电动潜油螺杆泵技术现场节能应用

侯立泉 许洋 段志成（大港油田公司第三采油厂）

大港南部油田以复杂断块油藏为主，原油物性差，属于高凝、高黏、高含腊胶质稠油、低渗透油田，经多年开采已步入中后开发期。截至目前，南部油田油井开井1 220口，平均单井日产液27 m3，日产油3.2 t。其中，机械采油井有1 154口，人工举升工艺以常规有杆泵、电动潜油泵和捞油的采油工艺为主。

大港南部油田原油物性较差，如自来屯、沈家铺、官三沙一、官195等区块原油黏度大，平均为900～3 000 mPa·s，部分井高达 20 000 mPa·s；其他大部分区块含蜡量高，高达20%～30%；凝固点高，凝固点在30℃以上，部分井高达40℃。为了解决原油井筒流动难题，应用电热杆加温或在井口加装电加热器，升温掺水后倒地下掺水生产。这些措施虽然短期缓解了油稠问题，但生产运行费用太高，且出现了结垢、腐蚀等新问题。

1 电动潜油螺杆泵技术研究

1.1 工作原理

利用潜油电缆将电力传送给井下潜油电动机，由电动机直接驱动螺杆泵，将井液经螺杆泵增压后举升到地面。整机由控制系统、潜油永磁同步电动机、保护器、联轴器、螺杆泵、潜油电缆、电泵井口等组成[1]（图1）。

1.2 螺杆泵定子

在人工举升工艺定子有5种主要橡胶类型（表1）。其中：NBR标准丁腈橡胶适用于中质油、重油、含砂、含气的油井；HNBR氢化丁腈橡胶适用于高温和含砂的油井；FKM氟碳橡胶适用于轻油、高芳香烃含量的油井[2]。

表1 不同组分橡胶性能对比

1.3 螺杆泵转子

最优定子、转子间隙配合需要考虑泵吸入口处井液温度、泵的几何尺寸、橡胶类型、橡胶与油液的配伍性、油的重度等因素。橡胶在井下受温度影响产生热膨胀，因油液和芳香烃影响而产生化学膨胀，因此需要优化间隙配合。通过预期膨胀，选择合适的转子来优化泵效和提高其运行寿命，过紧的定子、转子配合间隙会造成泵的提前失效。轻油中有时存在苯系芳香烃，容易造成定子橡胶的膨胀，需要考虑降低转子尺寸。在举升稠油（超稠油）时，由于内部泄漏比较小，宜采用较小过盈量。出砂井对泵有磨蚀作用，较紧的过盈配合能减小内部泄漏，减轻磨蚀[3]。

图1 电动潜油螺杆泵的组成及整机图片

1.4 控制系统

具有电动机启停及保护、系统运行状态监测、数字化远程智能控制的功能。

1.5 潜油永磁同步电动机

永磁同步电动机主要由转子、端盖及定子组成。永磁同步电动机的最大特点是其定子结构与普通感应电动机的相似，其转子结构和普通感应电动机的不同，在转子上放有高质量的永磁体磁极。永磁同步电动机具有低速扭矩大、无转差损耗、无转子损耗、效率80%以上、多节转子串联的特点（图2）。

图2 潜油永磁同步电动机构造

1.6 保护器

高推力保护器可承担60 kN轴向力，胶囊、沉降多种组合，适应多种井况要求，增加了传动轴强度，适合低速大扭矩传动要求。

1.7 联轴器

高耐磨、耐腐蚀径向轴承设计，保证驱动端轴运转精度；高推力设计，保证大轴向推力下联轴器可靠性；大摆角设计，适应更多泵型。

1.8 井下测温测压装置

电动潜油螺杆泵井下测温测压装置是一套高精度、数字式的数据采集处理系统。它与电动潜油螺杆泵组成一套完整的单井采油系统，完成电动潜油螺杆泵井下温度、压力等参数的测量；同时还可以根据用户的需要，提供多参数、高性能的监测系统，通过潜油螺杆泵监测系统采集和分析数据，实时监测油井动态变化和潜油螺杆泵机组工作状态；根据具体情况调节机组运转，提高油井产量，最大化延长潜油螺杆泵机组的寿命，降低采油成本。

2 电动潜油螺杆泵技术与现有人工举升方式的对比

1）无杆采油，避免杆管磨损。避免了杆柱断脱、杆管磨损及动力损耗，无需抽油机地面设备和抽油杆，节约钢材；占地面积小，井口无泄漏，无噪声，安全系数高；可靠性高，维修费用低[4]。

2）适合斜井、水平井、稠油井、含砂井、含气井开采。不同举升工艺设备适用井况对比见表2。

3）整机效率提升，节能效果优异。电动潜油螺杆泵整机效率曲线见图3。

4）系统寿命长，且保护功能齐全。无需减速器装置，避免该故障点，具有过载、过压、欠压、短路等保护功能，解决潜油电缆的反射波和漏电问题，实现永磁同步电动机防退磁设计，增加螺杆泵防反转功能。

