高温电动潜油泵在稠油开采中的应用分析

姚春雪 颜伟

摘要：目前，我国许多油田已经进入中后期开采阶段，诸如油藏的渗透率低、设备大量腐蚀等层面的问题开始集中显现，油田企业面临着产能下降和需求提升的困局。此外，以克拉玛依油田为例，油田稠油占比高，开采难度大。现阶段针对油田中后期开采和稠油开采，高温电潜泵日益发挥技术优势，极大的提高油田产能。本文针对高温电潜泵在稠油开采中的技术优势进行论述。

关键字：稠油 潜油电泵 耐高温 密封

一、原油黏度对采油的影响

油气所涉及的油气水物性，流入动态，井筒流动，以及流体在泵等井下设备中的流动均与压力与温度有关。其中，油气水物性包括密度，溶解汽油比，和黏度等。原油黏度越大，开采的技术难度越高，从井底举升到地面较一般轻油更为困难。

原油黏度指原油内部对流动的阻力，是决定原油在地层孔隙和管道中流动的一个重要物理量。原油黏度取决于它的化学组成、温度、压力、溶解汽油比等条件。

二、电潜泵系统基本结构

电潜泵系统基本上由三大部分八大件组成

（1）井下部分：包括电动机，保护器，分离器和多级离心泵。

（2）中间部分：电缆。

（3）地面部分：包括控制屏，接线盒和变压器。

（一）电潜泵

电潜泵是一种多级离心泵，每一级基本上由一个旋转的叶轮和一个静止的导轮组成，可根据生产容积和举升确定总级数，再根据总级数确定电动机马力和总水头。为了达到最佳的防腐效果，导轮通常采用耐蚀镍合金材料制造，并用金属外壳作为保护膜。

（二）电动机

电潜泵中使用的电机为三相鼠笼异步电机。其工作原理与普通三相异步电机一样，把电能转化为机械能。

但是它与普通电机相比，它有以下特点：

转轴为空心，便于冷却循环电机;绝缘等级高，绝缘材料耐高温，耐高压和油气水的综合作用;电机内腔充满电机油以隔绝井液和便于散热;有专门的井液与电机油的隔离密封装置-保护器。

（三）保护器

电动机保护器有多种功能，例如：

（1）防止井中液体流入电动机内。

（2）当电动机运行时，电动机内的润滑油因温度升高而膨胀，保护器内有足够空间存储因膨胀而溢出的电动机油。反之，当润滑油的温度下降而收缩时，保护器内的润滑油又可以返回补充给电动机。

（四）电缆的功能是为电动机提供电能，主要由导体，绝缘层，护套层所组成。电缆的选择取决于电压、电流强度、油套环形空间和井底温度。

（五）控制屏

控制屏的功能是电潜泵的启动和停机，它还可以对电潜泵系统的短路、过载、欠保护以及欠载延时等状况进行自动启动。

（六）井口装置

井口装置由套管尺寸、油管尺寸、最大推荐载荷、井口压力和最大安装深度所确定，其主要功能是利用压力来密封油管和电缆之间的空间，用此种方法，可减少通过电缆的气体运移速度。

（七）接线盒

接线盒安装在井口装置和控制屏之间，它的功能是防空由潜油电缆线芯内上升至井口的天然气，从而防止天然气在控制屏中积聚和爆炸。

（八）变压器

变压器是用来改变交流电电压的一种设备。变压器由一个铁芯和缠绕在铁芯上的绝缘铜线线圈组成，通常铁芯和线圈浸泡在变压器油里。变压器油不但可以作为绝缘介质，而且对变压器有一定的冷却作用。

简言之，电潜泵机组以电能为能源。将电能传输给电动机，电动机将电能转换为机械能带动电潜泵高速旋转。潜油电泵中的每级叶轮，导轮使井液压力逐步升高，在潜油泵出口处达到潜油泵要求的举升扬程，井液便通过油管举升至地面，最后通过地面管线传输至地面集输系统。

三、高温电潜泵开采稠油的技术优势

同其他机械采油方式相比，在我国电潜泵已经可以用于产量为40m3/d的油井，能够较好的应用于斜井、水平井，生产时效高，有利于原油生产，以及便于安装井下压力传感器等。但是传统的电潜泵也有其局限性，如不适用于零散井，井底高温高压等不利环境易使电缆及电动机出现故障等。

