电潜泵采油技术

1电潜泵采油工艺目录第一节电潜泵工作原理及系统组成........................................................................2第二节电潜泵管柱及测试.....................................................................................21第三节电潜泵井工况分析及故障处理.................................................................25第四节电潜泵采油的发展趋势.............................................................................382电潜泵采油是为适应经济有效地开采地下石油而逐渐发展起来日趋成熟的一种人工采油方式。它具有排量扬程范围大、功率大、生产压差大、适应性强、地面工艺流程简单、机组工作寿命长、管理方便、经济效益显著的特点。自1928年第一台电潜泵投人使用以来，经过20世纪70年的发展，电潜泵采油在井下机组设计、制造及油井选择、机组选型成套、工况监测诊断及保护、分层开采和测试等配套工艺方面日臻完善，在制造适应高温、高粘度。高含砂、高含气、含H2S和CO2等恶劣环境的电潜泵机组方面也取得了很大进展。不仅用于油井采油，还用于气井排液采气和水井采水注水。本章着重介绍电潜泵的工作原理、系统组成、地面控制及管柱结构、油井选井、机组配套、工况监测、工况分析、故障诊断、油井分层开采和测试等配套工艺技术。第一节电潜泵工作原理及系统组成一、电潜泵工作原理电潜泵是由多级叶导轮串接起来的一种电动离心泵，除了其直径小长度长外，工作原理与普通离心泵没有多大差别，原理图如图3一1所示。其工作原理是：当潜油电机带动泵轴上的叶导轮高速旋转时，处于叶轮内的液体在离心力的作用下，从叶轮中心沿叶片间的流道甩向叶轮的四周，由于液体受到叶片的作用，其压力和速度同时增加，在导轮的进一步作用下速度能又转变成压能，同时流向下一级叶轮人口。如此逐次地通过多级叶导轮的作用，流体压能逐次增高而在获得足以克服泵出口以后管路阻力的能量时而流至地面，达到石油开采的目的。表述电潜泵性能的主要参数有：额定排量Q、额定扬程（压头）H。额定轴功率P、额定效率、额定转速n等参数。电潜泵的额定排量和效率取决于泵型，额定扬程决定于泵型和级数，额定轴功率由额定排量和扬程确定，额定转速取决于电机结构。二、电潜泵系统组成及作用电潜泵采油系统由井下和地面两部分组成，如图3一2所示。1．井下系统组成及作用电潜泵井下系统主要由电机。潜油泵、保护器、分离器、测压装置（PSI／PHD）、动力电缆、单流阀、测压阀／泄油阀、扶正器等组成。（1）电机电潜泵电机又叫潜油电机，它是电潜泵机组的原动机，一般位于最下端。它是三相鼠笼异步电机，其工作原理与普通三相异步电机一样，把电能转变成机械能。但是，它与普通电机相比，具有以下特点：机身细长，一般直径160mm以下，长度5～10m，有的更长，长径比达28.3～125.2；转轴为空心，便于循环冷却电机；启动转矩大，0.3s即可达到额定转速；转动惯量小，滑行时间一般不超过3s；绝缘等级高，绝缘材料耐高温、高压和油气水的综合作用；电机内腔充满电机油以隔绝井液和便于散热；有专门的井液与电机油的隔离密封装置一一保护器。潜油电机结构如图3—3所示，它由定子、转子、止推轴承和机油循环冷却系统等部分组成。图3-1电潜泵工作原理图31）定子定子的功能是产生旋转磁场，将电能转变成磁能，主要包括定子铁芯、黄铜夹段和定子绕组等。定子铁芯是由许多彼此绝缘的圆形硅钢片重叠而成的，铁芯内圆周上有用来嵌入绕组导线的玉米形切槽，外圆周电机油循环的油槽。定子铁芯横截面目前有两种形式，一种是开式结构，一种是闭式结构，如图3—4所示。