浅谈潜油螺杆泵采油技术的发展前景

王远东 赵 晶 王世杰

沈阳工业大学机械工程学院 辽宁沈阳 110870

我国的大多数油田都是低能源和低石油产量的,与国外油田不同,这些油田具有很强的流动能力,不需要注水将石油从油井中抽出来。我国水和电的交换已成为当务之急,由于电力消耗占石油成本[1]的很大比例,石油行业正在努力实施节能减排政策,以最大限度地降低生产成本。与其他采油方式相比,潜油螺杆泵采油系统具有能耗低、制造成本低、隐患少、维护成本低等诸多优点[2]。适用于高黏度原油的开采,广泛用于胜利油田、辽河油田、渤海油田等。

1 潜油螺杆泵采油系统基本原理及组成

1.1 潜油螺杆泵采油系统的基本原理

电动螺杆泵采油系统是一种无杆采油设备,由三部分组成:地面部分、地下部分、油管和电缆。地下部分包括螺杆泵、联轴器、保护器、减速机器、马达,而地下部分则是由变压器、变频器等辅助装置构成的[3]。通过电缆将动力传输给潜油电机,螺杆泵电子设备往复直线运动,速度较低。从而实现原油由泵的输入端向输出端的流通。这种运动方式可以在联轴器和减速机器中实现,系统的效率和可靠性也因此而提高。这种采油方法可以有效地生产出具有高黏度、高含砂量或高蜡、含气量等聚合物组分的原油,而且系统的连续泵送稳定性极高,不会对储层造成任何压力。此外,无杆生产设备不会出现抽油杆变形,从而大大降低了维护成本,并减少了因变形而产生的能耗。由于系统整体相对较小,因此更适合海上平台作业[4]。

1.2 潜油螺杆泵采油系统的组成

潜油螺杆泵生产系统由地面和地下两部分组成[5]。地下部分由潜油电机、减速器、保护器、联轴器和螺杆泵组成。地面部分配有变频器控制器,通过电缆向地下电机传输电力。

(1)潜油电机:潜油电机是潜油螺杆泵控制系统的中心元件,由定子、叶轮、止推轴承和电机油循环系统组成,为控制系统提供动力[6]。

(2)减速器:在电机和螺杆泵间起调速及杠杆作用,将电机输出的扭矩增大,再经联轴器传递给螺杆泵[7]。

(3)保护器:它位于减速机器和联轴器中间,起到连接作用,补偿减速机器内部和推力轴承的润滑油,均衡密封腔内外压力;而系统提供的防护器则可以阻止井液流入系统,补偿系统内部的电油损失,并且可以有效地均衡系统内部气压,从而保证系统的正常运行。

(4)联轴体:减速器输出轴的固定轴旋转转换为螺杆泵转子的行星偏转运动。内置推力轴承承受螺杆泵转子反馈的轴向载荷,并将其传递至轴套,最后将其转化为抽油管承受的张力。

(5)变频器:一是保护电机而实施软启动,二是使螺杆泵达到最优经济使用寿命而实现变频调速。

2 潜油螺杆泵采油系统的国内外的发展及前景

2.1 潜油螺杆泵采油系统的发展

(1)20世纪30年代,螺杆泵在法国诞生。此后,它被广泛应用于生产生活中的各种领域,如化工、生产、食品、污水处理等[8]。

(2)20世纪50年代,螺杆泵在国外被首次应用于石油生产和开采中,并逐步批量应用于中国石油生产系统。经过了多年的研究和实践,该型采油设备在生产高黏度和聚合物含量的原油方面的应用效果非常好。不过,由于当时抽油杆等设备的技术还不完善,且装置的深度也还不够大。为了解决这个问题,我们开发了一种电潜泵生产系统,以提高效率和质量[7]。

(3)由于螺杆泵在开发石油应用领域的普及,单螺杆泵采油系统应运而生,它具有扬程高、排量大、适合深井使用等优势,并已经发展出单头、双头和三头产品,为开发石油行业带来了巨大的改变[9]。

(4)1998年,开发了新型平行潜油螺杆泵采油系统。这种泵的不同之处在于,它的顶部右侧与电机相连,并经过联轴器与左侧的蜗杆泵相连。电子和转子的协同工作有助于抵抗轴向力,因此可能用于内径较小的油管,从而提高系统的效率和可靠性[10]。

(5)进入21世纪,随着国内对国外技术的引进、加工制造技术发展和材料科学的进步,国内油田、采油设备生产厂商与高校和研究院对欧美技术的持续跟进,先后研制出空心转子螺杆泵和不同工作环境的定子材料,使螺杆泵可以适应更加恶劣的工作环境[11]。我国潜油螺杆泵技术研究已经大大缩小了与欧美先进国家的差距。

2.2 潜油螺杆泵采油系统的发展趋势

在大排量潜油电泵上井作业中,采用螺杆泵代替电泵。螺杆泵的转速可达180rpm,每日产液量可达200万升,动态表面可以保持在300m以内,每日产油量超过7t,完全满足了电动泵采油的需求。

