王遠(yuǎn)東 趙 晶 王世杰

沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧沈陽 110870

我國的大多數(shù)油田都是低能源和低石油產(chǎn)量的,與國外油田不同,這些油田具有很強(qiáng)的流動能力,不需要注水將石油從油井中抽出來。我國水和電的交換已成為當(dāng)務(wù)之急,由于電力消耗占石油成本[1]的很大比例,石油行業(yè)正在努力實(shí)施節(jié)能減排政策,以最大限度地降低生產(chǎn)成本。與其他采油方式相比,潛油螺桿泵采油系統(tǒng)具有能耗低、制造成本低、隱患少、維護(hù)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。適用于高黏度原油的開采,廣泛用于勝利油田、遼河油田、渤海油田等。

1 潛油螺桿泵采油系統(tǒng)基本原理及組成

1.1 潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的基本原理

電動螺桿泵采油系統(tǒng)是一種無桿采油設(shè)備,由三部分組成:地面部分、地下部分、油管和電纜。地下部分包括螺桿泵、聯(lián)軸器、保護(hù)器、減速機(jī)器、馬達(dá),而地下部分則是由變壓器、變頻器等輔助裝置構(gòu)成的[3]。通過電纜將動力傳輸給潛油電機(jī),螺桿泵電子設(shè)備往復(fù)直線運(yùn)動,速度較低。從而實(shí)現(xiàn)原油由泵的輸入端向輸出端的流通。這種運(yùn)動方式可以在聯(lián)軸器和減速機(jī)器中實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)的效率和可靠性也因此而提高。這種采油方法可以有效地生產(chǎn)出具有高黏度、高含砂量或高蠟、含氣量等聚合物組分的原油,而且系統(tǒng)的連續(xù)泵送穩(wěn)定性極高,不會對儲層造成任何壓力。此外,無桿生產(chǎn)設(shè)備不會出現(xiàn)抽油桿變形,從而大大降低了維護(hù)成本,并減少了因變形而產(chǎn)生的能耗。由于系統(tǒng)整體相對較小,因此更適合海上平臺作業(yè)[4]。

1.2 潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的組成

潛油螺桿泵生產(chǎn)系統(tǒng)由地面和地下兩部分組成[5]。地下部分由潛油電機(jī)、減速器、保護(hù)器、聯(lián)軸器和螺桿泵組成。地面部分配有變頻器控制器,通過電纜向地下電機(jī)傳輸電力。

(1)潛油電機(jī):潛油電機(jī)是潛油螺桿泵控制系統(tǒng)的中心元件,由定子、葉輪、止推軸承和電機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)組成,為控制系統(tǒng)提供動力[6]。

(2)減速器:在電機(jī)和螺桿泵間起調(diào)速及杠桿作用,將電機(jī)輸出的扭矩增大,再經(jīng)聯(lián)軸器傳遞給螺桿泵[7]。

(3)保護(hù)器:它位于減速機(jī)器和聯(lián)軸器中間,起到連接作用,補(bǔ)償減速機(jī)器內(nèi)部和推力軸承的潤滑油,均衡密封腔內(nèi)外壓力;而系統(tǒng)提供的防護(hù)器則可以阻止井液流入系統(tǒng),補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)部的電油損失,并且可以有效地均衡系統(tǒng)內(nèi)部氣壓,從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(4)聯(lián)軸體:減速器輸出軸的固定軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為螺桿泵轉(zhuǎn)子的行星偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。內(nèi)置推力軸承承受螺桿泵轉(zhuǎn)子反饋的軸向載荷,并將其傳遞至軸套,最后將其轉(zhuǎn)化為抽油管承受的張力。

(5)變頻器:一是保護(hù)電機(jī)而實(shí)施軟啟動,二是使螺桿泵達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)使用壽命而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

2 潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的國內(nèi)外的發(fā)展及前景

2.1 潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的發(fā)展

(1)20世紀(jì)30年代,螺桿泵在法國誕生。此后,它被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的各種領(lǐng)域,如化工、生產(chǎn)、食品、污水處理等[8]。

