原油黏度对潜油永磁直驱电泵效率的影响

崔俊国， 邹文强， 高 翔， 王全宾， 肖文生

（1.中国石油大学（华东）机电工程学院海洋物探及勘探设备国家工程实验室，山东青岛266580；2.中国石油勘探开发研究院采油采气装备研究所，北京100083）

0 引 言

我国稠油资源丰富，已知陆上稠油资源占石油总资源约1 / 5，探明与控制的石油储量约为40 亿t。我国稠油主要集中在辽河、胜利、河南、新疆等油田，根据埋藏深度统计，600 ～1 300 m 的中层油藏储量占67.08%。例如，辽河油田稠油藏量随埋藏深度变化较大，主要分布在700 ～1 300 m 之间，最深可达1 700 m。传统抽油机开采稠油往往存在泵效低、举升阻力大等问题，常出现抽油杆断脱、举不动等情况［1］；电潜离心泵由于流道结构复杂及其离心式工作原理，不适合用于抽吸稠油［2］；螺杆泵作为一种容积式泵，是开采稠油的有效设备。但传统的“三相异步潜油电动机+电动机保护器+行星齿轮减速器+减速器保护器+螺杆泵”的驱动方式，存在着传动链长、故障点多、效率较低的问题。

近几年，采用低速大扭矩潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵的新型采油方式逐渐应用于油田［3-8］，与传统驱动方式相比，采用潜油永磁同步电动机代替三相异步潜油电动机，省去了行星齿轮减速器及其保护器。国内外部分高校、科研院所、企业开展了潜油永磁同步电动机研究［9-14］，但在实验时，均针对潜油永磁同步电动机进行空载/负载实验，没有与稠油开采相结合。效率是衡量采油装置性能且为油田重点关注的重要指标之一，关乎油田节能减排及“绿色油田” 建设［15］。为评价该新型采油系统稠油开采的效率及适应性，本文基于搭建的潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵采油实验平台，开展不同介质黏度下模拟采油实验研究，为该新型采油装备的进一步科学研究及工程化应用提供数据支撑。

1 实验原理

潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵采油实验平台原理图如图1 所示。实验平台主要由低速潜油永磁同步电动机、电动机保护器、转速转矩传感器、螺杆泵、电磁阀组、循环油路系统、控制及参数采集系统等构成。整套装置有两个循环油路：螺杆泵吸排油管路和模拟井下温度环境循环油路。吸排油管路的工作流程为：潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵机组起动，油箱1 中的原油经筛网管进入螺杆泵吸入口，螺杆泵将原油增压排出，经过滤器、电磁阀组后返回油箱1；通过改变油箱1 中原油的黏度，开展原油黏度对潜油永磁同步电动机直驱螺杆泵系统性能影响研究。模拟井下温度环境循环油路工作流程为：油箱2 下端的齿轮泵起动，将油箱2 中的原油吸入潜油永磁同步电动机环套空间，然后再流回油箱2；通过加热棒给原油加热，模拟井下原油温度。

图1 潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵采油实验平台原理图

2 实验装置及过程

2.1 潜油永磁同步电动机

本实验装置采用一台自主研制的10 极12 槽分数槽潜油永磁同步电动机，结构如图2 所示。基于Maxwell软件开展了潜油永磁同步电动机电磁结构参数设计及优化（见图3），分析了电动机的转矩、转速、损耗、效率、转矩脉动、温升等评价指标。电动机性能指标：额定转矩450 N·m，额定转速180 r/ min，额定输出功率8.5 kW，额定点效率85%。

图2 潜油永磁同步电动机结构示意图

图3 潜油永磁同步电动机时刻磁场分布图

2.2 实验测试平台

根据潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵采油实验平台设计方案，完成了实验平台各模块的加工及实验室组装，如图4 所示。其中，压力的控制通过电磁阀组实现：每2 个电磁阀之间连接一根外径为8 mm 的细管，改变1 ～8 号电磁阀的开闭顺序和个数，使油经过的路线长度不同，从而使油在管路内产生的摩阻不同，实现压力的改变，模拟不同的井况。开发了人机交互操作软件，通过电动机控制系统和油管路控制系统，实时采集相关参数。