表2 不同举升工艺设备适用井况对比

图3 电动潜油螺杆泵整机效率曲线

5）实现数字化远程智能控制。油井数据实时采集，油井远程启停控制，油井产液量调控，油井运行工况诊断，油井报警监控，对油井结蜡工况提供辅助判断。

3 电动潜油螺杆泵的排量及扬程选择

选择泵的排量，所选泵理论排量大于要求排量除以1.5，泵吸入口GVF小于50% （GVF=气体流量/三相流体流量），如果大于50%使用HR转子（或者调整泵挂至油层以下，或者安装气锚提高气体分离效率，或者降低排量）。总压头小于泵最大扬程的70%，安装压力传感器的井沉没度不少于100 m，未安装压力传感器的井沉没度不少于300 m。如果沉没度过低需要确认是否能加深泵挂或者减小排量。电动潜油螺杆泵性能参数与适用技术条件见表3。

表3 电动潜油螺杆泵性能参数与适用技术条件

4 现场试验应用

4.1 自来屯油田

自11-12井为自来屯油田1口抽油机井，地层日产液4.5 m3，日产油1.6 t。该井原油为稠油，80℃时原油黏度为2 778.72 mPa·s，20℃时原油相对密度为0.971 7，凝固点24℃，含蜡量3.6%，且地层出砂。常规抽油机井生产时需利用套管掺水12 m3/d进行伴热，且掺水需使用电加热器（功率40 kW）升温，电加热器日耗电960 kWh。由于稠油的影响，生产载荷频繁变化，且能耗巨大，为此转换举升方式，试验应用电动潜油螺杆泵生产。2018年2月7—10日，在该井应用电动潜油螺杆泵，开井后停掉地下掺水，油井生产正常，日产油升至2.2 t。

4.2 沈家铺油田

家37-43-1井为沈家铺油田1口电泵井，地层日产液10.8 m3，日产油7.5 t，每日需套管倒地下掺水26 m3。该井原油物性较差，80℃时原油黏度为2 580.28 mPa·s，20℃时原油相对密度为0.965 5，凝固点30℃，含蜡量7.79%。由于地层供液较差，电泵电动机散热慢，自2016年11月至2018年6月电泵生产期间共检电作业5次。2018年6月26日，结合检电上修作业转电动潜油螺杆泵生产，日产油保持稳定在7.3 t。

4.3 节能及经济效果评价

自11-12井应用电动潜油螺杆泵，开井后停掉地下掺水，油井生产正常，日产油升至2.2 t，日耗电仅70 kWh；而利用抽油机井套管掺水生产时日耗电1 325 kWh，实现日节电1 255 kWh，节电率94.7%。年减少耗电量45.18×104kWh，折合36.144万元，电动潜油螺杆泵及电缆投入费用为50万元，投入产出比1∶0.72。

家37-43-1井转电动潜油螺杆泵生产后日耗电256 kWh，实现日节电1 044 kWh，节电率80.3%。电泵年耗电46.8×104kWh，电动潜油螺杆泵年耗电9.344×104kWh，年减少耗电量37.456×104kWh，折合29.96万元。电动潜油螺杆泵及电缆投入费用50万元。考虑年电泵检泵费用为33万元，年综合创效63.5万元。投入产出比1∶1.27。

截至目前，应用电动潜油螺杆泵的井共11口。应用后日产油增加22.8 t，日节电17 283 kWh，节电率89%，累计节电288.29×104kWh。

5 结论及建议

1）电动潜油螺杆泵可实现稠油冷采。在低含水、出砂、高黏、高凝稠油井中，电动潜油螺杆泵可实现稠油冷采，降低稠油井运行能耗，节能效果显著，具有较好的工艺适应性，对应用电热杆、电加热器、低液量电泵等高能耗稠油井的综合效益明显。

2）电动潜油螺杆泵可实现无杆采油。避免杆管磨损、断脱及动力损耗，解决杆管偏磨、泵砂卡等问题，支撑井丛场复杂结构井，对大井斜、大全角变化率油井有更好的适应性[6]。

3）电动潜油螺杆泵具有智能控制系统，通过建立数学模型，实现恒定动液面控制，杜绝“干抽”，可有效延长机组运行寿命。

4）扬程及排量需要进一步提高。目前液量与下泵深度受限，因配套电动机举升能力的影响，目前最高日产液80 m3（下深不能超过1 000 m），低液量井最大下深2 300 m以内，适用范围受限。

5）整机费用有待降低。目前电动潜油螺杆泵、电力电缆、地面配套控制柜费用较高，依靠常规工艺设备进行生产的油井应用该技术经济效益欠佳，其尚不具备推广价值；因此，需要通过科研攻关、降低成本费用等举措，使得此采油新技术在稠油井进一步推广应用。