彭永刚

(大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453)

当前，在大庆油田外围采油厂油井开采过程中，主要以抽油机举升方式为主，因其具有工作性能可靠、后续维护简单、工艺成熟等优点，得到了用户的认可[1-4]。由于本身结构特点，在低产井、大斜度井应用时，举升系统效率低、能耗高、抽油杆和油管偏磨严重[5-9]。据统计，举升扬程在1 400～1 800 m低产区块的采油井，单井日产液量不足10 m3，平均泵效不足28%，平均系统效率仅为16.4%，很大程度上影响了原油的开采成本[10-13]。

近年来，大庆油田采油工程研究院针对有杆泵举升存在杆管偏磨严重、能耗高、地面设备有安全隐患等问题，研制出了120泵型、200泵型、240泵型3种规格的螺杆泵，以及15 kW、22 kW 2种直驱潜油电机，能够满足举升扬程在1 000 m以内、排量在10～80 m3/d采油井的举升要求[14-17]。现场试验20多口井，取得了较好的应用效果和经济效益。为解决大庆油田外围采油厂举升扬程在1 800 m以内低产区块的采油井举升问题，在现有潜油直驱螺杆泵技术基础上，对机组优化升级，成功研制出举升扬程在1 800 m以内，排量10 m3/d以下的小排量高扬程潜油直驱螺杆泵，并开展了现场试验，取得了良好的效果，为大庆油田外围采油厂的经济有效开采提供了新的人工举升方式。

1 潜油直驱螺杆泵系统

1.1 结构组成

潜油直驱螺杆泵采油系统如图1所示，主要包括地面控制部分、电缆、井下机组和配套的井下工具。其中，地面控制部分包括地面控制柜、接线盒及电泵井口；潜油电缆包括大扁电缆和小扁电缆；井下机组自下而上包括潜油电机、电机保护器、轴承组及保护器、方向节联轴器和专用螺杆泵。配套井下工具包括锚定工具、刚性扶正器、单流阀和泄油阀。

图1 潜油直驱螺杆泵系统示意

1.2 工作原理

潜油电机置于井下机组的底端，通过中间动力传递系统的输出轴与专用螺杆泵的转子下端连接，整个连接自上而下为同轴连接。地面输入的三相电源通过地面控制柜、接线盒和电缆输送给井下潜油电机，潜油电机的定子绕组中就会形成旋转的电磁场，安装永磁体的转子由于磁极是固定的，根据磁极同性相吸异性排斥的原理，在定子中产生的旋转磁场就会带动转子进行旋转，最终达到转子的转速与定子中产生旋转磁极的转速相等。专用螺杆泵在潜油电机的带动下做旋转运动，抽汲井液，经油管将井液举升到地面。通过调节地面变频控制柜输出频率，对潜油电机输出的转速进行无级调节。通过控制柜对输出电压和电流进行模糊控制，保证潜油电机转矩输出。

1.3 机组优化

通过对潜油电机电磁方案优化设计，提高了散热能力，增加了机械强度。改进转子工艺,提高了槽满率。为了降低在启动过程中长线电缆的电压降损耗，提高启动能力，将潜油电机的工作电压由380 V提高到660 V。参数优化后增强了电机的转矩及其稳定性，功率密度更大，过载能力由原来的1.5倍提高到1.8倍，井下耐压由20 MPa提高到25 MPa，井下耐温由150 ℃提高到200 ℃。

专用螺杆泵是在原有基础上进行了橡胶材料优选和制造工艺改进，通过优选采油井，现场取样的方式来进行橡胶配伍性试验。将现场取回的井液加温到90 ℃，然后将不同类型的橡胶材料浸泡在加温后的井液中，观察并测量橡胶的体积、质量、硬度的变化量，最终定型了橡胶专用配方为氢化丁腈橡胶。氢化丁腈橡胶能够保证其耐温、耐磨和耐溶胀性能。

对专用螺杆泵的偏心参数和间隙参数进行科学设计，利用潜油泵高速时所具有的离心泵特性，使定转子运动副之间更易于形成流体润滑，从而避免常规泵启动时产生的粘附启动转矩，同时还降低了泵的摩擦转矩和磨损。

螺杆泵初始过盈δ0及偏心调整量ΔE分别为：

δ0=δ-(δ1+δ2)

(1)

ΔE=(δ1+δ2-δ3)/4

(2)

螺杆泵转子设计直径d及偏心e分别为：

d=D+δ0

(3)

e=E+ΔE

(4)

