石油开采潜油电泵采油

1、电电 潜潜 泵泵 管管 柱柱 工工 作作 示示 意意 图图 v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。 v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。 潜油电泵工作原理潜油电泵工作原理 潜油电泵采油原理是潜油电泵机 组下入油井内一定深度，在一定的沉 没压力下，电动机带动离心泵高速旋 转；与此同时，井内油流经过分离器 分离出部分游离的气体后，进入多级 离心泵，油流在多级离心泵多级增压 形成足够的压头，并被举升至地面。 一、潜油电泵的结构组成一、潜油

2、电泵的结构组成 潜油电泵系统由三部分组成：潜油电 泵机组、地面电气设备和动力电缆。潜油 电泵的全称为沉没式潜油电动离心泵，简 称潜油电泵或电潜泵，英语中简称 ESP （即 ELECTRICAL SUBMERSIBLE PUMP的缩 写），它是一种无杆式抽油泵，主要由电 动机、保护器、分离器、和离心泵四个部 件组成。 潜油电泵组成潜油电泵组成 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（PSIPHD）、动 力电缆、单流阀、泄油阀、扶正器等组成。 1电机电机 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，把电能转变成机械能。 它与普通电

3、机相比，具有以下特点：机身 细长，一般直径160mm以下，长度510m，； 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；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 油的隔离密封装置保护器。 电机系统组成及作用电机系统组成及作用 潜油电机为立式悬挂结构，主要由定子、转子、止推轴承、 扶正轴承、电机头、下接头等组成。潜油电机为密闭式，腔内 充满高纯度、高介电强度的矿物油，它在电机内起润滑、绝缘 和传递热量的作用。 1 1）定子）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。 潜油电机的结构图潜油电机的结构图

4、潜油电机结构示意图潜油电机结构示意图 1-止推轴承 2-轴 3-电缆头 4-引线 5-定子 6-转子 7-扶正轴承 8-壳体 潜油电机潜油电机- -循环冷却系统循环冷却系统 4）循环冷却系统）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，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。 潜油电机的工作原理潜油电机的工作原理 潜油电机工作原理：当三相交流电通过电缆输送到电机定子绕组时， 流入电机的电流在气隙内产生一同步旋转磁场，该磁场与转子切割时， 转子绕组中有感应电流产生，由于通电导体在磁场内产生

5、一同步旋转磁 场，该磁场与转子切割时，转子绕组中有感应电流产生，由于通电导体 在磁场内受磁力作用，转子就会跟着磁场旋转，如果电机轴端带有机械 负载，电机就输出机械功率，从而将电能转化为机械能。 2.潜油泵潜油泵 电潜泵具有以下特点：直径 小，排量范围大，外径一般为 85.5102mm，排量范围可达 308000m3d；级数多，长 度长，扬程范围宽，扬程一般 在1504500m；泵吸口有气体 分离，防止气蚀和提高泵效。 潜油泵潜油泵 结构组成结构组成 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。 电潜泵每级就是一

6、个离心泵。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。 潜油泵潜油泵 l）叶轮）叶轮 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。 潜油泵潜油泵 2）导轮）导轮 导轮是泵的固定部分，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。 3. 油气分离器油气分离器 对于含气电泵井而言，井液在进入潜对于含气电泵井而言，井液在进入潜 油泵之前，要先通过油气分离器进行气、液油泵之前，要先通过油气分离器进行气、液 分离，以减少气体对潜油泵工作性能的影响。分离，以减少气体对潜油泵

7、工作性能的影响。 其作用：一是作为多级离心泵的吸入口通道；其作用：一是作为多级离心泵的吸入口通道； 二是将游离气从井液中分离出来，减少气体二是将游离气从井液中分离出来，减少气体 对离心泵的影响，提高泵效，保证离心泵正对离心泵的影响，提高泵效，保证离心泵正 常工作。常工作。 油气分离器的结构原理图油气分离器的结构原理图 位于潜油泵的下端，是泵的入口，其作用是将油井生产流体中的位于潜油泵的下端，是泵的入口，其作用是将油井生产流体中的 自由气分离出来，以减少气体对泵的排量、扬程和效率等特性参数的自由气分离出来，以减少气体对泵的排量、扬程和效率等特性参数的 影响，和避免气蚀发生。影响，和避免气蚀发生。