图3-2电潜泵采油系统组成示意图图3-3潜油电机结构示意图图3-4定子截面示意图图3-5星点结构示意图图3-6潜油电机转子总成示意图4黄铜夹段是为了防止转子扶正轴承被磁化而加人的一段磁阻较大的黄铜。定子绕组是较粗的外面包裹有耐油、气、水，耐高温高压和高绝缘强度材料的均匀铜导线，输送励磁电流。绕组制作有两种方式，一种是工程塑料挤制，一种是薄膜绕包烧结。定子绕组都是星形联接，星点结构一般如图3一5示。2）转子转子是产生感应电流而受力转动并将电磁能转变成机械能的部分，由转子铁芯、转子绕组、短路环、轴和键组成，如图3—6所示。同定子一样，转子也由许多段组成，每段通过键与轴相连，各段转子间有扶正轴承，扶正轴承与黄铜夹段相对应，转子的上下端用螺帽或卡簧固定。3）止推轴承由于潜油电机是立式悬挂结构，其轴向载荷由止推轴承承担。止推轴承除承担轴向载荷，还承担因偏转运动而产生的径向载荷。潜油电机的止推轴承有两种，一种是滚动轴承，一种是滑动轴承，见图3一7。4）循环冷却系统潜油电机冷却系统由润滑叶轮、滤网、定子油道、油孔和空心电机轴及电机油等组成，参看图3一图3-7潜油电机止推轴承表3-1胜利油田无杆泵公司生产潜油电机性能参数563，带走电机定子和转子在交流和涡流作用下产生的热量，达到冷却电机和保护绝缘材料的作用，延长电机寿命。潜油电机油的性能必须达到如下要求：闪点不低于150℃；凝固点不高于-40℃；介电损失剪切角为0.001～0.002（20℃）；介电强度不低于20kV／mA（20℃）；体积电阻力1014～1016/cm3（20℃）；粘度为8.7×10-4Pa·s左右；密度为0.87g/cm3左右；酸值为0.021mg/gKOH当量；长期工作在80～120℃、8～12MPa及2800～2900r／min条件下性能稳定。表3－l是国内外常用的潜油电机性能参数。（2）潜油泵潜油泵为多级离心泵，包括固定和转动两大部分。固定部分由导轮、泵壳和轴承外套组成；转动部分包括叶轮、轴、键、摩擦垫、轴承和卡簧。电潜泵分节，节中分级，每级就是一个离心泵，结构组成如图3一8示。潜油泵按叶轮是否固定分为浮动式、半浮动式和固定式三种。与普通离心泵相比，电潜泵具有以下特点：直径小，排量范围大，外径一般为85.5～102mm，排量范围可达30～8000m3／d；级数多，长度长，扬程范围宽，级数可达400级，长度可达20m，扬程一般在150～4500m；泵吸口有气体分离或压缩装置，防止气蚀和提高泵效；有径向扶正，轴向卸载和液压平衡机构。电潜泵在工作时，由于进出口之间存在很大的压力差，产生很大的轴向力。为减小或消除轴向力，在叶轮上下部装有止推垫，通过导轮将轴向力传递给泵壳。径向扶正和轴向卸载机构如图3—9所示。液压平衡机构有两种，一种是平式叶轮液压平衡机构，如图3—10示，一种是混流型叶轮的平衡机构，如图3一11所示。平式叶轮的平衡原理是，经增压后的流体大部分流向导轮，一部分进人A、B区，因A、B区连通，压力相等，达到平衡目的，只要面积相等，则轴向力抵消。混流型叶轮的平衡原理是，在叶轮的中心部位打孔，使得B区内的压力接近泵吸人口压力，从而消除部分轴向力。l）叶轮图3-10平式叶轮液压平衡机构图3-8电潜泵结构示意图图3-9径向扶正和轴向卸载机构图3-11混流型叶轮的平衡机构7叶轮是电潜泵的核心部分，它是将机械能转变成生产流体压能的关键部件，液体通过叶轮时，液体的压能和动能都得到增加，叶轮结构如图3—12所示，采用铸造后机加工工艺生产。分为浮动叶轮、顶部浮动、叶轮压紧叶轮、轴承叶轮等四种。前三种叶轮在泵中的安装顺序是：从上到下依次为压紧叶轮、顶部浮动、浮动叶轮。浮动叶轮在装配后允许有一定的轴向窜动量，叶轮之间互不影响。有这样几点好处：装配时不存在轴向的长度累积误差问题；在一定排量范围内，叶轮处于浮动状态，叶轮消耗的摩擦功率小，泵效比较高，接触部分的磨损小。它不能承受轴向载荷，也不能传递自身的轴向力，其轴向载荷是通过止推垫片传递给泵壳的。