由于潜油螺杆泵采油系统成本低、功耗低、维护成本低,适合开采高黏度、高聚合物含量的原油,并且由于其井上单元相对较小,被广泛应用于沼泽地区、水平井、斜井、海上作业等。在我国渤海湾地区,如渤海油田、辽河油田、胜利油田等,其应用较为广泛[12]。因此,这种采油技术在其他领域的应用相对较少。

许多国外石油公司对潜油螺杆泵提出了新的发展方向,如金属定子潜油螺杆泵、合成材料潜油螺杆泵,等壁厚定子潜油螺杆泵,多吸入口潜油螺杆泵和插入式潜油螺杆泵[12-13]。这些研究目前正在进行,并取得了一定的成果。英国石油公司已将插入式潜油螺杆泵投入使用,但结果并不显著,这表明对潜油螺杆泵的研究仍需继续。

3 对潜油螺杆泵采油系统的完善和研究重点

3.1 对潜油螺杆泵采油系统中各种设备的完善

(1)为了延长潜油螺杆泵的使用寿命,应采用更合理的连接方式,科学调整转子表面参数[14]。另外,当螺杆泵的油量在不同的油区变化很大时,还会对橡胶的寿命造成很大危害。如果不注意,橡胶的使用寿命可能会严重受损,甚至失去功能[15]。所以,在生产螺杆泵中,要认真地根据不同油品的参数,合理设置橡胶组分,从而降低了油品中橡胶的不良作用,延长了螺杆泵的使用寿命,降低维护成本。

(2)为了更好地掌握井下的实时状况,应在井下装置的重要部位安装温度控制感应器或气压感应器[16],以便及早获取井下的实时信息,并将其传输给监控单位。管理单位应该依据获取的准确信息,及时调整设备,以避免出现管理疏忽,从而减少可能发生的事故,延长螺杆泵的使用寿命。

(3)对传动部件进行进一步优化设计,包括提高联轴器内推力轴承轴向承载能力、优化减速器传动方式和研制耐高温密封件等。

(4)采油井效率及能耗。需要建立一套完整的定量分析和定性评价分析方法,从理论和试验分析上研究效率和能耗。

3.2 制定科学合理的使用规则

(1)为充分发挥潜油螺杆泵生产系统的优势,在选井时应注意几点:应尽量选择黏度、含沙量适中的油井,这样有利于设备的顺利下放,减少螺杆泵的损坏;选合适的井深;液面在井口时,优化螺杆泵工艺;日液面要求维持在10～350t;大型泵、电动泵改用螺杆泵时,空心抽油杆应尽可能使用;还必须保证螺杆泵井下部分以上套筒不发生任何变形。

(2)在技术要求方面,泵悬挂深度以上的套管内径必须符合规定,一般不得低于124mm,泵的倾斜度不得超过三度;原油的黏度应当保持适当,含砂量不得过高;螺杆泵的提升高度应当与液位保持一致。当螺杆泵的泵悬挂深度低于800m时,提升液的最大量必须不超过350m3/t,而当泵悬挂高度在800～1000m之间时,提升液的最大量则必须低于150m3/t,以确保安全运行。

3.3 潜油螺杆泵的研究重点

潜油螺杆泵在石油开采中发挥着越来越重要的作用,其应用领域和范围也在逐步完善。因此,相关技术要求也在逐步提高。潜油螺杆泵需要适应不同的环境,以确保其能够应用于各种环境。

潜油螺杆泵的研究重点可分为以下几点:

(1)重视大排量、高扬程潜油螺杆泵的研发;

(2)注意提高潜油螺杆泵的节能效果;

(3)减少潜油螺杆泵的泄漏,提高其环保效果;

(4)提高潜油螺杆泵的性能,提高其耐磨性、耐高温性和耐腐蚀性。使用新技术制造潜油螺杆泵,并使用新技术处理潜油螺杆泵表面,以提高潜油螺杆泵的使用寿命;

(5)增加潜油螺杆泵的应用范围,使其能够在恶劣条件下使用;

(6)重视螺杆泵型面的研究。在螺旋外摆线、渐开线和组合曲线的基础上,增加了一种新的螺旋泵型面,该型面应具有密封和传力性能;

(7)研究潜油螺杆泵的相关智能软件,利用计算机技术对潜油螺杆泵进行控制。

结语

潜油螺杆泵是当代最新的采油设备,对石油开采具有重要意义。然而,它仍然存在许多问题,需要研究和改进。有关部门应了解潜油螺杆泵的特点,根据我国石油储量的具体情况,设计适合我国油气使用的潜油螺杆泵,使潜油螺杆泵在我国得到更好的应用,具有更好的发展前景。潜油螺杆泵生产系统具有显著的技术优势和节能优势,符合正确发展理念的要求,为建设良好环境和资源节约型经济社会做出了贡献。因此,国家应加强潜油螺杆泵采油系统的研究和利用,深入探索其工作原理,分析哪些环节可以改进,寻找更多合适的材料,勇于创新,充分发挥潜油螺杆泵供油系统的优势。