8、 按不同的工作原理，可将其分为沉降式（重力式）和旋转式（离按不同的工作原理，可将其分为沉降式（重力式）和旋转式（离 心式）两种。心式）两种。 油气分离器原理油气分离器原理 气、液混合物进入分离器后，由叶轮 来提高其扬程和旋转速度，然后由倒流轮 再进一步提高其旋转速度，使气、液混合 物在高速旋转的条件下，质量越大，所受 到的离心力也越大。这样，质量较大的液 体被甩到分离腔的外缘，而气体则被外缘 的液体挤向分离腔中部，两者均呈螺旋上 升。从而实现气、液分离。 4. 保护器保护器 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

9、用。 保护器结构图保护器结构图 电机内腔压力与井液压力相差很 小，基本处于平衡状态。起到密封作用。 保护器的作用保护器的作用 保护器主要是保护潜油电机的，最终目的是阻止井液进入潜油 电机，避免烧毁潜油电机。保护器在潜油电泵机组中主要有以下四 个作用： （1）密封潜油电机轴的动力输出端，防止井液进入潜油电机。 （2）保护器的充油腔体与油井相连通，从而平衡潜油电机和保 护器中各密封部位两端的压差。当潜油电机因温度升高而使润滑油 体积膨胀时，润滑油可通过保护器溢出；当潜油电机因停机温度下 降时，保护器可向潜.油电机补充润滑油。 （3）内设一个推力轴承，承担作用在泵轴、分离器轴和保护器 轴向下的轴向力

10、。 （4）连接潜油电机轴与泵轴（或分离器轴），连接潜油电机壳 体（或分离器壳体）。 保护器的呼吸过程保护器的呼吸过程 在使用时，保护器各级腔体内都注满电机油。待下入井中后， 电动机、保护器的环境温度逐步升高，其内的电机油便逐步膨胀， 于是保护器腔体内多余的电机油便由保护器呼吸孔溢入井筒中。 当电动机工作时，电动机和保护器的工作温度大幅度上升， 于是电动机停机后，其温度逐渐下降，其内的电机油也逐渐收缩， 其电机油空缺部分由保护器内的电机油回流来补充；而保护器内 电机油的空缺则由井液通过呼吸孔流入填充，但由于保护器腔体 的特殊构造，回流井液开始只限制在特定的腔体内。 再开机时，电动机、保护器的工作

11、温度再次升高，这时电动 机腔体因膨胀而多出的电机油又排入保护器，保护器则先将井液 排出，其中也会排出少量的电机油，直到电动机、保护器工作温 度趋于稳定后，保护器停止呼吸、保护器的每次呼吸与电动机、 保护器开停前后的温度成正比。 6. 动力电缆动力电缆 动力电缆是电机与地面控制系统相联系传送电力纽带和 测压信号的通道，工作于油套管之间。分为小扁电缆、大 扁电缆和圆电缆。按温度等级可以分为90、120、 150等3个等级， 7. 单流阀单流阀 其作用主要是：保护足够高的 回压，使得泵在启动后能很快在额 定点工作；防止停泵以上流体回落 引起机组反转脱扣；便于生产管柱 验封。一般安装在泵出口12跟油

12、管处，采用标准油管扣于上下油管 连接。 8. 泄油阀泄油阀 泄油阀一般安装在单流阀 以上12跟油管处，它是检泵 作业上提管柱时油管内流体的 排放口，以减轻修井机符合和 防止井液污染平台甲板和环 境。 9.9.辅助工具辅助工具 扶正器扶正器 扶正器主要用于斜井，位于电机尾部，使电机居中，使 得电机外部过流均匀，散热环境好，防止电机局部高温而损 坏。 二、地面系统组成及作用二、地面系统组成及作用 电潜泵采油系统的地面部分由配电盘、变压器、控制柜或 变频器。接线盒和采油树井口组成，。 1. 1. 变压器变压器 有两种变压器系统，一种是一台变压器对一台电潜泵供电 的单一变压器，一种是一台变压器对多台电

13、潜泵供电的公用变 压器。 2.2.控制柜控制柜 潜油泵控制柜是一种专门用于电潜泵启 停、运行参数监测和电机保护的控制设备， 分手动和自动两种方式。具有短路保护、 三相过载保护、单相保护、欠载停机保护 延时再启动。 3.3.变频器变频器 变频器是电潜泵采油系统的一种新型控制设备。 用于电潜泵采油系统的变频器有两种，一种是恒压源 的，一种是恒流源（常称PWM）的。恒流源变频器输 出的电流特性比恒压源好。具有以下几大特点： 输出频率可在3090Hz范围内连续变化，使得 电机的转速17005130rmin内变化，泵排量变化范 围是额定排量的0.61.8倍，扬程范围为0.363.24 倍； 可以在810

