试论潜油电泵的启动运行

王磊

（大庆油田力神泵业有限公司，黑龙江 大庆 163000）

当前石油行业开采石油只有自喷井不需要辅助动力抽取石油外，大多数都使用抽油机或潜油泵进行油井石油的提取，由于潜油泵具有成本低、能耗小、施工方便等特点，在很多油区都是用上了潜油泵实施抽油作业。因此，在这些油区中，产油量的大小与潜油泵能否正常运行存在最直接的联系，潜油泵油井，在每次进行修井的过程中，需要对油泵电缆进行更换、对潜油泵进行更换、对相关设备进行更换，加上人员费用每次修井的费用多达300万以上，这无形中严重影响了油田企业生产的成本与效益。

潜油泵安装在抽油管的最下面，大约是海平面以下1200m左右，其启动、运转是通过电缆与地面设备连接，因为地下油层位置温度非常高，压力也非常高，所以，潜油泵是工作在非常恶劣的环境中，目前，潜油泵最高使用寿命为3年，如果对不同地质区块的潜油泵，针对其实际的情况采用差异化的方法维护以及使用潜油泵，对延长潜油泵使用的时间以及降低油井维修的成本具有重大意义。潜油泵使用时间主要是取决于潜油泵的质量、选择相关材料的质量、潜油泵的安装质量、配套设施的质量、潜油泵运行中维护的质量等，本文主要是研究分析潜油泵在工作过程中出现的问题，通过研究提升潜油泵运行的寿命。

1 潜油泵启动、运行特性的分析

1.1 潜油泵启动的特性分析

潜油泵正常状况下启动的条件是进行轻载的启动，此时，潜油泵电机只承担保护器、分离装置以及油泵的重量，同时加上在泵腔里的油液重量和分离装置、保护器以及泵的旋转阻力，由于在泵叶导轮里的原油具有一定的润滑作用，所以，在潜油泵启动时，其启动所需的时间为0.08～0.1s，在0.2s后潜油泵将进入全速运转。本文对某油田28口井进行试验，通过实验表明，当潜油泵电机在启动时，当电压达到额定值65%的时候，潜油泵就可以达到一次性的启动，潜油泵电机启动的力矩和电压平方为正比的关系，当电压降低10%的时候，启动产生的力矩会降低19%左右。因此，在设计潜油泵电机时，应该恰当的减少电机启动时的力矩，这不仅能够降低电机启动时所需的电流，同时也能够改善其他电机的参数。

依据潜油泵电机在启动过程中，负荷和启动所需时间两者关系得知，潜油泵启动所需时间越短，其运动负荷将会越大，因此，要恰当的延长潜油泵电机启动所需时间，这样能够很大程度降低运动的负荷。潜油泵电机在启动时，电网上的电压将会升高，因而将会缩短潜油泵电机启动所需时间，假如此时运动负荷已经远远超出力矩的屈服限度，潜油泵主轴将有可能发生断裂事故。潜油泵电机启动所需时间也不是越长越好，通过对某油田N2-6-26油井进行启动试验表明，当潜油泵电机启动所需时间达到延长190%时，潜油泵电机将会瞬时发热，其热量会上升到160%。理想的潜油泵电机启动时间为0.2～0.35s最为合适，这一时间既能达到消除运动负荷，同时又不会使潜油泵电机发热。

潜油泵电机在断电以后，其滑行所需时间接近0，这主要是因为潜油泵电机断电后，其磁力的力矩接近0，潜油泵出口位置的单向阀自动落下关闭所用时间，会远远大于潜油泵电机转换投全压所用的时间0.085s，这时潜油泵电机所承受的负荷包含油管内液柱的重量。由于惯性产生的力矩远远小于电机运转的阻力，因此，潜油泵电机在进行降压后转换成全压启动时和全压进行启动时的曲线电流的波形一样。

1.2 潜油泵电机运行的特性

（1）潜油泵电机在欠载条件下运行。欠载条件运行，实际上就是潜油泵电机运行的电流不大于额定工作的电流，同样是输出的功率不大于额定的功率。

①潜油泵在欠载条件下运行会产生热蠕变情况。潜油泵电机出现欠载条件运行主要是：一是因为潜油泵额定的排量已经远远大于油井底部供油液的能力，也就是潜油泵将井底抽空，或者说井底的油不够抽的。二是潜油泵在工作的过程中，出现气锁情况。当潜油泵工作在这两种状态下，潜油泵剩余的功，将会被油液吸收，油液的温度会快速上升。当潜油泵电机在低负荷状态下工作时，它的运行电压任然是额定的电压，电机的铁损没有改变，电机定子中的铜损会出现下降，此时的潜油泵电机自身的温度变化很小。当潜油泵实际的排量远远小于潜油泵额定的排量，这时，潜油泵电机会出现散热能力变差的情况，潜油泵电机周围环境的温度会上升，此时，潜油泵电机与电机控制动力电缆都工作在温度不断升高环境里，其潜油泵电机所需的电流会随着温度不断升高而加大，同时，电阻也随之增大，加大的电阻会增加铜耗，温度不断升高，电阻也跟着温度持续加大，潜油泵电机在恶性循环的环境下长期工作，潜油泵电机中的绕组以及动力电缆非常容易发生击穿的现象。

