彭永剛

(大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

當前，在大慶油田外圍采油廠油井開采過程中，主要以抽油機舉升方式為主，因其具有工作性能可靠、后續(xù)維護簡單、工藝成熟等優(yōu)點，得到了用戶的認可[1-4]。由于本身結構特點，在低產(chǎn)井、大斜度井應用時，舉升系統(tǒng)效率低、能耗高、抽油桿和油管偏磨嚴重[5-9]。據(jù)統(tǒng)計，舉升揚程在1 400～1 800 m低產(chǎn)區(qū)塊的采油井，單井日產(chǎn)液量不足10 m3，平均泵效不足28%，平均系統(tǒng)效率僅為16.4%，很大程度上影響了原油的開采成本[10-13]。

近年來，大慶油田采油工程研究院針對有桿泵舉升存在桿管偏磨嚴重、能耗高、地面設備有安全隱患等問題，研制出了120泵型、200泵型、240泵型3種規(guī)格的螺桿泵，以及15 kW、22 kW 2種直驅(qū)潛油電機，能夠滿足舉升揚程在1 000 m以內(nèi)、排量在10～80 m3/d采油井的舉升要求[14-17]?，F(xiàn)場試驗20多口井，取得了較好的應用效果和經(jīng)濟效益。為解決大慶油田外圍采油廠舉升揚程在1 800 m以內(nèi)低產(chǎn)區(qū)塊的采油井舉升問題，在現(xiàn)有潛油直驅(qū)螺桿泵技術基礎上，對機組優(yōu)化升級，成功研制出舉升揚程在1 800 m以內(nèi)，排量10 m3/d以下的小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵，并開展了現(xiàn)場試驗，取得了良好的效果，為大慶油田外圍采油廠的經(jīng)濟有效開采提供了新的人工舉升方式。

1 潛油直驅(qū)螺桿泵系統(tǒng)

1.1 結構組成

潛油直驅(qū)螺桿泵采油系統(tǒng)如圖1所示，主要包括地面控制部分、電纜、井下機組和配套的井下工具。其中，地面控制部分包括地面控制柜、接線盒及電泵井口；潛油電纜包括大扁電纜和小扁電纜；井下機組自下而上包括潛油電機、電機保護器、軸承組及保護器、方向節(jié)聯(lián)軸器和專用螺桿泵。配套井下工具包括錨定工具、剛性扶正器、單流閥和泄油閥。

圖1 潛油直驅(qū)螺桿泵系統(tǒng)示意

1.2 工作原理

潛油電機置于井下機組的底端，通過中間動力傳遞系統(tǒng)的輸出軸與專用螺桿泵的轉(zhuǎn)子下端連接，整個連接自上而下為同軸連接。地面輸入的三相電源通過地面控制柜、接線盒和電纜輸送給井下潛油電機，潛油電機的定子繞組中就會形成旋轉(zhuǎn)的電磁場，安裝永磁體的轉(zhuǎn)子由于磁極是固定的，根據(jù)磁極同性相吸異性排斥的原理，在定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場就會帶動轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)，最終達到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相等。專用螺桿泵在潛油電機的帶動下做旋轉(zhuǎn)運動，抽汲井液，經(jīng)油管將井液舉升到地面。通過調(diào)節(jié)地面變頻控制柜輸出頻率，對潛油電機輸出的轉(zhuǎn)速進行無級調(diào)節(jié)。通過控制柜對輸出電壓和電流進行模糊控制，保證潛油電機轉(zhuǎn)矩輸出。

1.3 機組優(yōu)化

通過對潛油電機電磁方案優(yōu)化設計，提高了散熱能力，增加了機械強度。改進轉(zhuǎn)子工藝,提高了槽滿率。為了降低在啟動過程中長線電纜的電壓降損耗，提高啟動能力，將潛油電機的工作電壓由380 V提高到660 V。參數(shù)優(yōu)化后增強了電機的轉(zhuǎn)矩及其穩(wěn)定性，功率密度更大，過載能力由原來的1.5倍提高到1.8倍，井下耐壓由20 MPa提高到25 MPa，井下耐溫由150 ℃提高到200 ℃。

