黃鵬，童征，王本元，李德印

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油吉林油田公司，吉林松原 138000；3.河南新鄉(xiāng)市夏烽電器有限公司，河南新鄉(xiāng) 453621）

0 引言

中國石油天然氣集團有限公司（簡稱中國石油，下同）油井超過20萬口，由于地層能量偏低，人工舉升油井占總井數(shù)的95%以上。人工舉升主要包括抽油機、螺桿泵、電潛離心泵、水力泵和氣舉等技術和裝備，其中有桿泵（抽油機和地面驅動螺桿泵）數(shù)量占到了92%[1]。

有桿泵采油是通過抽油桿將動力傳到井下，帶動井下泵運動將原油舉升到地面。有桿泵采油面臨3個方面的生產難題：一是效率低、能耗高，有桿泵采油設備平均系統(tǒng)效率只有24%[2-4]，每年消耗的電能約占油田總耗電的一半以上；二是大斜度井、聚驅井、高含水井增多，桿管偏磨問題越來越嚴重[5]，導致檢泵周期短，吉林、長慶油田部分油井由于桿管磨損檢泵周期只有300 d左右，遠低于抽油機井平均檢泵周期800 d。隨著斜井、定向井及水平井數(shù)量不斷增加，井眼軌跡更加復雜，有桿泵采油桿管磨損現(xiàn)象會更加嚴重；三是有桿泵采油井口采用光桿盤根動密封，更換不及時會導致原油泄漏，造成安全環(huán)保事故。

針對有桿泵采油存在的問題，國內外一直在致力于發(fā)展無桿舉升技術，目前比較成熟的是電潛離心泵[6-7]。該技術主要適用于日產液50 m3以上的油井，由于中國石油油井產量普遍偏低，限制了其廣泛應用，電潛泵井只有2 000余口。

電潛螺桿泵是近年發(fā)展起來的無桿采油技術之一，與電潛離心泵相比，在稠油井、出砂井中有更好的應用效果[8]。國內外進行了大量的研究，美國的Centrilift Amoco、Reda、Baker Hughes和加拿大的KUDU等公司從20世紀90年代開始進行電潛螺桿泵產品的研究，傳統(tǒng)的思路是采用“潛油電機+井下減速器+保護器+螺桿泵”結構方案[9-10]，該方案中電機轉速1 450 r/min，通過行星減速器將輸出轉速降到150 r/min左右，減速比為9∶1。受到套管內徑限制，減速器外徑要求在102 mm以內，較大的減速比和尺寸的限制導致關鍵部件尺寸過小，機械強度和可靠性不足，多口井試驗減速器出現(xiàn)故障。

2008年，國內外開始對井下低速電機驅動螺桿泵技術進行研究。其中井下電機是整個系統(tǒng)運行的關鍵部件，張炳義等[11-14]設計了單元分段電機，每段電機都是1個獨立的運行單元，優(yōu)勢是單段電機產生故障時不影響電機的其他部分正常工作，但這種結構也會造成電機鐵心有效長度較短。王龍華[15]利用仿真軟件對12極36槽電機進行設計并對電機性能進行了仿真分析，但未提到永磁同步電機樣機制造及試驗效果。王崢[16]對數(shù)據(jù)遠程傳輸技術和方案進行了研究。2016年，加拿大KUDU公司推出了永磁同步電機+螺桿泵機構[17]，電機轉速50～750 r/min，但未見電機詳細結構設計及國內應用報道。

中國石油勘探開發(fā)研究院依托中國石油天然氣股份有限公司重大科技項目，結合油井實際生產需求，經過近10年的摸索和試驗，聯(lián)合攻關開發(fā)了潛油永磁同步低速電機，技術思路是采用“潛油永磁同步低速電機+保護器+柔性軸+螺桿泵”結構，去掉了減速器，消除了薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了139.7 mm（5.5 in）套管電潛螺桿泵無桿采油。目前這項技術適用油井排量范圍是5～50 m3/d，滿足大部分中國石油油井舉升需求。本文對井下電機等關鍵工具的研究和試驗進行介紹，并對現(xiàn)場應用情況進行分析。