(2)20世紀(jì)50年代,螺桿泵在國外被首次應(yīng)用于石油生產(chǎn)和開采中,并逐步批量應(yīng)用于中國石油生產(chǎn)系統(tǒng)。經(jīng)過了多年的研究和實(shí)踐,該型采油設(shè)備在生產(chǎn)高黏度和聚合物含量的原油方面的應(yīng)用效果非常好。不過,由于當(dāng)時抽油桿等設(shè)備的技術(shù)還不完善,且裝置的深度也還不夠大。為了解決這個問題,我們開發(fā)了一種電潛泵生產(chǎn)系統(tǒng),以提高效率和質(zhì)量[7]。

(3)由于螺桿泵在開發(fā)石油應(yīng)用領(lǐng)域的普及,單螺桿泵采油系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,它具有揚(yáng)程高、排量大、適合深井使用等優(yōu)勢,并已經(jīng)發(fā)展出單頭、雙頭和三頭產(chǎn)品,為開發(fā)石油行業(yè)帶來了巨大的改變[9]。

(4)1998年,開發(fā)了新型平行潛油螺桿泵采油系統(tǒng)。這種泵的不同之處在于,它的頂部右側(cè)與電機(jī)相連,并經(jīng)過聯(lián)軸器與左側(cè)的蝸桿泵相連。電子和轉(zhuǎn)子的協(xié)同工作有助于抵抗軸向力,因此可能用于內(nèi)徑較小的油管,從而提高系統(tǒng)的效率和可靠性[10]。

(5)進(jìn)入21世紀(jì),隨著國內(nèi)對國外技術(shù)的引進(jìn)、加工制造技術(shù)發(fā)展和材料科學(xué)的進(jìn)步,國內(nèi)油田、采油設(shè)備生產(chǎn)廠商與高校和研究院對歐美技術(shù)的持續(xù)跟進(jìn),先后研制出空心轉(zhuǎn)子螺桿泵和不同工作環(huán)境的定子材料,使螺桿泵可以適應(yīng)更加惡劣的工作環(huán)境[11]。我國潛油螺桿泵技術(shù)研究已經(jīng)大大縮小了與歐美先進(jìn)國家的差距。

2.2 潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

在大排量潛油電泵上井作業(yè)中,采用螺桿泵代替電泵。螺桿泵的轉(zhuǎn)速可達(dá)180rpm,每日產(chǎn)液量可達(dá)200萬升,動態(tài)表面可以保持在300m以內(nèi),每日產(chǎn)油量超過7t,完全滿足了電動泵采油的需求。

由于潛油螺桿泵采油系統(tǒng)成本低、功耗低、維護(hù)成本低,適合開采高黏度、高聚合物含量的原油,并且由于其井上單元相對較小,被廣泛應(yīng)用于沼澤地區(qū)、水平井、斜井、海上作業(yè)等。在我國渤海灣地區(qū),如渤海油田、遼河油田、勝利油田等,其應(yīng)用較為廣泛[12]。因此,這種采油技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少。

許多國外石油公司對潛油螺桿泵提出了新的發(fā)展方向,如金屬定子潛油螺桿泵、合成材料潛油螺桿泵,等壁厚定子潛油螺桿泵,多吸入口潛油螺桿泵和插入式潛油螺桿泵[12-13]。這些研究目前正在進(jìn)行,并取得了一定的成果。英國石油公司已將插入式潛油螺桿泵投入使用,但結(jié)果并不顯著,這表明對潛油螺桿泵的研究仍需繼續(xù)。

3 對潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的完善和研究重點(diǎn)

3.1 對潛油螺桿泵采油系統(tǒng)中各種設(shè)備的完善

(1)為了延長潛油螺桿泵的使用壽命,應(yīng)采用更合理的連接方式,科學(xué)調(diào)整轉(zhuǎn)子表面參數(shù)[14]。另外,當(dāng)螺桿泵的油量在不同的油區(qū)變化很大時,還會對橡膠的壽命造成很大危害。如果不注意,橡膠的使用壽命可能會嚴(yán)重受損,甚至失去功能[15]。所以,在生產(chǎn)螺桿泵中,要認(rèn)真地根據(jù)不同油品的參數(shù),合理設(shè)置橡膠組分,從而降低了油品中橡膠的不良作用,延長了螺桿泵的使用壽命,降低維護(hù)成本。

(2)為了更好地掌握井下的實(shí)時狀況,應(yīng)在井下裝置的重要部位安裝溫度控制感應(yīng)器或氣壓感應(yīng)器[16],以便及早獲取井下的實(shí)時信息,并將其傳輸給監(jiān)控單位。管理單位應(yīng)該依據(jù)獲取的準(zhǔn)確信息,及時調(diào)整設(shè)備,以避免出現(xiàn)管理疏忽,從而減少可能發(fā)生的事故,延長螺桿泵的使用壽命。

