電動潛油螺桿泵技術(shù)現(xiàn)場節(jié)能應用

侯立泉 許洋 段志成（大港油田公司第三采油廠）

大港南部油田以復雜斷塊油藏為主，原油物性差，屬于高凝、高黏、高含臘膠質(zhì)稠油、低滲透油田，經(jīng)多年開采已步入中后開發(fā)期。截至目前，南部油田油井開井1 220口，平均單井日產(chǎn)液27 m3，日產(chǎn)油3.2 t。其中，機械采油井有1 154口，人工舉升工藝以常規(guī)有桿泵、電動潛油泵和撈油的采油工藝為主。

大港南部油田原油物性較差，如自來屯、沈家鋪、官三沙一、官195等區(qū)塊原油黏度大，平均為900～3 000 mPa·s，部分井高達 20 000 mPa·s；其他大部分區(qū)塊含蠟量高，高達20%～30%；凝固點高，凝固點在30℃以上，部分井高達40℃。為了解決原油井筒流動難題，應用電熱桿加溫或在井口加裝電加熱器，升溫摻水后倒地下?lián)剿a(chǎn)。這些措施雖然短期緩解了油稠問題，但生產(chǎn)運行費用太高，且出現(xiàn)了結(jié)垢、腐蝕等新問題。

1 電動潛油螺桿泵技術(shù)研究

1.1 工作原理

利用潛油電纜將電力傳送給井下潛油電動機，由電動機直接驅(qū)動螺桿泵，將井液經(jīng)螺桿泵增壓后舉升到地面。整機由控制系統(tǒng)、潛油永磁同步電動機、保護器、聯(lián)軸器、螺桿泵、潛油電纜、電泵井口等組成[1]（圖1）。

1.2 螺桿泵定子

在人工舉升工藝定子有5種主要橡膠類型（表1）。其中：NBR標準丁腈橡膠適用于中質(zhì)油、重油、含砂、含氣的油井；HNBR氫化丁腈橡膠適用于高溫和含砂的油井；FKM氟碳橡膠適用于輕油、高芳香烴含量的油井[2]。

表1 不同組分橡膠性能對比

1.3 螺桿泵轉(zhuǎn)子

最優(yōu)定子、轉(zhuǎn)子間隙配合需要考慮泵吸入口處井液溫度、泵的幾何尺寸、橡膠類型、橡膠與油液的配伍性、油的重度等因素。橡膠在井下受溫度影響產(chǎn)生熱膨脹，因油液和芳香烴影響而產(chǎn)生化學膨脹，因此需要優(yōu)化間隙配合。通過預期膨脹，選擇合適的轉(zhuǎn)子來優(yōu)化泵效和提高其運行壽命，過緊的定子、轉(zhuǎn)子配合間隙會造成泵的提前失效。輕油中有時存在苯系芳香烴，容易造成定子橡膠的膨脹，需要考慮降低轉(zhuǎn)子尺寸。在舉升稠油（超稠油）時，由于內(nèi)部泄漏比較小，宜采用較小過盈量。出砂井對泵有磨蝕作用，較緊的過盈配合能減小內(nèi)部泄漏，減輕磨蝕[3]。

圖1 電動潛油螺桿泵的組成及整機圖片

1.4 控制系統(tǒng)

具有電動機啟停及保護、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)字化遠程智能控制的功能。

1.5 潛油永磁同步電動機

永磁同步電動機主要由轉(zhuǎn)子、端蓋及定子組成。永磁同步電動機的最大特點是其定子結(jié)構(gòu)與普通感應電動機的相似，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和普通感應電動機的不同，在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極。永磁同步電動機具有低速扭矩大、無轉(zhuǎn)差損耗、無轉(zhuǎn)子損耗、效率80%以上、多節(jié)轉(zhuǎn)子串聯(lián)的特點（圖2）。