專用螺桿泵是在原有基礎上進行了橡膠材料優(yōu)選和制造工藝改進，通過優(yōu)選采油井，現(xiàn)場取樣的方式來進行橡膠配伍性試驗。將現(xiàn)場取回的井液加溫到90 ℃，然后將不同類型的橡膠材料浸泡在加溫后的井液中，觀察并測量橡膠的體積、質(zhì)量、硬度的變化量，最終定型了橡膠專用配方為氫化丁腈橡膠。氫化丁腈橡膠能夠保證其耐溫、耐磨和耐溶脹性能。

對專用螺桿泵的偏心參數(shù)和間隙參數(shù)進行科學設計，利用潛油泵高速時所具有的離心泵特性，使定轉(zhuǎn)子運動副之間更易于形成流體潤滑，從而避免常規(guī)泵啟動時產(chǎn)生的粘附啟動轉(zhuǎn)矩，同時還降低了泵的摩擦轉(zhuǎn)矩和磨損。

螺桿泵初始過盈δ0及偏心調(diào)整量ΔE分別為：

δ0=δ-(δ1+δ2)

(1)

ΔE=(δ1+δ2-δ3)/4

(2)

螺桿泵轉(zhuǎn)子設計直徑d及偏心e分別為：

d=D+δ0

(3)

e=E+ΔE

(4)

式中：δ為目標過盈量，mm；δ0為初始過盈量，mm；δ1為短軸熱脹量，mm；δ2為短軸溶脹量，mm；δ3為長軸尺寸變化量，mm；d為轉(zhuǎn)子直徑，mm；e為轉(zhuǎn)子偏心，mm；D為定子直徑，mm；E為定子偏心，mm。

以普通GLB120型螺桿泵與QYLB120型潛油專用螺桿泵為例，轉(zhuǎn)矩試驗對比如圖2所示。試驗條件：轉(zhuǎn)速150 r/min，介質(zhì)為清水，環(huán)境溫度為常溫，出口壓力7 MPa。從圖2中可以看出，設計的潛油專用螺桿泵沒有啟動波峰，不僅啟動轉(zhuǎn)矩小，而且正常工作時摩擦轉(zhuǎn)矩也小，從而使整個系統(tǒng)負荷減小，提高了系統(tǒng)可靠性，延長系統(tǒng)壽命。

圖2 普通螺桿泵與潛油專用螺桿泵轉(zhuǎn)矩試驗對比曲線

通過改進專用螺桿泵的加工工藝，使橡膠與專用螺桿泵定子粘接性能提高；通過采用菱形鋼砂磨料，增大了定子表面粗糙度，增加粘接面積；通過粘接劑霧化、旋轉(zhuǎn)噴涂工藝保證涂膠質(zhì)量，最終制造出小排量高揚程潛油直驅(qū)專用螺桿泵。

2 室內(nèi)試驗

為了驗證優(yōu)化后潛油直驅(qū)螺桿泵機組的性能，對其進行室內(nèi)試驗。試驗對象為QYLB14-24型泵，其額定轉(zhuǎn)速300 r/min、額定電壓660 V、額定功率7.5 kW。試驗條件：介質(zhì)溫度90 ℃，試驗介質(zhì)為清水。通過試驗井井口憋壓的方式測試不同轉(zhuǎn)速、不同揚程下泵的容積效率。圖3為專用螺桿泵在額定轉(zhuǎn)速下容積效率隨舉升壓力變化曲線。

