电动潜油螺杆泵技术现场节能应用

吴 频，李 帅，宋 磊

（渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

油田经过多年的开采，开采难度越来越大，部分油田地况复杂，原油物性不佳，尤其是对于高黏、高凝且含蜡含砂较多地层开采难度更大，产油效率极低，且开采成本逐年攀升，在油田采油作业中通常采用人工举升工艺进行开采，在稠油开采过程中，为了解决原油在井筒内流动性差、易堵塞井筒等生产难题，通常在作业中采取加装伴热系统以增强井筒内原油的流动性，虽然在一定程度上缓解了稠油开采难度大等问题，但是生产运行成本大幅增长，耗电量及维修费用激增，且在生产中极易出现井筒结垢、腐蚀严重等问题，在采油过程中应用电动潜油螺杆泵可以有效实现稠油冷采问题，同时具有显著提高生产效率、节约耗电量等节能效果，对电动潜油螺杆泵的工作原理及性能结构进行简要阐述，并结合在二井子镇及李家屯等油田实际应用效果进行分析，与原来采油技术相对比，发现应用电动潜油螺杆泵具备良好的节能效果，值得在石油开采尤其是地质复杂、原油物性差等作业环境中广泛应用。

1 电动潜油螺杆泵概述

1.1 工作原理

电动潜油泵潜水电缆的主要作用是向电动潜油螺杆泵电机传输电流，再由电机对电动潜油螺杆泵进行驱动，电动潜油螺杆泵通过对油井内液体进行加压，使井内液体不断向上升至地面。电动潜油螺杆泵主要由电机控制柜、水下电机、常规螺杆泵装置以及动力输入系统等构成。

1.2 定子及转子

在电动潜油螺杆泵工作时，在人工举升作业中定子主要由标准丁腈橡胶、软腈橡胶、高丙烯腈橡胶、氢化丁腈橡胶以及碳氟橡胶5 种橡胶类型。其中标准丁腈橡胶在富含中油以及稠油的油井中应用较广，氢化丁腈橡胶则广泛应用于富含高温和砂的油井，而轻油和芳烃含量较高的油井一般用碳氟橡胶。

定子和转子之间应当留有最佳间隙以保证设备正常运行，影响间隙的因素主要有：电动潜油螺杆泵入口处介质温度、定子橡胶的类型、电动潜油螺杆泵体形状、油井内介质构成以及橡胶与介质的相容性等。通过不断优化间隙可以有效提高电动潜油螺杆泵的生产效率及使用周期。一方面，由于橡胶基于油井内温度的变化以及井内石油及芳烃的含量发生热膨胀或是化学膨胀，此时通过正确应用转子可以达到提高生产效率以及延长电动潜油螺杆泵使用寿命的目的。另一方面，如果间隙过小，石油中的芳烃导致橡胶膨胀时，会因为转子和定子之间的间隙过小而使电动潜油螺杆泵无法工作，在对稠油介质进行作业时，应当应用较小的干扰量以减少内部泄漏量。另外，由于砂井对电动潜油螺杆泵的磨损较大，较为紧密的过盈度可以有效降低对泵的损耗。

1.3 控制系统及同步电机

电动潜油螺杆泵的控制系统主要对电机的启、停控制，同时对整个系统的运行状态进行实时监控，操作人员通过数字化远程智能系统进行有效控制。

电动潜油螺杆泵中的永磁同步电机主要由定子、转子以及端盖等主要部件构成，其最主要的特征就是永磁同步电机中定子结构与常规感应电机较为一致，而转子并不相同，主要就是在转子上安装有磁极，通过磁极来产生磁场。永磁同步电机的主要特点就是在低速运转时其扭矩较大，同时没有转差、转子损耗，并且生产效率较高。

1.4 保护器及联轴器

高推力保护器在承受轴向力方面具有较大优势，同时通过囊及沉积物对油井内各种复杂多变的作业环境进行良好适应，其工作环境主要适应低速及高扭矩传动工作。联轴器中耐磨、耐腐蚀材料及径向轴承设计可以有效提高驱动端的驱动准确性；另外，通过高推力的设计可以保证在较大轴力作用下，联轴器仍能保证良好的抗压性及可靠性。大摆角的设计也可以应用于多种类型的工作泵。

1.5 油井内温度及压力检测装置

该检测装置由数据采集及处理系统构成，电动潜油螺杆泵与该装置构成一套完整的单井采油装置，该装置可以对电动潜油螺杆泵的温度、压力等工作参数进行准确检测，同时可以提供多参数显示系统以满足用户对潜油螺杆泵参数的监控。通过水下螺杆泵监控设备收集数据并对其进行分析，操作人员可以实时监控油井的运行状态以保证工作效率及安全，操作人员依据参数的具体变化来调整操作，可以有效提高单位时间内油井的产量并显著降低采油成本。

2 电动潜油螺杆泵相较于传统人工起重设备的优势

（1）在采油作业中实现无杆采油，有效减少设备损耗，主要是减少杆柱与杆管的机械磨损，同时采用无杆设计，减少抽油机地上设施和抽油杆的应用，极大的节约采油成本，另外该设备相较于传统人工起重设备具有占地面积小、井口泄漏量小、噪声量小、安全可靠且维修费用低等优势。

