高溫電動潛油泵在稠油開采中的應用分析

姚春雪 顏偉

摘要：目前，我國許多油田已經進入中后期開采階段，諸如油藏的滲透率低、設備大量腐蝕等層面的問題開始集中顯現，油田企業面臨著產能下降和需求提升的困局。此外，以克拉瑪依油田為例，油田稠油占比高，開采難度大。現階段針對油田中后期開采和稠油開采，高溫電潛泵日益發揮技術優勢，極大的提高油田產能。本文針對高溫電潛泵在稠油開采中的技術優勢進行論述。

關鍵字：稠油 潛油電泵 耐高溫 密封

一、原油黏度對采油的影響

油氣所涉及的油氣水物性，流入動態，井筒流動，以及流體在泵等井下設備中的流動均與壓力與溫度有關。其中，油氣水物性包括密度，溶解汽油比，和黏度等。原油黏度越大，開采的技術難度越高，從井底舉升到地面較一般輕油更為困難。

原油黏度指原油內部對流動的阻力，是決定原油在地層孔隙和管道中流動的一個重要物理量。原油黏度取決于它的化學組成、溫度、壓力、溶解汽油比等條件。

二、電潛泵系統基本結構

電潛泵系統基本上由三大部分八大件組成

（1）井下部分：包括電動機，保護器，分離器和多級離心泵。

（2）中間部分：電纜。

（3）地面部分：包括控制屏，接線盒和變壓器。

（一）電潛泵

電潛泵是一種多級離心泵，每一級基本上由一個旋轉的葉輪和一個靜止的導輪組成，可根據生產容積和舉升確定總級數，再根據總級數確定電動機馬力和總水頭。為了達到最佳的防腐效果，導輪通常采用耐蝕鎳合金材料制造，并用金屬外殼作為保護膜。

（二）電動機

電潛泵中使用的電機為三相鼠籠異步電機。其工作原理與普通三相異步電機一樣，把電能轉化為機械能。

但是它與普通電機相比，它有以下特點：

轉軸為空心，便于冷卻循環電機;絕緣等級高，絕緣材料耐高溫，耐高壓和油氣水的綜合作用;電機內腔充滿電機油以隔絕井液和便于散熱;有專門的井液與電機油的隔離密封裝置-保護器。

（三）保護器

電動機保護器有多種功能，例如：

（1）防止井中液體流入電動機內。

（2）當電動機運行時，電動機內的潤滑油因溫度升高而膨脹，保護器內有足夠空間存儲因膨脹而溢出的電動機油。反之，當潤滑油的溫度下降而收縮時，保護器內的潤滑油又可以返回補充給電動機。

（四）電纜的功能是為電動機提供電能，主要由導體，絕緣層，護套層所組成。電纜的選擇取決于電壓、電流強度、油套環形空間和井底溫度。

（五）控制屏

控制屏的功能是電潛泵的啟動和停機，它還可以對電潛泵系統的短路、過載、欠保護以及欠載延時等狀況進行自動啟動。

（六）井口裝置

井口裝置由套管尺寸、油管尺寸、最大推薦載荷、井口壓力和最大安裝深度所確定，其主要功能是利用壓力來密封油管和電纜之間的空間，用此種方法，可減少通過電纜的氣體運移速度。

（七）接線盒

接線盒安裝在井口裝置和控制屏之間，它的功能是防空由潛油電纜線芯內上升至井口的天然氣，從而防止天然氣在控制屏中積聚和爆炸。

（八）變壓器

變壓器是用來改變交流電電壓的一種設備。變壓器由一個鐵芯和纏繞在鐵芯上的絕緣銅線線圈組成，通常鐵芯和線圈浸泡在變壓器油里。變壓器油不但可以作為絕緣介質，而且對變壓器有一定的冷卻作用。

簡言之，電潛泵機組以電能為能源。將電能傳輸給電動機，電動機將電能轉換為機械能帶動電潛泵高速旋轉。潛油電泵中的每級葉輪，導輪使井液壓力逐步升高，在潛油泵出口處達到潛油泵要求的舉升揚程，井液便通過油管舉升至地面，最后通過地面管線傳輸至地面集輸系統。