②潜油泵在欠载条件下运行，其有功的功率与功率的因数会出现下降的情况。某油田某矿区7-9井，使用的潜油泵排量为，在实际的工作中，其最小的排量是，潜油泵电机功率的因数从0.83降到0.65左右，潜油泵电机有功的功率降低了21.7%左右，无功的功率升高了36.2%左右。这组潜油泵在井下实际工作了535天以后烧毁，通过排查在潜油泵出口位置的电缆存在8mm击穿两处。

③潜油泵在欠载条件下运行，会导致加速泵出现损坏。潜油泵在欠载条件下运行时，会出现不平衡的情况出现，油泵叶轮在旋转推力的作用下会向前移动，叶轮会和导壳发生摩擦，在7-9油井中的潜油泵叶轮，在工作535天后，叶轮被磨成了片状。潜油泵由于磨损过于严重，已经无法完成正常抽油的工作，排量也随之减小，如果在这种状态下继续工作，潜油泵会继续磨损，最后造成电机绕组的烧毁。

④潜油泵在欠载条件下运行，不能进行全压形式的频繁性启动。潜油泵电机地面控制系统具有电机欠载自动停机以及自启的能力。当潜油泵欠载达到15%以上的时候，潜油泵电机将会自动停止运行，当井底油液的液面达到要求时，控制系统会自动启动潜油泵电机。可是潜油泵电机不能频繁进行启动，这主要是由于全压形式的启动，潜油泵电机实际需要的电流达到额定的电流5～8倍左右，其电流能够达到250A左右，这一大电流的冲击会严重影响潜油泵电机使用寿命，甚至会造成潜油泵的泵轴发生断裂。所以说，潜油泵在欠载条件下运行，要采用定时启机、降压启机。

（2）潜油泵在过载条件下运行。潜油泵在过载条件下运行主要有两种情况。

一是潜油泵实际的排量远远比额定的排量要大，潜油泵实际的电流也比额定的电流要大。

二是潜油泵机械方面存在问题。当潜油泵实际的排量远远比额定的排量要大时，油泵叶轮在旋转推力的作用下会向前移动，叶轮会和导壳发生摩擦，当叶轮出现严重的磨损后，潜油泵会失去吸油的能力，使其潜油泵的排量出现下降，最终导致潜油泵在欠载的条件下运行。当潜油泵的排量很大，同时超出高效区进行工作的时候，潜油泵的效率将会下降，其无功的功率会随之增加。

潜油泵在过载情况下工作，电机定子线圈电流会加大，铜损会加大，同时潜油泵电机的温度也会随之升高，潜油泵电机长期在这种条件下工作，电缆以及电机线圈会加速老化，甚至造成电机损坏。

（3）工频潜油泵参数的设定。油田井下潜油电泵的电气系统是由专用的动力型电缆将电力传送到潜油泵电机的，潜油泵电机在电力的作用下旋转带动与其连接的多级泵，油液在离心泵的作用下被抽出地面，随后由相应的输送装置，输送到处理装置内进行加工。工频潜油泵电机使用的400V电源，是通过变压器升压后提供给电机的，当井下潜油泵电气系统接到启动信号后，控制接触器电磁线圈通电触电吸合，此时潜油泵电机进行全压形式的启动。

潜油泵电机供电的路径为：配电柜→动力型变压器→潜油泵电机控制柜→潜油泵电缆→潜油泵电机。工频潜油泵参数确定的依据是，通过油井实际的温度、潜油泵电机负载的电流以及电机降压的需求进行潜油泵电机动力电缆规格的确定，然后再对变压器的输出电压进行确定。例如：当潜油泵电机的额定使用功率是43.87kW时，额定使用的电压为945V，额定使用的电流为39A，动力电缆使用的规格为AWG4＃，潜油电泵最大深度为1200m，油井温度最高66度。经过对电缆使用手册的查询得知，电缆在标准的温度下，其电压降为每305m电压下降17V，1200m潜油泵电机动力电缆的电压降是。通过资料查询得到，66度电阻系数是1.176，由此确定出变压器为潜油泵电机输送的电压为50Hz的工频1023.6V电源。