(3)對傳動部件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),包括提高聯(lián)軸器內(nèi)推力軸承軸向承載能力、優(yōu)化減速器傳動方式和研制耐高溫密封件等。

(4)采油井效率及能耗。需要建立一套完整的定量分析和定性評價分析方法,從理論和試驗(yàn)分析上研究效率和能耗。

3.2 制定科學(xué)合理的使用規(guī)則

(1)為充分發(fā)揮潛油螺桿泵生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)勢,在選井時應(yīng)注意幾點(diǎn):應(yīng)盡量選擇黏度、含沙量適中的油井,這樣有利于設(shè)備的順利下放,減少螺桿泵的損壞;選合適的井深;液面在井口時,優(yōu)化螺桿泵工藝;日液面要求維持在10～350t;大型泵、電動泵改用螺桿泵時,空心抽油桿應(yīng)盡可能使用;還必須保證螺桿泵井下部分以上套筒不發(fā)生任何變形。

(2)在技術(shù)要求方面,泵懸掛深度以上的套管內(nèi)徑必須符合規(guī)定,一般不得低于124mm,泵的傾斜度不得超過三度;原油的黏度應(yīng)當(dāng)保持適當(dāng),含砂量不得過高;螺桿泵的提升高度應(yīng)當(dāng)與液位保持一致。當(dāng)螺桿泵的泵懸掛深度低于800m時,提升液的最大量必須不超過350m3/t,而當(dāng)泵懸掛高度在800～1000m之間時,提升液的最大量則必須低于150m3/t,以確保安全運(yùn)行。

3.3 潛油螺桿泵的研究重點(diǎn)

潛油螺桿泵在石油開采中發(fā)揮著越來越重要的作用,其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也在逐步完善。因此,相關(guān)技術(shù)要求也在逐步提高。潛油螺桿泵需要適應(yīng)不同的環(huán)境,以確保其能夠應(yīng)用于各種環(huán)境。

潛油螺桿泵的研究重點(diǎn)可分為以下幾點(diǎn):

(1)重視大排量、高揚(yáng)程潛油螺桿泵的研發(fā);

(2)注意提高潛油螺桿泵的節(jié)能效果;

(3)減少潛油螺桿泵的泄漏,提高其環(huán)保效果;

(4)提高潛油螺桿泵的性能,提高其耐磨性、耐高溫性和耐腐蝕性。使用新技術(shù)制造潛油螺桿泵,并使用新技術(shù)處理潛油螺桿泵表面,以提高潛油螺桿泵的使用壽命;

(5)增加潛油螺桿泵的應(yīng)用范圍,使其能夠在惡劣條件下使用;

(6)重視螺桿泵型面的研究。在螺旋外擺線、漸開線和組合曲線的基礎(chǔ)上,增加了一種新的螺旋泵型面,該型面應(yīng)具有密封和傳力性能;

(7)研究潛油螺桿泵的相關(guān)智能軟件,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對潛油螺桿泵進(jìn)行控制。

結(jié)語

潛油螺桿泵是當(dāng)代最新的采油設(shè)備,對石油開采具有重要意義。然而,它仍然存在許多問題,需要研究和改進(jìn)。有關(guān)部門應(yīng)了解潛油螺桿泵的特點(diǎn),根據(jù)我國石油儲量的具體情況,設(shè)計(jì)適合我國油氣使用的潛油螺桿泵,使?jié)撚吐輻U泵在我國得到更好的應(yīng)用,具有更好的發(fā)展前景。潛油螺桿泵生產(chǎn)系統(tǒng)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和節(jié)能優(yōu)勢,符合正確發(fā)展理念的要求,為建設(shè)良好環(huán)境和資源節(jié)約型經(jīng)濟(jì)社會做出了貢獻(xiàn)。因此,國家應(yīng)加強(qiáng)潛油螺桿泵采油系統(tǒng)的研究和利用,深入探索其工作原理,分析哪些環(huán)節(jié)可以改進(jìn),尋找更多合適的材料,勇于創(chuàng)新,充分發(fā)揮潛油螺桿泵供油系統(tǒng)的優(yōu)勢。