圖2 潛油永磁同步電動機構(gòu)造

1.6 保護器

高推力保護器可承擔60 kN軸向力，膠囊、沉降多種組合，適應多種井況要求，增加了傳動軸強度，適合低速大扭矩傳動要求。

1.7 聯(lián)軸器

高耐磨、耐腐蝕徑向軸承設(shè)計，保證驅(qū)動端軸運轉(zhuǎn)精度；高推力設(shè)計，保證大軸向推力下聯(lián)軸器可靠性；大擺角設(shè)計，適應更多泵型。

1.8 井下測溫測壓裝置

電動潛油螺桿泵井下測溫測壓裝置是一套高精度、數(shù)字式的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。它與電動潛油螺桿泵組成一套完整的單井采油系統(tǒng)，完成電動潛油螺桿泵井下溫度、壓力等參數(shù)的測量；同時還可以根據(jù)用戶的需要，提供多參數(shù)、高性能的監(jiān)測系統(tǒng)，通過潛油螺桿泵監(jiān)測系統(tǒng)采集和分析數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測油井動態(tài)變化和潛油螺桿泵機組工作狀態(tài)；根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)機組運轉(zhuǎn)，提高油井產(chǎn)量，最大化延長潛油螺桿泵機組的壽命，降低采油成本。

2 電動潛油螺桿泵技術(shù)與現(xiàn)有人工舉升方式的對比

1）無桿采油，避免桿管磨損。避免了桿柱斷脫、桿管磨損及動力損耗，無需抽油機地面設(shè)備和抽油桿，節(jié)約鋼材；占地面積小，井口無泄漏，無噪聲，安全系數(shù)高；可靠性高，維修費用低[4]。

2）適合斜井、水平井、稠油井、含砂井、含氣井開采。不同舉升工藝設(shè)備適用井況對比見表2。

3）整機效率提升，節(jié)能效果優(yōu)異。電動潛油螺桿泵整機效率曲線見圖3。

4）系統(tǒng)壽命長，且保護功能齊全。無需減速器裝置，避免該故障點，具有過載、過壓、欠壓、短路等保護功能，解決潛油電纜的反射波和漏電問題，實現(xiàn)永磁同步電動機防退磁設(shè)計，增加螺桿泵防反轉(zhuǎn)功能。

表2 不同舉升工藝設(shè)備適用井況對比

圖3 電動潛油螺桿泵整機效率曲線

5）實現(xiàn)數(shù)字化遠程智能控制。油井數(shù)據(jù)實時采集，油井遠程啟?？刂?，油井產(chǎn)液量調(diào)控，油井運行工況診斷，油井報警監(jiān)控，對油井結(jié)蠟工況提供輔助判斷。

3 電動潛油螺桿泵的排量及揚程選擇

選擇泵的排量，所選泵理論排量大于要求排量除以1.5，泵吸入口GVF小于50% （GVF=氣體流量/三相流體流量），如果大于50%使用HR轉(zhuǎn)子（或者調(diào)整泵掛至油層以下，或者安裝氣錨提高氣體分離效率，或者降低排量）?？倝侯^小于泵最大揚程的70%，安裝壓力傳感器的井沉沒度不少于100 m，未安裝壓力傳感器的井沉沒度不少于300 m。如果沉沒度過低需要確認是否能加深泵掛或者減小排量。電動潛油螺桿泵性能參數(shù)與適用技術(shù)條件見表3。

表3 電動潛油螺桿泵性能參數(shù)與適用技術(shù)條件

4 現(xiàn)場試驗應用

4.1 自來屯油田

自11-12井為自來屯油田1口抽油機井，地層日產(chǎn)液4.5 m3，日產(chǎn)油1.6 t。該井原油為稠油，80℃時原油黏度為2 778.72 mPa·s，20℃時原油相對密度為0.971 7，凝固點24℃，含蠟量3.6%，且地層出砂。常規(guī)抽油機井生產(chǎn)時需利用套管摻水12 m3/d進行伴熱，且摻水需使用電加熱器（功率40 kW）升溫，電加熱器日耗電960 kWh。由于稠油的影響，生產(chǎn)載荷頻繁變化，且能耗巨大，為此轉(zhuǎn)換舉升方式，試驗應用電動潛油螺桿泵生產(chǎn)。2018年2月7—10日，在該井應用電動潛油螺桿泵，開井后停掉地下?lián)剿?，油井生產(chǎn)正常，日產(chǎn)油升至2.2 t。

