國產(chǎn)潛油電泵機組研發(fā)成功
時間：2016-12-12 14:07
來源：
作者:李恩林 李軍 姜晶
中 國電網(wǎng)頻率為 50Hz， 渤海自營油田一般以 國產(chǎn)潛油電泵機組作 為主要的人工舉升方 式，其選型設計和工作運行頻率均 設定為 50Hz，即額定頻率。有些油 井當潛油電泵機組提高運行頻率至 50Hz 后，油藏供液能力仍有富余， 但傳統(tǒng)的使用觀念認為頻率最高只 能提至 50Hz，再升高頻率將會損 壞潛油電泵機組，由于這種觀念的 原因，使得許多油井的油藏供液能 力未充分釋放。2013 年初，渤海自 營油田運行頻率在 50Hz 的油井有 420 口，其中不乏有供液能力能夠 進一步釋放的油井。因此，研究和 試驗國產(chǎn)潛油電泵機組高頻生產(chǎn)可 行性以繼續(xù)提高產(chǎn)液水平實現(xiàn)經(jīng)濟 效益最大化非常必要。研究選取某 油田 A06 井進行先期高頻生產(chǎn)研究 和試驗。
潛油電泵機組 高頻生產(chǎn)可行性
國產(chǎn)潛油電泵機組的工作頻率 如果超過選型設計時的額定頻率 （這 里指的是 50Hz 中國電網(wǎng)頻率）， 滿足以下三個條件即可保證潛油電 泵機組的正常運轉。電機輸出功率 大于等于電泵所需功率；電泵所需 功率產(chǎn)生且作用在泵軸上的最大扭 矩要小于該規(guī)格泵軸的許用扭矩； 泵生產(chǎn)時所產(chǎn)生的軸向力要小于該 規(guī)格保護器止推軸承在相同頻率下 所能承受的許用軸向力。 在 對 上 述 三 個 條 件 評 估 和 計 算后，將取得該套潛油電泵機組高 頻生產(chǎn)的頻率上限。A06 井 2011 年 12 月下入斯倫貝謝（天津）潛 油電泵機組生產(chǎn)，該機組為國產(chǎn)潛 油 電 泵 機 組， 電 泵 排 量：100m 3 / d，電泵揚程：1,500m，泵軸徑： 17.46mm，50Hz 下電機額定功率： 56kW，額定電壓：1,216V，額定 電流：39A，保護器止推軸承：普 通型。2013 年 4 月提頻至 50Hz 后， 產(chǎn)液量保持在 160m 3 /d 左右，生產(chǎn) 壓差 1.57MPa，生產(chǎn)壓差較小，采 液 強 度 3.80m 3 /d.MPa， 采 液 強 度 也較低，預計 60Hz 頻率下，產(chǎn)液 量達到 192.7 m 3 /d，生產(chǎn)壓差達到 1.88MPa，采液強度達到 4.56m 3 / d.MPa，屬合理生產(chǎn)范圍。
由于該 井地層供液能力較強，該井有較大 的提產(chǎn)空間。 電機輸出功率與電泵所需功率 計算根據(jù)流體性質擬合后的 A06 井 電泵特性曲線（圖 1），50Hz 運行 時，產(chǎn)液量達到 160.6m 3 /d 時，電 泵實際揚程為 700m，電機輸出功 率為 40.28KW，而 50Hz 下電機額 定功率為 56kW，有較大的功率安 全冗余。 潛 油 電 泵 工 作 特 性 與 供 電 頻 率 之 間 的 關 系 式：(Q2/Q1)=(n2/ n 1 ) = ( f / 5 0 ) ； ( H 2 / H 1 ) = ( n 2 / n1)=(f/50) 2 ； (N2/N1)=(n2/ n1)=(f/50) 3 。式中 Q1,H1,N1 分別 為電源頻率為 50Hz 下排量、揚程和 泵軸功率；Q2、H2、N2 分別為電 源頻率為f下排量、 揚程和泵軸功率。 電機輸出功率與供電頻率之間的關 系 式：P2/P1=(n2/n1)=(f/50)； 式 中 P1 為電源頻率為 50Hz 下電機 額 定 功 率；P2 為 電 源 頻 率 為 f 下 電機輸出功率。根據(jù)以上兩公式和 潛油電泵機組高頻生產(chǎn)時的必備 條 件 一 的 要 求， 可 推 導 出 下 式： P2=P1(f/50) ≥ N2=N1(f/50) 3 。 通 過上述公式分別計算，不同頻率下 電機輸出功率與電泵所需功率（圖 2）， 當 頻 率 達 到 59Hz 時， 電 機 輸出功率與電泵所需軸功率相等， 為 66kW。 因 此， 頻 率 低 于 59Hz 時，電機輸出功率能夠滿足高頻生 產(chǎn)要求。
同時，該井電泵泵軸設計 最大扭矩為 195N.m，當頻率低于 61.6Hz 時，泵軸扭矩滿足要求。泵軸扭矩計算，潛油電泵泵軸 扭矩計算公式如下：M=9,550N/n； 式中，M 為扭矩，N.m；N 為功率， KW；n 為轉速，r/min。該井電泵 泵軸設計最大扭矩為 195N.m，從 表 1 看出，當頻率低于 61.6Hz 時， 泵軸扭矩滿足要求。 保護器止推軸承軸向力計算。 該井電泵葉輪采用全浮式結構，因 此葉輪受到的軸向力通過自身各個 方向力的疊加和抵消作用形成一個 自由浮動的平衡態(tài)，沒有軸向力作 用到泵軸上。泵軸所受的軸向力主 要是工作時液柱對軸頭端面的壓力， 這個壓力主要與液柱的高度、軸的 截面積有關。軸向力計算公式如下： F=ρghs/1,000,000； 式 中，F(xiàn) 為軸向力，N；ρ 為原油密度，g/ cm 3 ；h 為揚程，m；s 為軸截面積， mm 2 。泵軸的直徑為 17.46mm，當 電泵舉升揚程達到 3,759m 時，止 推軸承承受軸向力達到設計最大值 8,820N，此時運行頻率為 116Hz。 綜合以上三方面計算，理論上該井 高頻生產(chǎn)最高頻率可達到 59Hz，為 了便于地面設備參數(shù)調整，以頻率 60Hz 為上限。