1 關鍵工具

1.1 潛油永磁同步低速電機

1.1.1 性能需求

①功率需求。井下直驅螺桿泵舉升技術的應用目標是日產液5～50 m3的油井，這也是中國石油油井主要產量范圍。為了適應139.7 mm（5.5 in）套管油井舉升需求，同時滿足電機能夠在作業(yè)過程中順利下入，電機的最大外徑為114 mm。采油工作時，井下電機需要在低速運行的情況下大功率輸出，輸出的功率包括井液舉升功率、流體沿程損失及電纜損耗、地面控制損耗等。其中井液舉升功率是舉升高度和產液量的函數(shù)[18]，極限情況下舉升高度2 000 m，日產液量25 m3時，舉升水功率達到5.6 kW。參照前人對潛油電泵采油井系統(tǒng)效率的研究，系統(tǒng)效率一般在30%左右[19-20]，所以井下電機的最小功率應該達到15 kW。

②轉速需求。螺桿泵的轉速一般在50～150 r/min[21]，考慮井下驅動螺桿泵不存在抽油桿高速旋轉帶來的桿管磨損等問題，可以適當提高螺桿泵轉速，所以設計電機的調速范圍為50～300 r/min。

③輸出轉矩需求。螺桿泵正常運行轉矩在50～300 N·m，啟動轉矩是正常運行轉矩的2倍[22]，由于沒有減速裝置，要求電機的直接輸出轉矩最大要達到600 N·m。

結合油井舉升需求和不同電機特性，選定永磁交流同步電機，滿足在狹窄的井眼尺寸內實現(xiàn)低轉速、大轉矩的舉升需求。

1.1.2 基本尺寸

電機的電磁過程主要在氣隙中進行，靠近氣隙的電樞直徑與電樞有效長度是電機的主要尺寸，結合井下需求和電機功率尺寸方程（見（1）式）[23-24]，先初步確定井下電機的電樞直徑和定子長度等參數(shù)。

式中A——電負荷，A/m；Bδ——電機氣隙磁感應強度的最大值，T；Da——電樞直徑，m；Kp——電功率波形系數(shù)，無因次；Lef——電樞軸向長度，m；n——電機轉速，r/min；P——計算功率，W；αi——計算極弧系數(shù)，無因次。

井下套管尺寸限定電機外徑不超過114 mm，初步確定定子內徑60 mm，在額定轉速300 r/min條件下，15 kW電機電樞軸向長度5.9 m。為了使電機在低速條件下具有更好的性能，設計采用極、槽數(shù)相近的分數(shù)槽結構[25]。為了保證相繞組對稱，槽數(shù)須為相數(shù)的整數(shù)倍，即為3的倍數(shù)。經過綜合考慮，初步確定采用12槽10極的電磁結構設計，如圖1所示。

1.1.3 數(shù)值模擬與結構優(yōu)化

Maxwell Ansoft是專業(yè)電機設計優(yōu)化軟件，近年來得到廣泛應用。電機采用永磁體勵磁，雖然能夠減小電機尺寸、增加電機極數(shù)，但是永磁體磁路結構復雜，設計難度大。采用Maxwell Ansoft進行數(shù)值模擬能夠使電機設計更加精確，滿足設計需求。另外，根據(jù)舉升工況和螺桿泵的特點，設計井下永磁同步電機的重要要求是具有較高力矩輸出能力和運行效率，對電機其他的動態(tài)特性要求不高。所以在設計過程中重點對能夠影響電機功率和輸出轉矩的氣隙長度及鐵心磁感應強度進行了數(shù)值模擬，利用數(shù)值模擬結果指導實體電機的生產。

圖1 井下永磁同步電機結構設計

永磁同步電機的氣隙長度對電機的交、直流電抗，尤其是對電機的輸出轉矩影響很大，同時也對電機的裝配工藝有影響[26]。電機的氣隙長度越小，輸出轉矩越大，使裝配更加困難[23]。

常規(guī)潛油電泵電機氣隙長度一般為0.4 mm[27]，考慮到永磁同步電機安裝時轉子永磁體會吸附在定子磁鋼上，裝配難度大，取氣隙長度分別為0.6，0.8，1.0及1.5 mm進行數(shù)值模擬，結果如圖2所示?？梢钥闯?，隨著氣隙長度的增加，電機輸出轉矩呈持續(xù)下降趨勢，氣隙長度0.6 mm時平均輸出轉矩為146.0 N·m，氣隙長度1.5 mm時平均輸出轉矩降到128.6 N·m。為了保證較大的輸出轉矩，電機氣隙應盡可能短。