式中：δ为目标过盈量，mm；δ0为初始过盈量，mm；δ1为短轴热胀量，mm；δ2为短轴溶胀量，mm；δ3为长轴尺寸变化量，mm；d为转子直径，mm；e为转子偏心，mm；D为定子直径，mm；E为定子偏心，mm。

以普通GLB120型螺杆泵与QYLB120型潜油专用螺杆泵为例，转矩试验对比如图2所示。试验条件：转速150 r/min，介质为清水，环境温度为常温，出口压力7 MPa。从图2中可以看出，设计的潜油专用螺杆泵没有启动波峰，不仅启动转矩小，而且正常工作时摩擦转矩也小，从而使整个系统负荷减小，提高了系统可靠性，延长系统寿命。

图2 普通螺杆泵与潜油专用螺杆泵转矩试验对比曲线

通过改进专用螺杆泵的加工工艺，使橡胶与专用螺杆泵定子粘接性能提高；通过采用菱形钢砂磨料，增大了定子表面粗糙度，增加粘接面积；通过粘接剂雾化、旋转喷涂工艺保证涂胶质量，最终制造出小排量高扬程潜油直驱专用螺杆泵。

2 室内试验

为了验证优化后潜油直驱螺杆泵机组的性能，对其进行室内试验。试验对象为QYLB14-24型泵，其额定转速300 r/min、额定电压660 V、额定功率7.5 kW。试验条件：介质温度90 ℃，试验介质为清水。通过试验井井口憋压的方式测试不同转速、不同扬程下泵的容积效率。图3为专用螺杆泵在额定转速下容积效率随举升压力变化曲线。

图3 额定转速下泵容积效率随举升压力变化曲线

由图3可以看出，专用螺杆泵在额定转速下泵容积效率随举升压力的升高而降低，在举升压力为7.5 MPa条件下，容积效率达到100%；在举升压力19 MPa条件以内，容积效率均能达到60%以上。可见，优化后的小排量高扬程潜油直驱螺杆泵机组能够满足大庆油田外围采油井举升扬程在1 800 m以内的需求。

3 配套技术

3.1 油管内除蜡系统

为解决小排量高扬程潜油直驱螺杆泵在举升过程中因蜡堵造成能耗高，以及停机问题，配套了油管内除蜡系统。该系统主要由井下配重、井下加热体(如图4所示)和地面控制系统组成。其工作原理是：将地面提供的电能转变成磁热能，对油管内的原油进行加温和磁化，使其渗透率、流动性增加，从而降低举升设备能耗。

图4 井下加热体结构

井下配重是连接在井下加热体底部，避免出现井下加热体在下井过程中因油管内液体浮力大于重力，致使井下加热体无法下到油管内部。井下加热体是油管内除蜡系统的核心部分，一般下到油管内600～800 m位置，三芯电缆在井下做星型连接，井口端供三相电源，实现井下除蜡目的。地面控制采用微电脑数字化自动控制技术，性能稳定，可以设置加热温度、加热周期，可对缺相、过压、过流、短路等故障自动保护，具有识别显示功能。

3.2 地面控制系统

为了实现优化后的机组平稳控制，研制了660 V专用地面变频控制系统。整个变频系统内部结构包括输入整流单元、直流滤波储能单元、信号检测回路、伺服驱动逆变单元及能耗制动单元；控制上使用无编码器全闭环直接转矩控制模式，具有电机软启动、软停车和平滑调速特性，并对电器的过压、过流、短路等故障具有保护功能。在变频控制系统内置制动电阻，当系统停机时，通过外部电路的常闭交流接触器使电机立即切换到制动电阻回路中，将电机反转产生的电能在制动电阻上消耗掉。

研制的地面高性能伺服变频地面控制系统如图5所示。对永磁潜油电机转子速度、位置以及定子电流进行闭环控制，柔性平滑驱动电机，实现整个系统平稳驱动。通过GPRS传送到上位机的电机电压、电流、速度、功率等实时数据，可以进行远程日常监控和工况分析。

图5 地面变频调控原理

3.3 锚定装置

由于潜油专用螺杆泵的转子在定子内转动产生的摩擦转矩直接作用于定子，该转矩会使泵上部的正扣油管倒扣，造成管柱脱扣，因此潜油螺杆泵井的管柱也必须实施防脱扣措施。研制了锚定装置如图6所示，由活动爪、滑套、长滑道和短滑道组成。常态下活动爪处于闭合状态，此时滑套处于长滑道内。工作状态下，活动爪张开，此时滑套处于短滑道上。为了防止损坏电缆，锚定装置安装在电机尾部，起到有效锚定和扶正作用。