4.2 沈家鋪油田

家37-43-1井為沈家鋪油田1口電泵井，地層日產(chǎn)液10.8 m3，日產(chǎn)油7.5 t，每日需套管倒地下?lián)剿?6 m3。該井原油物性較差，80℃時原油黏度為2 580.28 mPa·s，20℃時原油相對密度為0.965 5，凝固點30℃，含蠟量7.79%。由于地層供液較差，電泵電動機散熱慢，自2016年11月至2018年6月電泵生產(chǎn)期間共檢電作業(yè)5次。2018年6月26日，結(jié)合檢電上修作業(yè)轉(zhuǎn)電動潛油螺桿泵生產(chǎn)，日產(chǎn)油保持穩(wěn)定在7.3 t。

4.3 節(jié)能及經(jīng)濟效果評價

自11-12井應用電動潛油螺桿泵，開井后停掉地下?lián)剿?，油井生產(chǎn)正常，日產(chǎn)油升至2.2 t，日耗電僅70 kWh；而利用抽油機井套管摻水生產(chǎn)時日耗電1 325 kWh，實現(xiàn)日節(jié)電1 255 kWh，節(jié)電率94.7%。年減少耗電量45.18×104kWh，折合36.144萬元，電動潛油螺桿泵及電纜投入費用為50萬元，投入產(chǎn)出比1∶0.72。

家37-43-1井轉(zhuǎn)電動潛油螺桿泵生產(chǎn)后日耗電256 kWh，實現(xiàn)日節(jié)電1 044 kWh，節(jié)電率80.3%。電泵年耗電46.8×104kWh，電動潛油螺桿泵年耗電9.344×104kWh，年減少耗電量37.456×104kWh，折合29.96萬元。電動潛油螺桿泵及電纜投入費用50萬元?？紤]年電泵檢泵費用為33萬元，年綜合創(chuàng)效63.5萬元。投入產(chǎn)出比1∶1.27。

截至目前，應用電動潛油螺桿泵的井共11口。應用后日產(chǎn)油增加22.8 t，日節(jié)電17 283 kWh，節(jié)電率89%，累計節(jié)電288.29×104kWh。

5 結(jié)論及建議

1）電動潛油螺桿泵可實現(xiàn)稠油冷采。在低含水、出砂、高黏、高凝稠油井中，電動潛油螺桿泵可實現(xiàn)稠油冷采，降低稠油井運行能耗，節(jié)能效果顯著，具有較好的工藝適應性，對應用電熱桿、電加熱器、低液量電泵等高能耗稠油井的綜合效益明顯。

2）電動潛油螺桿泵可實現(xiàn)無桿采油。避免桿管磨損、斷脫及動力損耗，解決桿管偏磨、泵砂卡等問題，支撐井叢場復雜結(jié)構(gòu)井，對大井斜、大全角變化率油井有更好的適應性[6]。

3）電動潛油螺桿泵具有智能控制系統(tǒng)，通過建立數(shù)學模型，實現(xiàn)恒定動液面控制，杜絕“干抽”，可有效延長機組運行壽命。

4）揚程及排量需要進一步提高。目前液量與下泵深度受限，因配套電動機舉升能力的影響，目前最高日產(chǎn)液80 m3（下深不能超過1 000 m），低液量井最大下深2 300 m以內(nèi)，適用范圍受限。

5）整機費用有待降低。目前電動潛油螺桿泵、電力電纜、地面配套控制柜費用較高，依靠常規(guī)工藝設(shè)備進行生產(chǎn)的油井應用該技術(shù)經(jīng)濟效益欠佳，其尚不具備推廣價值；因此，需要通過科研攻關(guān)、降低成本費用等舉措，使得此采油新技術(shù)在稠油井進一步推廣應用。