大排量潛油電泵在渤海油田的應用

大型潛油電泵是指體積大于1000m的潛油電泵。具有大排量、大功率、大軸向力等特點。國內潛油電泵廠家對大排量潛油電泵產品的開發尚處于起步階段,因此渤海油田使用的大排量潛油電泵均采用國外進口的電泵機組,致使大排量潛油電泵采購單價居高不下。潛油電泵由于其使用方便,維護簡單且占地面積小等優點在海上油田采油中占具主要地位。在渤海自營油田,潛油電泵井的數量占到總井數的85%左右,產量占到90%左右。國內海上油田發展迅速,2010年底,國內海上油田的油氣當量已達到5000×104t,渤海海域的油氣當量達到3000×104t,每年對大排量潛油電泵的需求量已經有2005年的10套激增到2010年的100套。介紹了一種自主開發的大排量潛油電泵,解決了大功率、大排量、大軸向力的技術難題,大大降低了大排量潛油電泵的成本。1電機、高承載保護大排量潛油電泵由大排量潛油泵、大功率潛油電機、高承載保護器3部分組成。其工作原理與普通潛油電泵相同,但由于其排量大,因此具有軸向力大、功率大的性能特點,結構見圖1。1.1大型潛油泵1.1.1葉導輪的研制選擇了4種性能較好的泵的性能曲線,設計排量從1500m3/d到4500m3/d。研制出BG12000、BJ25、BJ35、BJ454種葉導輪(見圖2),經測試,其性能達到或超過參照泵的性能。其中,BG12000屬于540系列,BJ25、BJ35、BJ45屬于675系列。1.1.2工作原理及耐砂磨能力大排量潛油電泵排量大、攜砂能力強,因此結構設計應采取防砂措施。在泵的上、下兩端采用硬質合金徑向滑動軸承,并在泵中間每隔2～3級葉導輪設置一對硬質合金徑向滑動軸承,與常規潛油泵只在泵的上、下兩端采用硬質合金軸承相比,其耐砂磨能力大大提高(見圖3)。1.1.3全壓縮式潛油泵由于大排量潛油泵單級揚程高,葉輪受向下的軸向力很大,若采用全浮結構,葉輪與導殼間的減磨墊無法承擔軸向力引起的摩擦力而磨損,導致葉輪與導殼直接研磨,這種高速研磨會使葉輪與導殼燒結,泵過快損壞。為此采用了全壓縮式潛油泵結構(見圖4)。全壓縮結構通過對開環、鎖緊螺母、鎖緊套等部件將所有的葉輪與泵軸固定在一起,泵在工作時所有葉輪產生的軸向力,通過全壓縮結構傳遞到泵軸上,泵軸與保護器軸連接,軸向力最終由保護器的高承載止推軸承承擔。克服了傳統全浮結構和半浮結構在大排量葉輪產生較大軸向力作用下對導殼的研磨損壞,且葉輪與導殼不產生軸向摩擦,提高了泵的效率。1.1.4軸伸調節結構的優缺點由于泵內所有葉輪和泵軸固定在一起,泵軸下端軸伸尺寸與葉輪的固定方式有關。葉輪的固定方式有圖5所示2種方案。沒有軸伸調節結構的固定方式優點:裝配方便,不用增加調節套。缺點:由于各零部件裝配后的累積公差大,沒有軸伸調節套,下軸伸裝配長度公差范圍大,無法保證軸伸尺寸。而且不同葉輪對應的軸上的定位槽位置也不同,軸不能通用。有軸伸調節結構的固定方式優點:由于增加了軸伸調節套,下軸伸尺寸易保證,同時軸上定位槽尺寸可統一,這樣軸可通用于不同規格的葉輪。缺點:裝配時需要根據實際裝配尺寸加工調節套。軸伸尺寸是關鍵尺寸,必須保證。若采用有軸伸調節的固定方式,可避免設計加工不同的軸,避免因定位槽尺寸不同易造成裝錯軸的問題,增強軸的通用性,減少泵軸的規格型號,同時節約加工成本。1.1.5樣品設計大排量泵常用在含氣量較小的油井中或水源井中,因此開發的樣機吸入口與泵設計為一個整體,簡化結構,節約成本(見圖6)。1.2制約軸向承載能力kn普通540系列保護器,其軸向承載能力為8kN,而540系列高承載保護器的軸向承載能力為25kN,其承載能力是普通保護器的3倍多。高承載保護器的核心部件是高承載止推軸承。