圖2 氣隙長度對電機轉矩影響的數(shù)值模擬結果

前文計算得到，15 kW電機鐵心長度達到5.9 m，同時外徑不超過114 mm，屬于超細長結構，其難點是制造工藝中繞組的嵌入和保證定子、轉子同軸度。為此，創(chuàng)新設計了分段串聯(lián)電機結構，即將定子和轉子都設計為長度相同的小段，定子長度縮短后，降低了繞組嵌入難度。又設計了一種保證定子、轉子同軸度的組裝工藝。首先，以定子內圓為基準，轉子兩端都設計了滾動軸承，保證每段電機轉子與定子之間的同軸度。每段電機制造完成后，再將多段電機組裝成整臺電機。對于相鄰兩段電機之間的連接，以定子外圓為基準，設計工裝來保證每段電機外殼的同軸度，從而保證多段電機連接的同軸度。

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)吊裝要求，需要電機總長控制在9.6 m以內（參考單根油管長度），也就是要盡量減少電機段與段之間機械機構連接長度。在實驗室內對每段電機長度進行了多次調整和測試，發(fā)現(xiàn)每段電機長度縮短為0.6 m同時氣隙長度增加到0.8 mm時，電機能夠順利裝配。對該尺寸條件下的電機磁飽和情況進行了分析。

若定子磁感應強度過高，會使電機發(fā)熱嚴重，影響電機效率；若磁感應強度過低，又會造成磁鋼利用率不夠，影響電機力矩性能。本文永磁同步電機采用的定子硅鋼磁飽和感應強度在1.9 T左右[28]。圖3是氣隙長度0.8 mm條件下定子磁感應強度分析結果，可以看出，鐵心齒部磁感應強度為1.5 T左右，尖角部分1.8 T，說明該電機結構設計合理，使電機能夠有較大的輸出扭矩，也使鐵心材料利用充分并且無過度磁飽和情況，可以進行實體電機加工。

1.1.4 樣機制造及室內實驗

通過不同段數(shù)組合，生產了不同功率的井下電機，以滿足不同井況舉升功率的需求。電機功率為7.5，9.0，10.5，12.0，13.5，15.0 kW時，對應的電機總長分別為4.5，5.2，6.0，6.9，7.8，8.5 m。通過室內實驗對實體電機樣機進行了性能參數(shù)測試評價，并對實驗結果進行了分析。

圖3 定子鐵心磁飽和情況分析結果

使用型號為FLUKE190-240的示波器進行了電機空載反電動勢測試，12 kW電機樣機及測試臺如圖4所示。圖5是電機在轉速300 r/min時空載條件下的反電動勢曲線?？梢钥闯?，三相反電動勢有效值在206～208 V，相位相差120°，反電動勢峰值在294 V左右，可直接采用油田380 V電源供電。

圖4 12 kW電機樣機及測試臺

圖5 電機空載反電動勢室內測試結果

井下螺桿泵運行效率與沉沒度、油井產量有關，其調節(jié)范圍應較寬，所以要求電機在不同負載率條件下均具有較高的運行效率。電機的負載率是電機輸出功率與額定功率的比值。在300 r/min的額定轉速下，利用測功機在負載率20%～100%內調整電機的輸出功率，測量電機的輸入功率后，計算出電機的運行效率。從圖6可以看出，6種不同功率電機在負載率20%～100%的條件下運行效率均在60%以上，說明電機能夠滿足井下螺桿泵運行需求。

由于每臺電機都由多段連接而成，隨著電機功率的增加，電機段數(shù)增加，機械連接結構數(shù)量增加，電機總長度不斷增加，也會導致電機損耗增加、電機效率下降。圖6中15 kW電機隨著負載率增加效率下降較快，這是因為隨著負載增加，電機內部機械連接損耗增加，導致電機效率下降。說明在電機單元的一致性和多單元組裝工藝方面還需要深入研究。

圖6 井下電機負載率與運行效率關系曲線

選擇功率分別為7.5，9.0，10.5，15.0 kW的4種電機進行了轉矩測試。根據(jù)額定轉矩、額定功率及額定轉速關系，額定轉速300 r/min條件下，計算得到7.5，9.0，10.5，15.0 kW電機的額定轉矩分別為240，286，335和478 N·m。從圖7可以看出，額定轉速下7.5，9.0，10.5，15.0 kW電機實測輸出轉矩分別為396，480，580和670 N·m，實測輸出轉矩是額定轉矩的1.5倍左右。從圖7還可以看出，電機可以在50～500 r/min進行轉速調節(jié)，額定轉速300 r/min以內，7.5，9.0，10.5，15.0 kW電機能夠輸出的最大轉矩分別為510，540，670和715 N·m。隨著電機功率的增加，電機的最大輸出轉矩也不斷增加，所以可以根據(jù)油井工況選擇最合適的電機，使油井產量與一次性投資更加匹配。