圖3 額定轉(zhuǎn)速下泵容積效率隨舉升壓力變化曲線

由圖3可以看出，專用螺桿泵在額定轉(zhuǎn)速下泵容積效率隨舉升壓力的升高而降低，在舉升壓力為7.5 MPa條件下，容積效率達到100%；在舉升壓力19 MPa條件以內(nèi)，容積效率均能達到60%以上。可見，優(yōu)化后的小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵機組能夠滿足大慶油田外圍采油井舉升揚程在1 800 m以內(nèi)的需求。

3 配套技術

3.1 油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)

為解決小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵在舉升過程中因蠟堵造成能耗高，以及停機問題，配套了油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由井下配重、井下加熱體(如圖4所示)和地面控制系統(tǒng)組成。其工作原理是：將地面提供的電能轉(zhuǎn)變成磁熱能，對油管內(nèi)的原油進行加溫和磁化，使其滲透率、流動性增加，從而降低舉升設備能耗。

圖4 井下加熱體結構

井下配重是連接在井下加熱體底部，避免出現(xiàn)井下加熱體在下井過程中因油管內(nèi)液體浮力大于重力，致使井下加熱體無法下到油管內(nèi)部。井下加熱體是油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)的核心部分，一般下到油管內(nèi)600～800 m位置，三芯電纜在井下做星型連接，井口端供三相電源，實現(xiàn)井下除蠟目的。地面控制采用微電腦數(shù)字化自動控制技術，性能穩(wěn)定，可以設置加熱溫度、加熱周期，可對缺相、過壓、過流、短路等故障自動保護，具有識別顯示功能。

3.2 地面控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)優(yōu)化后的機組平穩(wěn)控制，研制了660 V專用地面變頻控制系統(tǒng)。整個變頻系統(tǒng)內(nèi)部結構包括輸入整流單元、直流濾波儲能單元、信號檢測回路、伺服驅(qū)動逆變單元及能耗制動單元；控制上使用無編碼器全閉環(huán)直接轉(zhuǎn)矩控制模式，具有電機軟啟動、軟停車和平滑調(diào)速特性，并對電器的過壓、過流、短路等故障具有保護功能。在變頻控制系統(tǒng)內(nèi)置制動電阻，當系統(tǒng)停機時，通過外部電路的常閉交流接觸器使電機立即切換到制動電阻回路中，將電機反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電能在制動電阻上消耗掉。

研制的地面高性能伺服變頻地面控制系統(tǒng)如圖5所示。對永磁潛油電機轉(zhuǎn)子速度、位置以及定子電流進行閉環(huán)控制，柔性平滑驅(qū)動電機，實現(xiàn)整個系統(tǒng)平穩(wěn)驅(qū)動。通過GPRS傳送到上位機的電機電壓、電流、速度、功率等實時數(shù)據(jù)，可以進行遠程日常監(jiān)控和工況分析。

圖5 地面變頻調(diào)控原理

3.3 錨定裝置

由于潛油專用螺桿泵的轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩直接作用于定子，該轉(zhuǎn)矩會使泵上部的正扣油管倒扣，造成管柱脫扣，因此潛油螺桿泵井的管柱也必須實施防脫扣措施。研制了錨定裝置如圖6所示，由活動爪、滑套、長滑道和短滑道組成。常態(tài)下活動爪處于閉合狀態(tài)，此時滑套處于長滑道內(nèi)。工作狀態(tài)下，活動爪張開，此時滑套處于短滑道上。為了防止損壞電纜，錨定裝置安裝在電機尾部，起到有效錨定和扶正作用。

圖6 錨定裝置

錨定裝置在坐封過程中，應注意觀察作業(yè)機上的懸重表指針，最好的狀態(tài)是大部分載荷懸掛在井口懸掛器上，小部分載荷壓在錨定裝置上，這樣既能保證機組在受壓的情況下不彎曲，又能防止機組在工作過程中油管倒扣。

4 現(xiàn)場應用

為了驗證小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵應用效果，在前期優(yōu)選取樣采油井上開展2口井試驗，具體情況如表1所示。

表1 應用小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升前后采油井生產(chǎn)參數(shù)