（2）电动潜油螺杆泵在生产实践中可以广泛应用于斜井、稠油井、含砂、含气井等复杂工况油井的开采，其应用范围更广。

（3）整机效率较传统人工起重设备显著提高，节能效果十分明显。

（4）整机使用寿命大幅延长，保护功能相较于传统人工起重设备大幅提高，由于不需要减速设备，大大减少减速设备常见故障点，同时具有强大的电路超载、超压防护功能，也能良好解决潜油电缆经常出现的反射波和漏电现象，永磁同步电机采取防退磁设计可以有效避免电动潜油螺杆泵反转等现象。

（5）实现对整个系统的智能远程控制，通过油井相关生产运行参数的及时反馈和实时采集，操作人员根据数据结果及操作规程远程控制液位、产液量等参数，对油井的相关参数及工况合理判断，提高生产效率，降低采油成本。

3 电动潜油螺杆泵相关参数选择

正确选择电动潜油螺杆泵的扬程及排量等相关参数，可以有效提高生产效率和降低设备投资成本。在选择电动潜油螺杆泵的排量时，要注意设计排量应当小于1.5 倍的理论排量，泵入口气体流量与三相流体流量的比值＜50%，如果该比值＞50%就需要使用HR 转子或安装气锚等设备以提高气体的分离效果，或采取降低排量调整泵的位置等具体措施。同时泵的最大扬程的70%要大于泵的总压头，且在加装压力传感器时要注意其井沉没度≥100 m，而没有加装压力传感器的井沉没度≥300 m，如果井沉没度太低则需采取加深泵挂及减小排量等相关措施。

4 电动潜油螺杆泵现场测验效果

4.1 二井子镇油田

二11-15 为二井子镇油田1 号抽油机井，地层每日产液量约4.7 m3，日均产油量为1.7 t。该井原油主要为稠油，80 ℃时原油的黏度为2678 mPa·s，20 ℃时原油的相对密度为0.974 5，凝固点为25.4 ℃，蜡含量为3.4%，且地层出砂率较高。传统抽油机井作业时主要利用套管进行伴热，水流量为11 m3/d，采用电加热器为伴热进行加温，日耗电量约900 kW·h。由于抽油机井为稠油导致生产参数及负荷变化频繁，且耗电量较大。2020 年1 月10 日开始连续7 d 在该井应用电动潜油螺杆泵进行生产，日均产油量大幅提升至2.3 t。

4.2 李家屯油田

家31-23-1 井为李家屯油田1 号电泵井，地层每日产液量约10.4 m3，日均产油量为7.7 t。每日地下掺水约25 m3。该井原油物性不佳，80 ℃时原油的黏度为2478 mPa·s，20 ℃时原油的相对密度为0.934 5，凝固点为29 ℃，蜡含量为7.4%。由于地层供液性差及原油物性不佳，导致电泵散热效果不好，频繁产生跳泵现象，严重影响生产效率。2020 年6 月10 日开始应用电动潜油螺杆泵进行生产，日产油量较为稳定，保持在7.5 t/d。

4.3 电动潜油螺杆泵节能效果评估

二11-15 采取电动潜油螺杆泵后，开井后不再向地下掺水辅助采油，油井正产运行日均产油量提升至2.3 t，日耗电量大幅下降至60 kW·h，而通过抽油机井套掺水生产时日耗电量高达1300 kW·h，日均耗电量大幅下降至1240 kW·h，节电率高达94.6%，年减少耗电量45.26×104kW·h，折合节约人民币36.18 万元，投资费用约为50 万元，投入产出比为1∶0.73。

家31-23-1 井在应用电动潜油螺杆泵后，日均耗电量为245 kW·h，实现日节约耗电量1032 kW·h，节电率高达80.5%。其中电泵年耗电量约为45.6×104kW·h，而应用电动潜油螺杆泵作业年耗电量仅为9.31×104kW·h，年节约耗电量为36.29×104kW·h，折合人民币为29.87 万元，其投资费用约50 万元，电泵检修费用每年约34 万元，年综合创收62.5 万元，投入产出比为1∶1.25。

目前来看，在采油过程中应用电动潜油螺杆泵共计12 口，应用后日均产油量大幅增加且耗电量大幅减少，日均产油量增加约为22.4 t，日均节电约16 345 kW·h，节电率为88.7%，年节约资金约为288 余万元。

5 结束语

（1）电动潜油螺杆泵的广泛应用可以有效实现在较复杂工况下的稠油冷开采，尤其是在那些含水量较低、出砂量较高、高黏度高浓稠的稠油井中，应用过程中可以发现显著降低能耗，并且对于复杂工况的适应性较好。

（2）由于电动潜油螺杆泵工作时不需要杆，因此可以有效减少杆与井筒之间的磨损，从而减少能耗，增加设备使用寿命，尤其适用于全角变化率较大的油井。

（3）基于电动潜油螺杆泵中的智能控制系统，操作人员可以更好的控制液位的稳定性，有效杜绝泵在油井液位归零情况下的“干抽”现象，增加设备的使用寿命。

（4）虽然电动潜油螺杆泵的应用大大提高了生产效率及设备使用周期，但是也存在一定问题，例如泵的扬程及排量选取需要进一步优化，合理选择电机举升能力影响下泵的液量和深度。

（5）目前电动潜油螺杆泵的生产成本较高，应当对电力电缆和电力控制柜等方面进行工艺改进，只有成本降低才能更广泛地应用于稠油开采。