原油黏度對潛油永磁直驅電泵效率的影響

崔俊國， 鄒文強， 高 翔， 王全賓， 肖文生

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院海洋物探及勘探設備國家工程實驗室，山東青島266580；2.中國石油勘探開發(fā)研究院采油采氣裝備研究所，北京100083）

0 引 言

我國稠油資源豐富，已知陸上稠油資源占石油總資源約1 / 5，探明與控制的石油儲量約為40 億t。我國稠油主要集中在遼河、勝利、河南、新疆等油田，根據埋藏深度統計，600 ～1 300 m 的中層油藏儲量占67.08%。例如，遼河油田稠油藏量隨埋藏深度變化較大，主要分布在700 ～1 300 m 之間，最深可達1 700 m。傳統抽油機開采稠油往往存在泵效低、舉升阻力大等問題，常出現抽油桿斷脫、舉不動等情況［1］；電潛離心泵由于流道結構復雜及其離心式工作原理，不適合用于抽吸稠油［2］；螺桿泵作為一種容積式泵，是開采稠油的有效設備。但傳統的“三相異步潛油電動機+電動機保護器+行星齒輪減速器+減速器保護器+螺桿泵”的驅動方式，存在著傳動鏈長、故障點多、效率較低的問題。

近幾年，采用低速大扭矩潛油永磁同步電動機直接驅動螺桿泵的新型采油方式逐漸應用于油田［3-8］，與傳統驅動方式相比，采用潛油永磁同步電動機代替三相異步潛油電動機，省去了行星齒輪減速器及其保護器。國內外部分高校、科研院所、企業(yè)開展了潛油永磁同步電動機研究［9-14］，但在實驗時，均針對潛油永磁同步電動機進行空載/負載實驗，沒有與稠油開采相結合。效率是衡量采油裝置性能且為油田重點關注的重要指標之一，關乎油田節(jié)能減排及“綠色油田” 建設［15］。為評價該新型采油系統稠油開采的效率及適應性，本文基于搭建的潛油永磁同步電動機直接驅動螺桿泵采油實驗平臺，開展不同介質黏度下模擬采油實驗研究，為該新型采油裝備的進一步科學研究及工程化應用提供數據支撐。

1 實驗原理

潛油永磁同步電動機直接驅動螺桿泵采油實驗平臺原理圖如圖1 所示。實驗平臺主要由低速潛油永磁同步電動機、電動機保護器、轉速轉矩傳感器、螺桿泵、電磁閥組、循環(huán)油路系統、控制及參數采集系統等構成。整套裝置有兩個循環(huán)油路：螺桿泵吸排油管路和模擬井下溫度環(huán)境循環(huán)油路。吸排油管路的工作流程為：潛油永磁同步電動機直接驅動螺桿泵機組起動，油箱1 中的原油經篩網管進入螺桿泵吸入口，螺桿泵將原油增壓排出，經過濾器、電磁閥組后返回油箱1；通過改變油箱1 中原油的黏度，開展原油黏度對潛油永磁同步電動機直驅螺桿泵系統性能影響研究。模擬井下溫度環(huán)境循環(huán)油路工作流程為：油箱2 下端的齒輪泵起動，將油箱2 中的原油吸入潛油永磁同步電動機環(huán)套空間，然后再流回油箱2；通過加熱棒給原油加熱，模擬井下原油溫度。

圖1 潛油永磁同步電動機直接驅動螺桿泵采油實驗平臺原理圖

2 實驗裝置及過程

2.1 潛油永磁同步電動機

本實驗裝置采用一臺自主研制的10 極12 槽分數槽潛油永磁同步電動機，結構如圖2 所示。基于Maxwell軟件開展了潛油永磁同步電動機電磁結構參數設計及優(yōu)化（見圖3），分析了電動機的轉矩、轉速、損耗、效率、轉矩脈動、溫升等評價指標。電動機性能指標：額定轉矩450 N·m，額定轉速180 r/ min，額定輸出功率8.5 kW，額定點效率85%。

圖2 潛油永磁同步電動機結構示意圖

圖3 潛油永磁同步電動機時刻磁場分布圖

2.2 實驗測試平臺

根據潛油永磁同步電動機直接驅動螺桿泵采油實驗平臺設計方案，完成了實驗平臺各模塊的加工及實驗室組裝，如圖4 所示。其中，壓力的控制通過電磁閥組實現：每2 個電磁閥之間連接一根外徑為8 mm 的細管，改變1 ～8 號電磁閥的開閉順序和個數，使油經過的路線長度不同，從而使油在管路內產生的摩阻不同，實現壓力的改變，模擬不同的井況。開發(fā)了人機交互操作軟件，通過電動機控制系統和油管路控制系統，實時采集相關參數。