圖7 電機運行狀態(tài)室內測試結果

1.2 其他關鍵配套工具

1.2.1 電機保護器

電機保護器主要作用是給電機補充電機油、保持電機內外壓力平衡，其結構如圖8所示。

與傳統(tǒng)電潛泵保護器不同的是，井下直驅螺桿泵電機保護器需要承受螺桿泵產生的較大的軸向力[29-30]。該軸向力與螺桿泵的轉子直徑、偏心距、舉升壓頭等參數(shù)相關。以油井日產液量30 m3、舉升揚程1 500 m為例，選用的螺桿泵轉子直徑37 mm、偏心距6 mm，計算可得軸向力為13 kN。針對螺桿泵軸向載荷大的難題，設計了一種多組軸承串聯(lián)運行結構，室內實驗中電機保護器能夠在70 kN軸向載荷下穩(wěn)定運行，滿足了螺桿泵運行需求。

圖8 電機保護器結構示意圖

1.2.2 柔性傳動工具

柔性傳動工具安裝在電機保護器上端、螺桿泵下端，主要作用是把螺桿泵轉子的行星運動轉換為電機的同心運動，并將電機產生的轉矩傳給螺桿泵轉子。設計了一種偏心連接結構，如圖9所示，最大偏心距達到9 mm，最大外徑只有102 mm，可以滿足井下電纜通過需要。柔性傳動工具的其他作用是傳遞螺桿泵轉子扭矩、防砂和作為井液的吸入口。

圖9 柔性傳動工具結構示意圖

1.2.3 井下驅動螺桿泵

螺桿泵由定子和轉子兩部分組成[31]，采用傳統(tǒng)地面驅動方式時，螺桿泵轉子運轉速度受到抽油桿的限制[32]，一般在50～150 r/min。為了保持較高的泵效，定子、轉子之間過盈量大，導致螺桿泵運行扭矩大[22]，與井下電機轉矩和轉速特性不匹配，導致啟動困難。根據(jù)降泵型、提轉速以及增加螺桿泵間隙的設計思路，形成了與井下電機匹配的螺桿泵設計和選型方法，新型螺桿泵在現(xiàn)場應用中運行扭矩和運行能耗降低。圖10是A2井生產情況，該井日產液40 m3，泵掛1 500 m。2018年4月30日更換了新型螺桿泵，同樣的產量條件下，與傳統(tǒng)螺桿泵相比，新型螺桿泵運行扭矩由430 N·m降到了200 N·m。同時，系統(tǒng)日耗電由439.0 kW·h降到了177.6 kW·h，說明螺桿泵過盈摩擦造成的損耗降低。

圖10 螺桿泵現(xiàn)場運行情況

2 井下直驅螺桿泵舉升工藝

井下直驅螺桿泵舉升系統(tǒng)的設計借鑒了電潛泵系統(tǒng)，分為地面工具和井下機組兩部分，如圖11所示。地面部分包括控制柜主體、變頻控制器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)汝P鍵部件。通過地面控制可以讀取電機輸入電流、轉速以及對電機進行轉速調節(jié)。泵掛在1 500 m以下時，控制柜需要輸入380 V電壓，與抽油機相同，泵掛超過1 500 m時需要輸入660 V電壓。井口電纜穿越工具也與傳統(tǒng)電潛泵一致，確保配套工具的互換性和現(xiàn)場作業(yè)的便捷性。

井下機組部分包括井下電機、保護器、柔性軸、螺桿泵、電纜等。為了消除過流通道和電纜對電機尺寸和功率的影響，電纜從電機上端接出，如圖11所示。正常工作時，動力從電機軸輸出，依次傳遞到保護器軸、柔性軸、螺桿泵轉子，將井液舉升到井口。

井下直驅螺桿泵現(xiàn)場施工工藝簡單，主要步驟為：①將錨定器坐在井口，與電機下端通過φ73.0 mm（2.875 in）油管螺紋連接；②錨定器下入井內，電機上端坐在井口，將保護器下端和電機上端通過法蘭連接，連接電機和動力電纜，繼續(xù)下入；③連接柔性軸和電機保護器；④連接柔性軸和螺桿泵；⑤連接油管至預定泵掛深度，做好地面懸掛器電纜密封，將動力電纜連接到控制柜，安裝好井口等設備，開機運轉。

井下直驅螺桿泵舉升系統(tǒng)及其工藝有以下特點：①井口無光桿等活動部件，無磨損漏油風險；②相比抽油機，地面控制柜體積小、重量輕，可以高置，在雨季不會被水淹；③井下驅動螺桿泵采用無桿舉升方式，徹底消除桿管磨損，節(jié)省因桿管磨損造成的修井費用及更換管桿的費用；④井下電機調速范圍寬，適用油井排量范圍寬。