Centrilift、ODI、天津斯波泰克公司生产的电潜泵的叶轮全是浮动式的，REDA公司的机组有60％叶轮为浮动式。对于浮动叶轮，泵工作排量必须处于合理排量范围内工作叶轮才处于悬浮状态，否则，叶轮要么靠上贴紧导轮，要么靠下贴紧导轮，都增加摩擦和磨损，如图3—13示。轴承叶轮也叫短把叶轮，其轮我比普通的短13mm，装配时用塑料轴承代替被切去部分，运转时处于浮动状态，有助于减轻电潜泵的振动。一般是每6～10级装一个轴承叶轮和塑料轴承。顶部浮动叶轮在每一节泵中都有一个，其安装在半环键的下面，轮我尾部短6mm，相当于半环键的长度。压紧叶轮在泵轴上由两端的半环键固定起轴向定位作用，由压紧螺母将多级叶轮压紧，达到首尾相连的目的，叶轮与泵轴间无窜动，能够承受较大的轴向力。2）导轮导轮是泵的固定部分，其与叶轮吸人口配合形成吸人室将液体引人下一级叶轮的进口处。它一方面将动能转变成压能和降低速度减小摩阻损失；一方面改变流向，将流体导人下一级叶轮人口，导轮结构见图3—14。3）轴泵轴将来自电机的扭矩传递给泵内的每一级叶轮，并通过花键连接传递给上一节泵。其特点是传递功率大，细长，两端为花键，轴向上有一通长的键槽，见图3—15。其材料强度高，韧性和塑性好，耐腐蚀。美国使用的材料一般为蒙乃尔（MONEL）K—500合金材料，抗拉强度达960MPa，屈服强度为686MPa，硬度为HRC36，冲击韧性为100J／crn2，延伸率达28％。国内尚未找到与K—500性能指标相近的材料，国内代用材料在强度上与K—500相近，但塑性和韧性没有达到。直线度要求为万分之一，即0.1／1000，直径公差控制在0.05mm以内。一般采用冷拔工艺制成。4）平键图3-12叶轮结构示意图图3-14导轮结构示意图图3-15泵轴示意图图3-13浮动叶轮工作时受力示意图8电潜泵的平键为细长形键，尺寸为1.6mrn×l.6mm×800mrn，安装在泵轴与叶轮之间。其侧面为工作面，不能承受轴向力，保证叶轮可U轴窜动。美国材质一般为K—500，国内材料为1Cr18Ni9Ti，一般采用冷拔工艺制造。5）泵壳泵壳是泵的外壳，它是多级叶导轮的支架。要求直线度为0.1／1000，材料的抗拉强度较高，弹性和刚性好。一般采用25Mn材料，美国采用钢板卷焊成型，国内采用无缝管热扎或冷拔制造。表3一2和表3－3是国外各生产厂家潜油泵基本数据。表3－2沈阳电机厂生产的潜油泵基本数据排量，m3／d50100150180200泵效，％44.959.559l58.560单级扬程，m4.835.954.74.84.8额定转速，r／Inin28502850285028502850（3）保护器保护器又叫潜油电机保护器，是电潜泵所特有的。其位于电机与气体分离器之间，上端与分离器相连，下端与电机相连，起保护电机作用。其基本作用有以下四个方面：密封电机轴动力输出端，防止井液进人电机；保护器充油部分允许与井液相通起平衡作用，平衡电机内外腔压力，容纳电机升温时膨胀的电机油和补充电机冷却时电机油的收缩和损耗的电机油；通过其内的止推轴承承担泵轴、分离器轴和保护器轴的重量及泵所承受的任何不平衡轴向力；起连接作用，连接电机轴与泵/分离器轴，连接电机壳体与泵/为离器壳体。保护器的种类很多，从原理上可以分为连通式保护器、沉淀式保护器和胶囊式保护器等三种。对于一般井，只用一种保护器；对于特殊井，有用两级或多级串接的组合式保护器，一般组合方式是沉淀式保护器十胶囊式保护器。图3—16是连通式保护器的结构示意图，是根据虹吸原理制成。主要由机械密封。止推轴承、止推轴承座、壳体、接头总成和注油阀组成。保护器的护轴管、呼吸孔、隔离套、上壳体、连通孔组成“U”形管，使电机内腔压力与井液压力相差很小，基本处于平衡状态。其关键部件是三道机械密封。表3-3美国ODI公司生产的潜油泵基本数据9图3—17为沉淀式保护器示意图，主要由机械密封、沉淀室、沉淀管、轴及止推轴承组成中间为止推轴承，上下两端为沉淀室。其主要是根据井液与