潜油低速电机驱动螺杆泵举升技术

潜油低速电机驱动螺杆泵举升技术

摘 要：随着我国石油工业的发展，采用斜井、水平井开发高含砂井、稠油井的数量逐渐增多，由于井斜、出砂等因素造成了抽油机井、电潜泵油井生产周期短。因此，开展潜油低速电机驱动螺杆泵举升技术的研究。该技术结合了螺杆泵和电潜泵的优点，采用井下永磁同步低速电机直接驱动螺杆泵，实现对斜井、稠油含砂井的高效长寿举升。用无抽油杆举升方式能彻底解决抽油杆脱扣、管杆偏磨等问题，并减少了抽油杆传递功率损耗，实现了螺杆泵在水平井段、大斜井段的举升，扩展了该技术应用的范围，最终达到节能降耗、延长油井免修期的目的，具有较好应用前景。

关键词：无杆采油 潜油直驱 螺杆泵

随着油田的开发，油井含水不断升高，斜井、水平井、高含砂井、稠油井逐渐增多，给使用有杆泵和电潜泵举升的油井带来了较多的问题。潜油低速电机驱动螺杆泵是以潜油低速电机直驱螺杆泵举升的一种新型无杆机械采油装置，具有不存在管杆偏磨，对稠油井、高含气井、含砂井适应性好，容积效率高，高效节能等优点。

一、技术分析

潜油低速电机驱动螺杆泵结合了螺杆泵和电潜泵的优点，井下泵采用螺杆泵，发挥其对稠油、含砂井、含气井适应性强的优点；同时吸取电潜泵的长处，将螺杆泵的地面驱动变成潜油电机在井下直接驱动，去掉了抽油杆及井下减速机构，使其可用于定向井和斜井，由于是无杆采油系统，因此能彻底解决因抽油杆螺纹和接箍原因所造成的脱扣、断杆及偏磨等问题，同时也减少了抽油杆、减速器传递的功率损耗。

1.系统结构

潜油低速电机驱动螺杆泵举升技术是一种采用潜油低速电机直接驱动螺杆泵的井筒举升技术。为匹配泵负载的输入特性，系统采用了多极、高启动转矩潜油电机，在潜油电机和螺杆泵之间采用了柔性联轴器，而地面控制采用了高启动转矩的变频控制柜，对整个系统进行了机电及控制一体化设计。潜油低速电机驱动螺杆泵采油系统由井下、地面及电力传动三部分组成。井下部分主要有螺杆泵、联轴器、保护器和潜油低速电机；地面部分主要有控制柜和井口等；电力传动部分有电缆和电缆卡子。

2.工作原理

潜油低速电机驱动螺杆泵机组将低速电机、保护器、偏心联轴器、螺杆泵和电缆下入井内，螺杆泵与油管及地面管线连接。地面电网电源经过变压器、控制柜及接线连接后，经电缆将电能送至井下低速电机，低速电机旋转经过保护器及

联轴器直接驱动螺杆泵，将井液举升到地面。系统结构如图1所示。

3.主要技术参数

3.1额定转速300rpm；

3.2额定扭矩500N.m；

3.3额定功率30kW；

3.4电机耐温高于180℃；

3.5适用于7’以上套管。

1-油管锚 2-低速电机 3-保护器 4-偏心联轴器 5-螺杆泵 6-油管扶正器 7-防砂卡装置 8-电泵井口 9-接线盒 10-电缆 11-控制柜 12-变压器

4.特点

4.1与普通潜油螺杆泵抽油系统相比，潜油低速电机驱动螺杆泵技术采用低速永磁同步电机直接驱动螺杆泵，省略了减速机构，系统运行效率高、可靠性好；

4.2转速可无级调节，操作简单方便；

4.3这种铁芯构成的永磁同步电机具有低噪音，运行平稳，响应快，质量可靠等特点。

二、关键设计

1.井下低速永磁同步电机研制

井下低速永磁同步电机的结构原理是：在转子上镶上永磁体，由永磁体产生磁场，使电机运转时转子与定子磁场同步，转子不产生感应电流，基本上没有电阻损耗，使电机的功率因数接近于1，从而达到节能的目的。