图4 采油实验平台实物图

2.3 实验安排

（1）采用99#工业甘油水溶液作为实验介质，甘油浓度为99%，将甘油加注到油箱1 中，通过加热棒调节温度来改变甘油的黏度，模拟不同的原油黏度。

（2）根据甘油水溶液黏度-温度变化特性，通过油箱1 的加热保温装置将甘油分别加热到20、26、30、35℃恒定温度，将上述加热到恒定温度的甘油水溶液取少量样品置于烧杯中，搅拌均匀后开始测量，获取4 种黏度工况。

（3）采用NDJ-9S数显黏度计，测量范围（1 ～1 ×105）mPa·s，测量精度± 2%（牛顿液体），配有温度传感器可进行温度测量，测量精度0.1 ℃。将温度传感器放置于烧杯中，对于同一温度的甘油水溶液重复测量两次，获取两组数据取平均值，如图5 所示。测得4 种温度下甘油水溶液黏度值如表1 所示。

图5 NDJ-9S数显黏度计测量

表1 4 种温度下甘油水溶液黏度值

需要注意的是，在使用数显黏度计测量之前，需将黏度计转子浸入搅拌均匀的甘油水溶液中静置2 min再开始测量，目的是让甘油水溶液和转子温度相同，保证测量结果的准确性。进行下一次测量之前，需要对仪器转子进行清洗，防止上次测量时残留液体影响测试结果。

3 效率计算

（1）电动机效率。根据电动机的输入和输出功率计算电动机效率。电动机输入功率（kW）为

式中：U 为电动机稳定运行后电压值（V）；I 为电动机稳定运行后电流值（A）；cos φN为电动机的功率因数。

输出功率P2（kW）由测得的转矩T（N·m）和转速n（r/ min）计算得到：

（2）系统效率。潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵机组系统效率由螺杆泵输出功率和电动机输入功率求得。螺杆泵的输出功率P3（kW）由螺杆泵出口压力p压（MPa）和流量Q（m3/ s）计算：

4 实验结果

实验测试在电动机设定在额定转速条件下进行的。介质黏度分别为700、489.5、340.3、258.5 mPa·s，根据测得的4 种黏度下电动机输入电压、电流，电动机输出扭矩、转速，螺杆泵出口压力、出口流量等数据，计算得到潜油永磁同步电动机效率及系统效率如图6所示。

图6 不同黏度下电动机及系统效率测试曲线

实验时，由于压力波动、电动机齿槽转矩、电磁振动以及机械振动等原因，电动机实时输出转矩和转速存在波动，根据效率计算方法，导致电动机以及系统的实时效率存在波动：

①黏度700 mPa·s 时，电动机效率在75% ～90%波动，平均值为80.1%；系统效率在40% ～50%波动，平均值为45.2%。

②黏度489.5 mPa·s 时，电动机效率在70% ～90%波动，平均值为78.4%；系统效率较平稳，在50%上下小幅波动，平均值为49%。

③黏度340.3 mPa·s 时，电动机效率在70% ～90%波动，平均值为81.3%；系统效率在45% ～55%波动，平均值为50.5%。

④黏度258.5 mPa·s 时，电动机效率在70% ～85%波动，平均值为77.9%；系统效率在45% ～55%波动，平均值为51.6%。

不同黏度工况下的效率平均值如表2 所示。可以看出，测试时，电动机没有工作在额定点而是在额定点左侧附近区域，效率均在80%左右，这与设计值相符，同时也体现了潜油永磁同步电动机高效区宽的特点。当原油黏度较高时，与传统稠油开采系统相比，潜油永磁直驱电泵系统效率仍然能够处于较高水平值；随着原油黏度的降低，系统效率逐渐增大，说明该新型采油装置对于稠油开采具有良好的适应性。

表2 不同黏度工况下的效率值

5 结 语

为评价潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵采油系统开采稠油的效率及适应性，基于搭建的潜油永磁同步电动机直接驱动螺杆泵采油实验平台，采用99%浓度的甘油水溶液模拟井下原油，开展了原油黏度分别为700、489.5、340.3、258.5 mPa·s时的实验研究。在4 种黏度工况下，电动机效率均在80%左右，处于较高水平，体现了潜油永磁同步电动机高效区宽的特点；随着原油黏度的降低，系统效率逐渐增大，体现出应用于稠油开采的良好适应性，为该新型采油装备在稠油开采中工程化应用提供了数据支撑。整个实验过程包括实验方案设计、装置设计、实验安排、数据采集分析等学生深度参与，使学生能够更深层次地掌握油田人工举升的相关理论与技术，对培养学生科学实验能力、跨学科知识应用能力以及创新能力起到积极的作用。