使用用电潜泵开采稠油，进行泵的设计安装时，除考虑常规的要求和油藏特性外，还应要求应具有较好的耐磨蚀和耐高温性，以及对于高粘度稠油，应有较大的排量。

在国际领域，美国是生产和应用电潜泵最多的国家。美国的Reda公司采用特殊的耐高温绝缘材料和橡胶密封材料，设计生产能适应200℃以及以上井温的电动机，泵轴功率为 559～7457kw，泵效为44%～70% ，地热井的耐温可达232℃。Bome公司生产的电潜泵用电缆，耐高温达240℃。可见在电潜泵的耐高温问题上国际上已经领先一步。

四、高温潜油电泵在技术上的实现方式

现今，我国油田在中后期开采和稠油开采上，普遍使用SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）技术。SAGD技术是一项前沿的稠油热米开发技术，其工艺原理为：首先通过位置较高的注气井向油藏中连续注入蒸汽，再依靠蒸汽超覆作用加热上部油层，并逐渐形成蒸汽腔，从而使原油的流动性增强，在重力作用下原油流向下部水平生产井，最后将原油采出地面。

目前，对于已经成功应用了 SAGD技术的油井，其绝大多数为中低温油井，在油井开采过程中，所采用的高温潜油电泵能够耐受的井下环境温度仅为180°C左右。但是，随着对中低温油井开采趋于饱和，只能转向埋藏更深且温度更高的高温油井，而高温油井的井下环境温度可达220°C左右，目前常规潜油电泵已经难以满足高温油井的开采需要了。

对于高温潜油电泵来说其地下部分必须能够承受井下的高温环境，特别是电机的耐高温性能会直接影响到高温潜油电泵的工作可靠性。为适应高温油井的稠油开采的情况，应选用一种耐高温电机。且电机轴采用空心结构，电机轴一端延伸至顶部机壳，其端部利用丝堵进行密封处理;电机轴另一端延伸至尾部机壳，其端部为进油口，在进油口处设置有增压螺旋叶片，增压螺旋叶片与储油底座相对应;在顶部机壳、中部机壳及尾部机壳的内部空腔中、在儲油底座的内部储油腔中在电机轴中心孔内充满有润滑油，通过电机轴转动驱动润滑油进行循环流动，通过润滑油循环流动对电机进行润滑及散热降温。使其具有在高温工作时合理的电机机械结构及高效的润滑和散热性能，能够有效提高电机的井下耐热温度，使高温潜油电泵满足高温油井的开采需要。

此外，在高温环境下，电机电缆的塑料护层、橡胶垫均产生膨胀，密封性能仍然能够保持，但塑料护层在三孔橡胶垫的挤压下就会形成一道环形沟痕。在高温向低温转变后，电机电缆的塑料护层产生的收缩较橡胶垫要大一些，在塑料护层与橡胶垫之间产生了缝隙，密封性能减弱甚至失效。工作温度越高时，残留的环形沟痕变形量也越大，三孔橡胶垫的密封性能失效的可能性就越大。为此高温潜油电泵的使用应使用高温高压密封结构，以避免常温潜油电泵电缆接头密封性能在高温向低温转变之后失效的问题，保护了电机电缆的正常有效联接，从而提高了潜油电泵的使用寿命和安全性。

与普通电动潜油泵相比，其具有在高温工作时合理的电机机械结构及高效的润滑和散热性能，能够有效提高电机的井下耐热温度，使高温潜油电泵满足高温油井的开采需要，在高温油井开采过程中，使高温潜油电泵具有更高的工作可靠性。

综上所述，高温电潜泵采油的适用范围，系统效率和工作寿命均得到了显著提高。此高温电潜泵设备已在新疆、辽河油田推广应用。

参考文献

[1]佟陆.油田开发中后期的采油工程技术优化途径[J].中国石油和化工标准与质量，2009（13）：221-222

[2]梅思杰，邵永实，刘军，等.潜油电泵技术[M].北京：石油工业出版社，2004.

[3]王欣辉.潜油电泵采油技术研究与实践[M].东营：中国石油大学出版社，2015.

[4]王慧勋.潜油电泵的原理及使用[M].北京：石油工业出版社，1994.

[5]朱君，姜民政，崔振华.潜油电泵高效运行的研究[J].石油学报，1997，18（2）：117-121.