14、Hz频率下启动电机，达到恒转矩 软启动的目的，启动电流只有额定电流的11.5倍， 大大减少了电机启动时的电流和机械冲击，利于延长 电机寿命； 辅助部分辅助部分 接线盒接线盒 接线盒是电潜泵井下电缆与地面电缆之间的过渡连接装置， 其作用是排放通过电缆保护套渗到地面的天然气，防止天然气 沿电缆进人控制柜而发生爆炸。火灾等不安全事故；另一个作 用是方便地面接线工作。它必须安放在通风良好、空气干燥的 环境，必须具有防滴、防渗和气体排放等功能。 。 电潜泵电潜泵洗井管汇洗井管汇 2洗井管汇及流程洗井管汇及流程 对于电潜泵井来说，检泵作业是必然的，必须配备压井和洗井作业设备和 流程，要求管线压力等级必须满

15、足洗井压力等级的需要，视油井深度和油层压 力而定。 一般油田的洗井流 程和管汇是固定的， 为了节约投资，部 分油田采用临时洗 井管线。 5.电潜泵故障诊断与排除电潜泵故障诊断与排除 (1)(1)电机及保护器故障诊断与处理电机及保护器故障诊断与处理 电机损坏分电气损坏、电机轴断和机 械磨损等情况。电气损坏故障表现十分明 显，通常是控制柜过载停机，电流卡片上 的电流突然上升后又突然掉下来（如图） 三相对地绝缘电阻为零，直阻很不平衡， 只能通过检泵作业恢复生产。 电机电气损坏电流卡片电机电气损坏电流卡片 机械磨损故障表现为控制柜显示过载 停机，机组电气性能良好，电流卡片（如 图）显示为电流逐渐上升，

16、停机冷却一段 时间后又能重新开机生产运行较长时间， 但每次的运行时间间隔逐渐缩短，可以等 待适当时机进行检泵作业。电机机械磨损 实际上是轴承磨损，与泵、保护器的轴承 磨损一致，很难区分开来。 发生电机轴断故障时，通常表现为井 口无产液，无油压，运行电流低于电机空 载电流，电流卡片不光滑，控制柜显示欠 载停机，机组电气性能检测时一切正常。电机磨损电流卡片电机磨损电流卡片 (2)电缆故障诊断与排除电缆故障诊断与排除 当电缆发生故障时，一般表现为地面控制柜过载停机，有时配电盘也 跳闸，电流卡片上的电流曲线突然上升，与电机电气损坏相似，进行机组 电气性能检测时，三相对地绝缘电阻为零，电阻平衡。电缆损坏

17、常有两种 情况：一种是在井口或油管挂处损坏，表现为直阻不超过l，一种是远离井 口，直阻为23（视井深而定），具体损坏处可以根据每米电缆的阻值进 行测算得出。对于在井口损坏情况，可以采取重新接缆来解决；如果在采 油树帽以下到几根油管处，可以采取上提油管重新接缆来处理；如果损坏 深度较深，则必须检泵作业。 (3)电泵故障诊断与处理电泵故障诊断与处理 在油田现场实际生产中，电泵故障主要是 叶轮磨损、断轴、窜轴、轴承磨损等现象。 泵叶轮磨损时表现为产量和油压逐渐降低， 运行电流逐渐变小，电流卡片比较光滑（如 图），也可能出现欠载停机，进行正挤憋压时 压力很快升高。发生这种故障时可以继续生产 以等待作业

18、换泵。这种故障发生在机组连续运 行时间很长、油井轻微出砂或井液有腐蚀情况。 泵轴断出现的几率很小，往往是由于油特 别稠或油井出砂严重。 电泵叶轮磨损电流卡片 对于新防砂完井后就下电泵生产的井， 可能是由于完井作业后充填砂为冲洗干净 所致，可以采取以下措施解决：上调过 载设定值，停机进行反冲洗，调大油 嘴。对于电泵试油勘探井，一方面可能是 由于油井出砂引起，需要采取洗井和防砂 处理后才能重新进行电潜泵试油；一方面 可能是由于钻/完井的泥浆为冲洗干净，井 液密度过大引起过载停机（如图），这时， 可采取洗井措施后就可解决。 井液含有泥浆的电流卡片 (4)井液引起的故障与排除井液引起的故障与排除 井液