图6 锚定装置

锚定装置在坐封过程中，应注意观察作业机上的悬重表指针，最好的状态是大部分载荷悬挂在井口悬挂器上，小部分载荷压在锚定装置上，这样既能保证机组在受压的情况下不弯曲，又能防止机组在工作过程中油管倒扣。

4 现场应用

为了验证小排量高扬程潜油直驱螺杆泵应用效果，在前期优选取样采油井上开展2口井试验，具体情况如表1所示。

表1 应用小排量高扬程潜油直驱螺杆泵举升前后采油井生产参数

续表1

由表1可以看出，应用小排量高扬程潜油直驱螺杆泵举升前，2口试验井采用抽油机方式举升，2口试验井均采用ø38 mm抽油泵，平均泵挂深度1 248.5 m，平均日产液量5.05 m3，平均动液面深度959.5 m，平均泵效16.7%；应用小排量高扬程潜油直驱螺杆泵举升后，2口试验井采用QYLB14-24型潜油直驱螺杆泵，平均泵挂深度1 802.5 m，平均日产液量6 m3，平均动液面深度1 182.5 m，平均泵效65.35%；应用前后平均泵挂加深554 m，平均泵效高了48.65%。可见，应用小排量高扬程潜油直驱螺杆泵举升后不仅彻底解决了因加深泵挂带来的杆管偏磨问题，而且泵效更高。

为了进一步分析小排量高扬程潜油直驱螺杆泵节能效果，对2口试验井的吨液百米耗电、吨液百米节电率进行了对比，具体结果如表2所示。

表2 应用小排量高扬程潜油直驱螺杆泵举升前后采油井节能数据对比

由表2可以看出，采用抽油机方式举升时，A井吨液百米耗电2.87 kW·h，B井吨液百米耗电2.76 kW·h；采用小排量高扬程潜油直驱螺杆方式举升时，A井吨液百米耗电0.99 kW·h，B井吨液百米耗电1.15 kW·h；应用小排量高扬程潜油直驱螺杆泵举升前后，A井吨液百米节电率65.51%，B井吨液百米节电率58.33%。可见，潜油直驱螺杆机组优化后具有较高的节能效果。

2口试验井在配套油管内除蜡系统前，采用定期在井口加入化学药剂和罐车热洗的方式清蜡，这种组合式方式不仅费时、费力，而且受天气情况制约会导致不能按时加入化学药剂或热洗井，影响采油井正常生产。

为了避免因蜡堵影响采油井正常生产，2口采油井均配套了油管内除蜡系统，应用油管内除蜡系统前后情况如表3所示。

表3 应用油管内除蜡系统前后对比数据

由表3可以看出，2口采油井在应用小排量高扬程潜油直驱螺杆泵举升技术前，采用井口化学加药方式进行防蜡，平均加药周期为10 d，而且每月要利用罐车进行1次热洗井。应用油管内除蜡系统后，平均加热周期为15 d，省去了每月定期加入化学药剂和热洗井工作量。

经计算，单井每年需要热洗井12次，采用油管内除蜡系统后，省去了热洗井工作量。单井热洗费用按照0.2万元/次计算，年节约热洗井费用￥2.4万元；单井年加化学药剂费用按1万元/井，单井年清蜡费用共节约￥3.4万元。油管内除蜡系统每15 d需要进行加热一次，加热时间为24 h，每次耗电量为720 kW·h，电费按照1元/度计算，单井年耗电费用￥1.728万元，两口采油井年节约清蜡费用共￥3.344万元。可见，避免蜡堵影响采油井正常生产的情况下，单纯考虑清蜡费用，油管内除蜡系统清蜡费用更低。

5 结论

1) 室内试验得出，优化后的机组在额定转速300 r/min、试验介质为清水的情况下，举升压力19 MPa条件以内，泵容积效率均能达到60%以上，能够满足大庆油田外围低产采油井举升扬程在1 800 m以内的需求。

2) 现场应用表明，相比于抽油机举升方式，小排量高扬程潜油直驱螺杆泵具有更好的举升效果；配套的油管内除蜡系统与定期化学加药和热洗的组合清蜡方式相比,不仅清蜡费用低、清蜡及时，而且避免了因蜡堵影响采油井正常生产。

3) 下一步，继续扩大现场试验井规模，进一步验证小排量高扬程潜油直驱螺杆泵性能的可靠性及节能效果。