电机由定子、转子、电机头、电缆头、底部密封头、止推轴承等组成，电机整体采用9槽10极结构。电机定子主要由叠压硅钢片、绕组、电机绝缘、定子外壳等组成。电机定子绕组结构为9极10槽结构，总体性能高，适合正弦波永磁同步电动机。电机转子主要由转子芯轴、永磁体、扶正轴承等组成。对于低速电机而言，为降低电机的同步转速，在设计上采用了多极结构。并且，合适的多极结构可以提供更多的有效磁通，可降低电机的额定电流，提高电机的效率。

2.潜油低速电机驱动螺杆泵控制及调速技术

潜油低速电机驱动螺杆泵控制及调速系统主要以变频调速控制器为核心，配套滤波器、电流记录仪、井口流量检测装置、螺杆泵井智能监控装置等组件。

系统工作原理：通过井口流量数据采集器动态采集油井出油信号，适时监测井下动液面及井口流量的变化，由系统进行综合评价，智能监控控制器根据综合评价结果进行调整，将控制信号输出至变频控制器，调整潜油电机的运行频率，从而实现潜油电机速度调整，使螺杆泵生产参数趋于合理，达到增产节能的目的。

潜油低速电机驱动螺杆泵控制及调速系统的作用是通过调节工作频率来实现电机无级调速，保护螺杆泵采油系统的正常运行，具有控制电机启动、停止、缺相保护、过载保护、电流、电压显示等功能。

3.生产管柱配套

潜油低速电机驱动螺杆泵举升系统生产管柱由低速电机、保护器、偏心联轴器、螺杆泵、防砂卡装置、油管、油管扶正器、油管锚等组成。防砂卡装置由单流阀、外沉砂管、内管三部分组成。该装置可有效的防止停井时砂粒沉积导致电机无法启动，起到预防螺杆泵砂卡作用，可延长螺杆泵举升系统使用寿命。偏心联轴器是一种井下机械传动装置，用来连接不同轴运动的螺杆泵和电机，还具有止推和润滑等功能。其特点是：输入轴和输出轴之间除传递转矩和轴向推力外，输出轴要相对输入轴做满足螺杆泵运动的偏转运动。该联轴器是在满足轴间偏心量的基础上，既能够承受扭矩，又能够承受一定轴向压力的一种新型柔性联轴器。

三、室内及现场试验

型式试验主要对电机性能、电机负载特性、井下系统性能三个方面进行了测试。测试过程是将抽油系统下入试验井中，通过变频调节电机转速；在不同频率下，通过调节井口压力测试电机的电流、电压、电阻、输入功率、功率因数和温升。综合室内试验测试结果表明，电机相间、对地冷态绝缘电阻为1259MΩ，三相直流电阻不平衡率1.29%，耐温达到180度，可满足井下高温环境的使用要求。潜油低速电机驱动螺杆泵抽油系统在频率为17.5Hz～25Hz条件下运行较稳定，系统效率在76.8%～82.4%之间，可满足现场生产要求。

四、结论

通过对同步电机结构及磁路设计，研制了低速永磁同步电机及其控制系统，并对地面设备及井下工具进行了配套，形成了潜油低速电机驱动螺杆泵举升技术。经过室内型式试验表明，该技术效率高、性能可靠。潜油低速电机驱动螺杆泵抽油技术作为一种新型的无杆采油技术，采用低速永磁同步电机直接驱动螺杆泵，省略了井下减速机构，兼具了潜油电机驱动方式和螺杆泵采油的优点。尤其适用于常规抽油设备如有杆泵、电潜泵等难于运行的斜井、稠油井、含砂井、含气井及偏磨井的油井举升中，在油田具有较高的实用价值和较广的推广前景。

参考文献

[1]叶金虎.现代无刷直流永磁电动机的原理和设计.北京：科学出版社，2007.

[2]王秀和.永磁电机.北京：中国电力出版社，2007.

[3]王世杰，李勤.潜油螺杆泵采油技术及系统设计.北京：冶金工业出版社，2006.

[4]戴广平.电动机变频器与电力拖动.北京：中国石化出版社，2000.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2zi1.html