19、引起的故障可能发生在井液含有 砂泥等机械杂质井、电泵试油勘探井、新 防砂完井下电泵生产的井中，表现是运行 电流高，有波动（如图），当超过过载设 定值时发生过载停机故障，油嘴还有堵塞 的可能。 井液含有砂泥等机械 杂质的电流卡片 (5)(5)管气引起的故障诊断与排除管气引起的故障诊断与排除 油井供液不足时，引起油井液面很低接近 泵吸人口，套管环空内的气体进人电泵内导致 欠载停泵（如图）。处理办法有几种：将套 压控制在很低水平，并调低欠载设定值。采 用间歇生产，在等待液面恢复后再开泵生产， 可以采取人工方式，也可以实行控制柜自动启 泵方式。在调低欠载设定值的同时，缩小油 嘴。如果泵挂较浅，可以通过

20、作业加深泵挂 深度。检泵作业更换与油井相匹配的小泵。 对油层进行酸化、压裂、有机解堵等增产措 施。有的井还可以打开未开采层位生产，以 补充液源。 油井供液不足的电流卡片 油井供液不足间抽时的电流卡片 (6)(6)管柱漏失判断与处理管柱漏失判断与处理 当管柱发生漏失时，会出现油压下降，产量下降，对于新检泵作业的井 产量达不到检泵作业前的产量，进行憋泵和正挤憋压试验时，油压起不来。 对于带有泄油阀管柱的井，往往是泄油销被砸断或冲蚀引起。发生这种 情况时，只有检泵作业才能恢复生产。 对于“Y”管柱和带测压阀的井，可能是它们的堵塞器密封失效引起， 可以通过更换堵塞器盘根来恢复生产。 (7)(7)机组匹

21、配不合理引起的故障判断与处理机组匹配不合理引起的故障判断与处理 如果电泵机组匹配不合理，也可能引起故障，一种是“大马拉小车”， 一种是“小马拉大车”。“大马拉小车”时，一般不会引起事故，但当电机 余量太大时，可能发生欠载。“小马拉大车”时，一般会出现运行电流高于 额定电流，严重时会出现启动困难和机组烧毁现象。当出现这些情况时，只 能等待适当时机进行检泵作业以更换合适的电泵机组。 P2PWf 假设流压： P2 Pwf 90,80,70,60 油流因沿程阻力 而消耗能量 油层油层 套管 油管 P P1 1 P P2 2 ，即，即 P PWS WS P Pwf wf （生产时）（生产时） 式中： P

22、ws-地层静压 Pwf-地层流压 炮眼炮眼 油井生产时地层能量损失油井生产时地层能量损失 J J q q P Pws ws p pwf wf 动液面 电泵机组总成 静液面 地层压力在流入井筒的过程中 不断消耗能量，到达井筒时变 为流压Pwf 动力电缆 保护器的作用保护器的作用 保护器主要是保护潜油电机的，最终目的是阻止井液进入潜油 电机，避免烧毁潜油电机。保护器在潜油电泵机组中主要有以下四 个作用： （1）密封潜油电机轴的动力输出端，防止井液进入潜油电机。 （2）保护器的充油腔体与油井相连通，从而平衡潜油电机和保 护器中各密封部位两端的压差。当潜油电机因温度升高而使润滑油 体积膨胀时，润滑油可通过保护器溢出；当潜油电机因停机温度下 降时，保护器可向潜.油电机补充润滑油。 （3）内设一个推力轴承，承担作用在泵轴、分离器轴和保护器 轴向下的轴向力。 （4）连接潜油电机轴与泵轴（或分离器轴），连接潜油电机壳 体（或分离器壳体）。 二、地面系统组成及作用二、地面系统组成及作用 电潜泵采油系统的地面部分由配电盘、变压器、控制柜或 变频器。接线盒和采油树井口组成，。 1. 1. 变压器变压器 有两种变压器系统，一种是一台变压器对一台电潜泵供电 的单一变压器，一种是一台变压器对多台电潜泵供电的公用变 压器。 电潜泵电潜泵洗井管汇洗井管汇 2