圖4 采油實驗平臺實物圖

2.3 實驗安排

（1）采用99#工業(yè)甘油水溶液作為實驗介質，甘油濃度為99%，將甘油加注到油箱1 中，通過加熱棒調節(jié)溫度來改變甘油的黏度，模擬不同的原油黏度。

（2）根據甘油水溶液黏度-溫度變化特性，通過油箱1 的加熱保溫裝置將甘油分別加熱到20、26、30、35℃恒定溫度，將上述加熱到恒定溫度的甘油水溶液取少量樣品置于燒杯中，攪拌均勻后開始測量，獲取4 種黏度工況。

（3）采用NDJ-9S數顯黏度計，測量范圍（1 ～1 ×105）mPa·s，測量精度± 2%（牛頓液體），配有溫度傳感器可進行溫度測量，測量精度0.1 ℃。將溫度傳感器放置于燒杯中，對于同一溫度的甘油水溶液重復測量兩次，獲取兩組數據取平均值，如圖5 所示。測得4 種溫度下甘油水溶液黏度值如表1 所示。

圖5 NDJ-9S數顯黏度計測量

表1 4 種溫度下甘油水溶液黏度值

需要注意的是，在使用數顯黏度計測量之前，需將黏度計轉子浸入攪拌均勻的甘油水溶液中靜置2 min再開始測量，目的是讓甘油水溶液和轉子溫度相同，保證測量結果的準確性。進行下一次測量之前，需要對儀器轉子進行清洗，防止上次測量時殘留液體影響測試結果。

3 效率計算

（1）電動機效率。根據電動機的輸入和輸出功率計算電動機效率。電動機輸入功率（kW）為

式中：U 為電動機穩(wěn)定運行后電壓值（V）；I 為電動機穩(wěn)定運行后電流值（A）；cos φN為電動機的功率因數。

輸出功率P2（kW）由測得的轉矩T（N·m）和轉速n（r/ min）計算得到：

（2）系統效率。潛油永磁同步電動機直接驅動螺桿泵機組系統效率由螺桿泵輸出功率和電動機輸入功率求得。螺桿泵的輸出功率P3（kW）由螺桿泵出口壓力p壓（MPa）和流量Q（m3/ s）計算：

4 實驗結果

實驗測試在電動機設定在額定轉速條件下進行的。介質黏度分別為700、489.5、340.3、258.5 mPa·s，根據測得的4 種黏度下電動機輸入電壓、電流，電動機輸出扭矩、轉速，螺桿泵出口壓力、出口流量等數據，計算得到潛油永磁同步電動機效率及系統效率如圖6所示。

圖6 不同黏度下電動機及系統效率測試曲線

實驗時，由于壓力波動、電動機齒槽轉矩、電磁振動以及機械振動等原因，電動機實時輸出轉矩和轉速存在波動，根據效率計算方法，導致電動機以及系統的實時效率存在波動：

①黏度700 mPa·s 時，電動機效率在75% ～90%波動，平均值為80.1%；系統效率在40% ～50%波動，平均值為45.2%。

②黏度489.5 mPa·s 時，電動機效率在70% ～90%波動，平均值為78.4%；系統效率較平穩(wěn)，在50%上下小幅波動，平均值為49%。

③黏度340.3 mPa·s 時，電動機效率在70% ～90%波動，平均值為81.3%；系統效率在45% ～55%波動，平均值為50.5%。

④黏度258.5 mPa·s 時，電動機效率在70% ～85%波動，平均值為77.9%；系統效率在45% ～55%波動，平均值為51.6%。

不同黏度工況下的效率平均值如表2 所示。可以看出，測試時，電動機沒有工作在額定點而是在額定點左側附近區(qū)域，效率均在80%左右，這與設計值相符，同時也體現了潛油永磁同步電動機高效區(qū)寬的特點。當原油黏度較高時，與傳統稠油開采系統相比，潛油永磁直驅電泵系統效率仍然能夠處于較高水平值；隨著原油黏度的降低，系統效率逐漸增大，說明該新型采油裝置對于稠油開采具有良好的適應性。

表2 不同黏度工況下的效率值

5 結 語

為評價潛油永磁同步電動機直接驅動螺桿泵采油系統開采稠油的效率及適應性，基于搭建的潛油永磁同步電動機直接驅動螺桿泵采油實驗平臺，采用99%濃度的甘油水溶液模擬井下原油，開展了原油黏度分別為700、489.5、340.3、258.5 mPa·s時的實驗研究。在4 種黏度工況下，電動機效率均在80%左右，處于較高水平，體現了潛油永磁同步電動機高效區(qū)寬的特點；隨著原油黏度的降低，系統效率逐漸增大，體現出應用于稠油開采的良好適應性，為該新型采油裝備在稠油開采中工程化應用提供了數據支撐。整個實驗過程包括實驗方案設計、裝置設計、實驗安排、數據采集分析等學生深度參與，使學生能夠更深層次地掌握油田人工舉升的相關理論與技術，對培養(yǎng)學生科學實驗能力、跨學科知識應用能力以及創(chuàng)新能力起到積極的作用。