續(xù)表1

由表1可以看出，應用小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升前，2口試驗井采用抽油機方式舉升，2口試驗井均采用?38 mm抽油泵，平均泵掛深度1 248.5 m，平均日產(chǎn)液量5.05 m3，平均動液面深度959.5 m，平均泵效16.7%；應用小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升后，2口試驗井采用QYLB14-24型潛油直驅(qū)螺桿泵，平均泵掛深度1 802.5 m，平均日產(chǎn)液量6 m3，平均動液面深度1 182.5 m，平均泵效65.35%；應用前后平均泵掛加深554 m，平均泵效高了48.65%?？梢?，應用小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升后不僅徹底解決了因加深泵掛帶來的桿管偏磨問題，而且泵效更高。

為了進一步分析小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵節(jié)能效果，對2口試驗井的噸液百米耗電、噸液百米節(jié)電率進行了對比，具體結果如表2所示。

表2 應用小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升前后采油井節(jié)能數(shù)據(jù)對比

由表2可以看出，采用抽油機方式舉升時，A井噸液百米耗電2.87 kW·h，B井噸液百米耗電2.76 kW·h；采用小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿方式舉升時，A井噸液百米耗電0.99 kW·h，B井噸液百米耗電1.15 kW·h；應用小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升前后，A井噸液百米節(jié)電率65.51%，B井噸液百米節(jié)電率58.33%。可見，潛油直驅(qū)螺桿機組優(yōu)化后具有較高的節(jié)能效果。

2口試驗井在配套油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)前，采用定期在井口加入化學藥劑和罐車熱洗的方式清蠟，這種組合式方式不僅費時、費力，而且受天氣情況制約會導致不能按時加入化學藥劑或熱洗井，影響采油井正常生產(chǎn)。

為了避免因蠟堵影響采油井正常生產(chǎn)，2口采油井均配套了油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)，應用油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)前后情況如表3所示。

表3 應用油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)前后對比數(shù)據(jù)

由表3可以看出，2口采油井在應用小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵舉升技術前，采用井口化學加藥方式進行防蠟，平均加藥周期為10 d，而且每月要利用罐車進行1次熱洗井。應用油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)后，平均加熱周期為15 d，省去了每月定期加入化學藥劑和熱洗井工作量。

經(jīng)計算，單井每年需要熱洗井12次，采用油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)后，省去了熱洗井工作量。單井熱洗費用按照0.2萬元/次計算，年節(jié)約熱洗井費用￥2.4萬元；單井年加化學藥劑費用按1萬元/井，單井年清蠟費用共節(jié)約￥3.4萬元。油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)每15 d需要進行加熱一次，加熱時間為24 h，每次耗電量為720 kW·h，電費按照1元/度計算，單井年耗電費用￥1.728萬元，兩口采油井年節(jié)約清蠟費用共￥3.344萬元?？梢?，避免蠟堵影響采油井正常生產(chǎn)的情況下，單純考慮清蠟費用，油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)清蠟費用更低。

5 結論

1) 室內(nèi)試驗得出，優(yōu)化后的機組在額定轉(zhuǎn)速300 r/min、試驗介質(zhì)為清水的情況下，舉升壓力19 MPa條件以內(nèi)，泵容積效率均能達到60%以上，能夠滿足大慶油田外圍低產(chǎn)采油井舉升揚程在1 800 m以內(nèi)的需求。

2) 現(xiàn)場應用表明，相比于抽油機舉升方式，小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵具有更好的舉升效果；配套的油管內(nèi)除蠟系統(tǒng)與定期化學加藥和熱洗的組合清蠟方式相比,不僅清蠟費用低、清蠟及時，而且避免了因蠟堵影響采油井正常生產(chǎn)。

3) 下一步，繼續(xù)擴大現(xiàn)場試驗井規(guī)模，進一步驗證小排量高揚程潛油直驅(qū)螺桿泵性能的可靠性及節(jié)能效果。