三、高溫電潛泵開采稠油的技術優勢

同其他機械采油方式相比，在我國電潛泵已經可以用于產量為40m3/d的油井，能夠較好的應用于斜井、水平井，生產時效高，有利于原油生產，以及便于安裝井下壓力傳感器等。但是傳統的電潛泵也有其局限性，如不適用于零散井，井底高溫高壓等不利環境易使電纜及電動機出現故障等。

使用用電潛泵開采稠油，進行泵的設計安裝時，除考慮常規的要求和油藏特性外，還應要求應具有較好的耐磨蝕和耐高溫性，以及對于高粘度稠油，應有較大的排量。

在國際領域，美國是生產和應用電潛泵最多的國家。美國的Reda公司采用特殊的耐高溫絕緣材料和橡膠密封材料，設計生產能適應200℃以及以上井溫的電動機，泵軸功率為 559～7457kw，泵效為44%～70% ，地熱井的耐溫可達232℃。Bome公司生產的電潛泵用電纜，耐高溫達240℃。可見在電潛泵的耐高溫問題上國際上已經領先一步。

四、高溫潛油電泵在技術上的實現方式

現今，我國油田在中后期開采和稠油開采上，普遍使用SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）技術。SAGD技術是一項前沿的稠油熱米開發技術，其工藝原理為：首先通過位置較高的注氣井向油藏中連續注入蒸汽，再依靠蒸汽超覆作用加熱上部油層，并逐漸形成蒸汽腔，從而使原油的流動性增強，在重力作用下原油流向下部水平生產井，最后將原油采出地面。

目前，對于已經成功應用了 SAGD技術的油井，其絕大多數為中低溫油井，在油井開采過程中，所采用的高溫潛油電泵能夠耐受的井下環境溫度僅為180°C左右。但是，隨著對中低溫油井開采趨于飽和，只能轉向埋藏更深且溫度更高的高溫油井，而高溫油井的井下環境溫度可達220°C左右，目前常規潛油電泵已經難以滿足高溫油井的開采需要了。

對于高溫潛油電泵來說其地下部分必須能夠承受井下的高溫環境，特別是電機的耐高溫性能會直接影響到高溫潛油電泵的工作可靠性。為適應高溫油井的稠油開采的情況，應選用一種耐高溫電機。且電機軸采用空心結構，電機軸一端延伸至頂部機殼，其端部利用絲堵進行密封處理;電機軸另一端延伸至尾部機殼，其端部為進油口，在進油口處設置有增壓螺旋葉片，增壓螺旋葉片與儲油底座相對應;在頂部機殼、中部機殼及尾部機殼的內部空腔中、在儲油底座的內部儲油腔中在電機軸中心孔內充滿有潤滑油，通過電機軸轉動驅動潤滑油進行循環流動，通過潤滑油循環流動對電機進行潤滑及散熱降溫。使其具有在高溫工作時合理的電機機械結構及高效的潤滑和散熱性能，能夠有效提高電機的井下耐熱溫度，使高溫潛油電泵滿足高溫油井的開采需要。

此外，在高溫環境下，電機電纜的塑料護層、橡膠墊均產生膨脹，密封性能仍然能夠保持，但塑料護層在三孔橡膠墊的擠壓下就會形成一道環形溝痕。在高溫向低溫轉變后，電機電纜的塑料護層產生的收縮較橡膠墊要大一些，在塑料護層與橡膠墊之間產生了縫隙，密封性能減弱甚至失效。工作溫度越高時，殘留的環形溝痕變形量也越大，三孔橡膠墊的密封性能失效的可能性就越大。為此高溫潛油電泵的使用應使用高溫高壓密封結構，以避免常溫潛油電泵電纜接頭密封性能在高溫向低溫轉變之后失效的問題，保護了電機電纜的正常有效聯接，從而提高了潛油電泵的使用壽命和安全性。

與普通電動潛油泵相比，其具有在高溫工作時合理的電機機械結構及高效的潤滑和散熱性能，能夠有效提高電機的井下耐熱溫度，使高溫潛油電泵滿足高溫油井的開采需要，在高溫油井開采過程中，使高溫潛油電泵具有更高的工作可靠性。

綜上所述，高溫電潛泵采油的適用范圍，系統效率和工作壽命均得到了顯著提高。此高溫電潛泵設備已在新疆、遼河油田推廣應用。

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