地面設備條件 高頻生產(chǎn)可行性
高頻生產(chǎn)是通過提高電源頻率 來提高電機額定電壓，從而提高電 機的額定輸出功率，地面設備的相 關參數(shù)需要進行校核才能保證潛油 電泵機組高頻后的正常生產(chǎn)。需要 校核的參數(shù)包括：變壓器檔位電壓 / 檔位電流是否滿足要求；變壓器容 量是否滿足要求；變頻器額定電流 是否滿足要求。 變壓器檔位電壓 / 檔位電流校 核，由 60Hz 條件下潛油電泵機組所 需地面電壓可知，原 50Hz 變壓器 檔位電壓已經(jīng)無法滿足要求，需要 調高一檔電壓至 1,640V 才能滿足 高頻生產(chǎn)要求，相應的檔位電流也 能滿足高頻生產(chǎn)要求。變壓器容量 校核，變壓器容量必須滿足電機最 大負載的啟動，所以應根據(jù)電機的 負載來確定變壓器的容量，根據(jù)下 式計算：P N = √ 3I(U+?U)/1,000。 式中，PN 為變壓器容量，KVA；U 為電機額定電壓，V；ΔU 為電纜 壓降損失，V；I 為電機額定電流。 計算該井 60Hz 下潛油電泵機組所 需變壓器容量為 108.35KVA，該井 采用的 160KVA 變壓器滿足高頻生 產(chǎn)要求。變頻器額定電流校核，該 井采用 160KVA 中壓變頻器（0.6- 2.6KV、50A），容量和輸出電壓均 滿足高頻生產(chǎn)要求，額定電流采用 以下公式確定是否滿足高頻生產(chǎn)要 求：U2=U1(f/50)；I2=((U2+ΔU)/ U)I1；I2 ≤ 0.91I， 式 中 U1 為 50Hz 下電機的額定電壓，V；U2 為調到預定最高頻率時的電機工作 電壓，V；I1 為 50Hz 下電機的額 定電流，A；I2 為調到預定最高頻 率時的電機工作電流，A；I 為變頻 器額定電流，A；U 為升壓變壓器 一次端電壓，V；ΔU 為電纜電壓 降，V；f 為調到預定的最高頻率， Hz；計算出 I2 為 39.87A，小于變 頻器額定電流的 0.91 倍（45.5A）， 變頻器額定電流滿足高頻生產(chǎn)要求。
現(xiàn)場調試增效效果良好
在對 A06 井國產(chǎn)潛油電泵機 組及地面設備條件高頻生產(chǎn)可行性 理論計算后，于 2013 年 7 月 28 日 實施地面設備調參，并以 2Hz 為間 隔逐漸提頻生產(chǎn)，8 月 4 日提頻至 56Hz 后， 產(chǎn) 液 量 181.1m 3 /d， 增油量 26m 3 /d，運行電流 35~37A， 接 近 額 定 電 流， 為 防 止 電 機 負 載 太大，保持油井穩(wěn)產(chǎn)，控制頻率在 56Hz。 至 2014 年 5 月 23 日（ 平 臺拆除該井停產(chǎn)）期間，該井潛油 電 泵 機 組 運 行 穩(wěn) 定， 未 發(fā) 生 任 何 異常情況，平均日增油 30.33m 3 ， 累計增液 1.35×10 4 m 3 ，累計增油 0.91×10 4 m 3 ，取得經(jīng)濟效益 3436 萬元（原油價格：100 美元 / 桶； 人民幣對美元匯率：1 美元 =6.0665 人民幣元），高頻生產(chǎn)效果顯著。 2014 年以后，借鑒該井高頻生產(chǎn)經(jīng) 驗，渤海自營油田相繼對滿足條件 的 11 口油井進行高頻生產(chǎn)，各潛油 電泵機組運行穩(wěn)定，并取得了不錯 的增油效果。 總之，A06 井首次在渤海自營 油田實現(xiàn)了國產(chǎn)潛油電泵機組高頻 生產(chǎn)，提頻后增油效果明顯，潛油 電泵機組運行穩(wěn)定，通過借鑒該井 的成功案例，并在渤海自營油田進 行了推廣。國產(chǎn)潛油電泵機組最高 頻率不應以 50Hz 為上限，油藏條 件、潛油電泵機組、地面設備如果 滿足高頻生產(chǎn)條件，可以將頻率提 至 50Hz 以上，但由于潛油電泵轉 速過快易產(chǎn)生氣蝕導致葉輪損壞， 因此，提頻上限一般不超過 65Hz。 高頻生產(chǎn)通過花費很低的成本就能 有效提高電潛泵舉升能力，釋放部 分油藏產(chǎn)液能力，經(jīng)濟效益可觀。 但如果高頻生產(chǎn)后油藏產(chǎn)液能力仍 然非常充足，應采取更換大排量潛 油電泵機組方式釋放油藏產(chǎn)液能力。 （注：本文作者順序依次為李恩林、 李健忠、李軍、姜晶、王雅然）
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