2 潜油泵常见故障的原因分析

（1）电气方面经常出现的故障。动力性电缆发生击穿故障、潜油泵电机发生损坏。

（2）机械方面经常出现的故障。潜油泵与电机连接固定的螺栓发生断裂，导致电机与潜油泵体脱离，油泵出现卡死现象无法正常工作。

通过对历年潜油电泵故障的统计与调查后发现，发生电缆击穿以及电机出现损害的故障是总故障的80%左右，不论是设备质量的问题、电源问题以及施工出现的质量问题，其导致的故障会通过电气的故障显现。由于井下出砂的问题和其他问题，导致潜油泵电机在启动时阻力加大，从而影响电机无法顺利的启动，使启动的时间加长，这种情况会加快设备绝缘材料的老化，降低设备的寿命。因此，当潜油泵电机出现启动非常困难时，必须对其参数进行合理的设定。

3 潜油泵电机启动过程的分析

3.1 电机启动的转矩

电机的启动时间非常短，当电机在进行启动时，提供给电机的供电电压必须确保电机转矩高于机械拖动阻力，也就是启动时的转矩，必须大于机械阻力，同时要多出一定的转矩余量，从而保证电机能够启动顺利。转矩计算公式如下：

式中，Ms表示的是启动时的转矩，N.m；U1表示的是定子电压，V；m1为表示的是相数；r1表示的是定子线圈电阻，Ω；r2表示的是折算后定子线圈电阻，Ω；表示的是电机同步的角速度，1/s；为表示的是短路的阻抗，Ω。通过上述的公式能够知道，电机在启动时，其产生转矩和电机的电压以及其电机特性存在直接的关系，当电机电源没有变化时，电机在启动时的转矩不变，并且它和电机电压的平方存在正比关系。

3.2 电机启动的电流

在电机进行启动时，启动所需的电流是出现变化参数的量。当电机启动后，其转速达到额定的转速时，电机电流将会下降。电机在启动时使用的时间与电机负载存在直接关系，当电机启动的负载加大时，电机启动需要的时间会增长，此时电机绕组以及电缆将会发热，电机以及电缆绝缘能力会下降，电泵电机使用寿命会降低，甚至损坏。

3.3 电机电压

在不考虑电机在实际启动过程中电压下降的因素下时，因为潜油泵电缆过长，在电机启动时，电缆会产生一定的电压降，电机在启动时，启动所需电流是额定电流的5倍，此时电缆承受的电压是额定电压的5倍以上，这时启动产生的转矩是额定转矩：[(1023.6-5×78.6)÷945]2≈0.445倍。当潜油泵在轻负荷状态下启动时，压降不会对潜油泵电机的启动产生影响，但是，当油井含沙量大发生卡泵时，潜油泵电机所需启动的转矩就要大，这时压降会降低电机启动的转矩。

4 变频潜油泵

变频进行电机调速是最为科学的调速方式。当前变频技术已经非常成熟，变频技术已经在油田油井上大量应用。变频潜油泵电压是由工频做基础，它是根据井下实际的状态，利用改变提供潜油泵电机频率的方法实现控制潜油泵输出量的目的，使控制更为便利。

电机在变频条件下运行，其定子线圈电动势的计算如下：

根据公式可知，为了防止出现磁饱和导致电机过热的情况发生，在降低变频器输出频率的同时也要进行电压的降低，从而达到磁通量不变。因为电机的定子线圈存在一定的阻值，电机在工作的过程中会产生30V左右压降，当电压频率高的时候，对转矩影响较轻，但是在频率较低时就会严重影响转矩的输出。当前变频器均已设计补偿输出功能，当频率较低时，变频器将会提升输出的电压，从而使电机输出的扭矩达到最佳状态。在变频器实际的使用中，我们可依据电机实际运行环境对变频器的频率及电压进行设置，从而达到补偿启动时的电压，加大启动磁通量。在实际工作中，不同频率使用的补偿会有所不同，提升电压可以加强低频时电机的功率。

5 结语

经过本文的研究分析得出，潜油泵电机在启动的时候，其供电电压是决定电机成功启动的主要条件，潜油泵电机供电电压过低会导致启动时的力矩太低，使电机启动失败，因此，必须对电机供电电缆产生的压降进行计算确定，同时还要考虑到电机启动时对供电电压产生压降的问题。在潜油泵变频启动时，要注重低频时的启动情况，定子线圈产生的压降会对电机启动的转矩产生影响，因此，根据实际情况合理进行启动时升压的设置，能够使电机在启动过程中对电源产生极小的影响，能够使电机得到最佳的启动能力。