圖11 井下直驅螺桿泵舉升系統(tǒng)結構

3 現(xiàn)場應用及經濟效益

3.1 應用效果

截至目前，井下直驅螺桿泵舉升技術已應用100余井次，分布于吉林、大慶、吐哈等油田，相比原井抽油機系統(tǒng)平均節(jié)電30%，體現(xiàn)了4個方面的優(yōu)勢。

①顯著降低裝機功率，節(jié)電效果明顯，提高系統(tǒng)效率。表1是國內某油田電潛直驅螺桿泵與原井抽油機運行情況對比，從表中數(shù)據(jù)可以看出，相比原井抽油機，井下直驅螺桿泵裝機功率下降了45%，日耗電量降低了41%，系統(tǒng)效率提高了8%，泵效提高了25%，節(jié)能提效效果明顯。

②實現(xiàn)無桿采油，有效延長桿管偏磨井的檢泵周期。受到井眼軌跡不規(guī)則影響，A油田一些抽油機井桿管磨損情況嚴重，平均檢泵周期只有200 d左右，造成頻繁修井、更換桿管等，作業(yè)費用高。選出兩口井開展了井下直驅螺桿泵試驗，檢泵周期從235 d延長到469 d。目前正進一步加大現(xiàn)場應用數(shù)量。

表1 井下直驅螺桿泵與原井抽油機運行參數(shù)對比

③實現(xiàn)地面采油裝備本質安全。采用常規(guī)抽油機和地面驅動螺桿泵時地面都有活動部件，雖然各油田加強了管理，但是每年都會出現(xiàn)安全事故，造成巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。井下直驅螺桿泵地面無活動部件（見圖12），實現(xiàn)采油設備本質安全。同時，由于沒有光桿盤根的跟蹤更換作業(yè)，不存在井口漏油問題，在沼澤、濕地及環(huán)境敏感區(qū)具有顯著的優(yōu)勢。結合目前修井原油不落地技術，可實現(xiàn)采油及作業(yè)安全環(huán)保。

圖12 潛油直驅螺桿泵井口

④實現(xiàn)遠程監(jiān)測與控制，提高油井生產管理效率。配套使用市場應用成熟的數(shù)據(jù)采集器及GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸技術，重點對電機運行電流、電壓、功率、轉速以及油井環(huán)空壓力等參數(shù)進行采集，機組運行狀態(tài)能夠實時傳遞到控制中心，操作人員可遠程實現(xiàn)電機轉速調節(jié)、機組啟停等操作，提高了系統(tǒng)管理效率，減輕了采油工人勞動強度。

3.2 經濟效益

表2對比了同等舉升能力下（理論排量均為25 m3/d）12型抽油機（CYJ12-5-73HB）和井下直驅螺桿泵的能耗、舉升工藝以及投資。與抽油機相比，井下直驅螺桿泵在一次性投資方面可以減少3.2萬元，減少了10.1%；在日常運行耗電方面，井下直驅螺桿泵日節(jié)電66 kW·h，年節(jié)電24 090 kW·h，單井每年可節(jié)省電費1.7萬余元。

表2 井下直驅螺桿泵與原井抽油機經濟性對比

4 結論

針對傳統(tǒng)有桿舉升設備存在的問題和油田在新的開發(fā)形勢下對高效舉升工藝的需求，通過設計井下低速大轉矩電機，基本形成了適應日產液量5～50 m3油井的井下直驅螺桿泵無桿舉升技術。室內數(shù)據(jù)測試表明設計的井下電機具有較寬的運行功率范圍、較高的效率及低轉速下良好的轉矩輸出能力，能夠滿足井下動力驅動螺桿泵運行的需要。現(xiàn)場試驗表明井下直驅螺桿泵舉升技術能夠降耗、提效及延長檢泵周期，消除了地面活動部件，實現(xiàn)地面運行裝備本質安全，適用于斜井及定向井、稠油井、低產低滲油井以及環(huán)境敏感區(qū)。同時其總體經濟效益相對于傳統(tǒng)的抽油機裝備也有明顯優(yōu)勢。

下一步將繼續(xù)擴大井下直驅螺桿泵舉升技術的應用范圍和應用規(guī)模，結合現(xiàn)場運行情況，加強理論研究，對井下機組開展深入優(yōu)化，并開展配套復合連續(xù)油管及全金屬螺桿泵試驗。