1.2.1新型高承載止推軸承美國雷達、圣垂等電泵制造商均有高承載保護器產品,其止推軸承采用扇形塊浮動式,且扇形塊表層采用特殊的聚合物材料。國內暫無該聚合物材料成分和配方,也沒有這層聚合物材料與扇形塊本體的黏結工藝。為解決該難題,開發了一種新型高承載止推軸承(見圖7a)。扇形塊采用合金鋼材料,滑塊本體也采用合金鋼材料,在其表面鑲嵌一種含有石墨的聚合物。這種止推軸承與國外止推軸承最大的不同之處在于止推軸承的支撐塊。國外雷達電泵公司的止推軸承采用矩形塊作為扇形塊浮動的支撐塊,它與止推軸承底盤的接觸面為矩形,當扇形塊受力時會發生傾斜,用矩形塊作為支撐塊,調節不靈活。新研制的止推軸承,采用鋼球作為支撐塊,使之作用于扇形塊最佳支撐點,保證了扇形塊的靈活調節。為了測試止推軸承的性能,研制了止推軸承試驗裝置(見圖7b),模擬止推軸承在高溫高壓下的工作狀態,這種新型止推軸承通過測試達到設計要求,在高溫下可長期承載25kN軸向載荷,見表1。1.2.2高承載保護將高承載止推軸承與改進結構的普通保護器相結合,研制了高承載保護器。為了驗證高承載保護器(見圖8a)的承載性能,研制了高承載保護器軸向承載裝置(見圖8b),經試驗測試,高承載保護器達到設計承載要求。1.3潛油電機的電磁設計大排量潛油泵由于其軸功率達到200HP以上,540系列潛油電機不適用,因此需要開發更大系列即562系列潛油電機。562系列電機是540電機的更新換代產品。經分析美國雷達公司和圣垂公司的有關參數,確定了設計方案,見表2。設計方案基本參照美國雷達公司的方案,兩者在定子內徑上僅差1mm,對電機整體性能來講幾乎沒有影響,但卻保持了與540系列電機定子內徑的相同尺寸,可以采用540系列電機所用的定子疊壓芯軸,定子內徑驗棒,定子浸漆脹胎等,重要的工裝胎具和專用驗具,方便了生產制造,降低了制造成本。每段鐵芯比雷達公司方案短了20%,其主要原因是考慮電機軸的剛度問題。當潛油電機在直井中運行時,電機軸基本不受轉子鐵芯重力的影響,而當在像海上油井這種斜井中運行時,電機軸就要受到轉子鐵芯重力的影響而產生向下的變形,使轉子與定子之間的氣隙不均勻,而定轉子間不均勻的氣隙,又會使轉子鐵芯受到單邊磁拉力影響,向氣隙小的方向繼續變形。因此電機軸剛度要把轉子鐵芯重力影響和單邊磁拉力影響控制在一定變形范圍內,不使轉子鐵芯與定子鐵芯發生掃膛現象,保證電機正常可靠運轉。在實際拆檢中發現,在渤海油田油井中使用的美國雷達公司562系列電機多次發生定子輕微掃膛現象。為此綜合了雷達公司和圣垂公司的轉子鐵芯長度,定為460.4mm。從多臺562系列電機在渤海油田運行和拆檢情況看,均沒有發生電機掃膛現象,實踐證明,確定的轉子鐵芯長度是合理的。分析了美國雷達電泵公司和圣垂電泵公司的電磁設計參數,并綜合國內電磁材料的實際特點,確定了電磁設計參數,3家電磁設計對比見表3。基本采用了雷達公司540系列電機的結構,并且約50%以上零部件與540系列電機相同,可以實現互換。這樣既保持了與456系列、540系列電機結構特點一致性和先進性,又可以便于生產制造和降低成本。540系列潛油電機的單節最大輸出功率為167HP,562電機單節最大輸出功率為250HP,562系列比540系列的最大輸出功率高出約為50%左右。在完成562系列大功率潛油電機設計后,研制了一臺350HP電機(見圖10),與3000m3/d、500m樣機配套。經過型式試驗,樣機性能達到設計要求。見表4。2機組運行情況大排量潛油電泵已分別在渤海油田SZ36-1、JZ9-3、LD10-1、LD5-2、BZ34-1、BZ26-2等油田運行,累計已超過36套,排量范圍1000～3500m3/d,機組最長