大排量潜油电泵在渤海油田的应用

大排量潜油电泵在渤海油田的应用

大型潜油电泵是指体积大于1000m的潜油电泵。具有大排量、大功率、大轴向力等特点。国内潜油电泵厂家对大排量潜油电泵产品的开发尚处于起步阶段,因此渤海油田使用的大排量潜油电泵均采用国外进口的电泵机组,致使大排量潜油电泵采购单价居高不下。潜油电泵由于其使用方便,维护简单且占地面积小等优点在海上油田采油中占具主要地位。在渤海自营油田,潜油电泵井的数量占到总井数的85%左右,产量占到90%左右。国内海上油田发展迅速,2010年底,国内海上油田的油气当量已达到5000×104t,渤海海域的油气当量达到3000×104t,每年对大排量潜油电泵的需求量已经有2005年的10套激增到2010年的100套。介绍了一种自主开发的大排量潜油电泵,解决了大功率、大排量、大轴向力的技术难题,大大降低了大排量潜油电泵的成本。1电机、高承载保护大排量潜油电泵由大排量潜油泵、大功率潜油电机、高承载保护器3部分组成。其工作原理与普通潜油电泵相同,但由于其排量大,因此具有轴向力大、功率大的性能特点,结构见图1。1.1大型潜油泵1.1.1叶导轮的研制选择了4种性能较好的泵的性能曲线,设计排量从1500m3/d到4500m3/d。研制出BG12000、BJ25、BJ35、BJ454种叶导轮(见图2),经测试,其性能达到或超过参照泵的性能。其中,BG12000属于540系列,BJ25、BJ35、BJ45属于675系列。1.1.2工作原理及耐砂磨能力大排量潜油电泵排量大、携砂能力强,因此结构设计应采取防砂措施。在泵的上、下两端采用硬质合金径向滑动轴承,并在泵中间每隔2～3级叶导轮设置一对硬质合金径向滑动轴承,与常规潜油泵只在泵的上、下两端采用硬质合金轴承相比,其耐砂磨能力大大提高(见图3)。1.1.3全压缩式潜油泵由于大排量潜油泵单级扬程高,叶轮受向下的轴向力很大,若采用全浮结构,叶轮与导壳间的减磨垫无法承担轴向力引起的摩擦力而磨损,导致叶轮与导壳直接研磨,这种高速研磨会使叶轮与导壳烧结,泵过快损坏。为此采用了全压缩式潜油泵结构(见图4)。全压缩结构通过对开环、锁紧螺母、锁紧套等部件将所有的叶轮与泵轴固定在一起,泵在工作时所有叶轮产生的轴向力,通过全压缩结构传递到泵轴上,泵轴与保护器轴连接,轴向力最终由保护器的高承载止推轴承承担。克服了传统全浮结构和半浮结构在大排量叶轮产生较大轴向力作用下对导壳的研磨损坏,且叶轮与导壳不产生轴向摩擦,提高了泵的效率。1.1.4轴伸调节结构的优缺点由于泵内所有叶轮和泵轴固定在一起,泵轴下端轴伸尺寸与叶轮的固定方式有关。叶轮的固定方式有图5所示2种方案。没有轴伸调节结构的固定方式优点:装配方便,不用增加调节套。缺点:由于各零部件装配后的累积公差大,没有轴伸调节套,下轴伸装配长度公差范围大,无法保证轴伸尺寸。而且不同叶轮对应的轴上的定位槽位置也不同,轴不能通用。有轴伸调节结构的固定方式优点:由于增加了轴伸调节套,下轴伸尺寸易保证,同时轴上定位槽尺寸可统一,这样轴可通用于不同规格的叶轮。缺点:装配时需要根据实际装配尺寸加工调节套。轴伸尺寸是关键尺寸,必须保证。若采用有轴伸调节的固定方式,可避免设计加工不同的轴,避免因定位槽尺寸不同易造成装错轴的问题,增强轴的通用性,减少泵轴的规格型号,同时节约加工成本。1.1.5样品设计大排量泵常用在含气量较小的油井中或水源井中,因此开发的样机吸入口与泵设计为一个整体,简化结构,节约成本(见图6)。1.2制约轴向承载能力kn普通540系列保护器,其轴向承载能力为8kN,而540系列高承载保护器的轴向承载能力为25kN,其承载能力是普通保护器的3倍多。高承载保护器的核心部件是高承载止推轴承。1.2.1新型高承载止推轴承美国雷达、圣垂等电泵制造商均有高承载保护器产品,其止推轴承采用扇形块浮动式,且扇形块表层采用特殊的聚合物材料。国内暂无该聚合物材料成分和配方,也没有这层聚合物材料与扇形块本体的黏结工艺。为解决该难题,开发了一种新型高承载止推轴承(见图7a)。扇形块采用合金钢材料,滑块本体也采用合金钢材料,在其表面镶嵌一种含有石墨的聚合物。这种止推轴承与国外止推轴承最大的不同之处在于止推轴承的支撑块。国外雷达电泵公司的止推轴承采用矩形块作为扇形块浮动的支撑块,它与止推轴承底盘的接触面为矩形,当扇形块受力时会发生倾斜,用矩形块作为支撑块,调节不灵活。新研制的止推轴承,采用钢球作为支撑块,使之作用于扇形块最佳支撑点,保证了扇形块的灵活调节。为了测试止推轴承的性能,研制了止推轴承试验装置(见图7b),模拟止推轴承在高温高压下的工作状态,这种新型止推轴承通过测试达到设计要求,在高温下可长期承载25kN轴向载荷,见表1。1.2.2高承载保护将高承载止推轴承与改进结构的普通保护器相结合,研制了高承载保护器。为了验证高承载保护器(见图8a)的承载性能,研制了高承载保护器轴向承载装置(见图8b),经试验测试,高承载保护器达到设计承载要求。1.3潜油电机的电磁设计大排量潜油泵由于其轴功率达到200HP以上,540系列潜油电机不适用,因此需要开发更大系列即562系列潜油电机。562系列电机是540电机的更新换代产品。经分析美国雷达公司和圣垂公司的有关参数,确定了设计方案,见表2。设计方案基本参照美国雷达公司的方案,两者在定子内径上仅差1mm,对电机整体性能来讲几乎没有影响,但却保持了与540系列电机定子内径的相同尺寸,可以采用540系列电机所用的定子叠压芯轴,定子内径验棒,定子浸漆胀胎等,重要的工装胎具和专用验具,方便了生产制造,降低了制造成本。每段铁芯比雷达公司方案短了20%,其主要原因是考虑电机轴的刚度问题。当潜油电机在直井中运行时,电机轴基本不受转子铁芯重力的影响,而当在像海上油井这种斜井中运行时,电机轴就要受到转子铁芯重力的影响而产生向下的变形,使转子与定子之间的气隙不均匀,而定转子间不均匀的气隙,又会使转子铁芯受到单边磁拉力影响,向气隙小的方向继续变形。因此电机轴刚度要把转子铁芯重力影响和单边磁拉力影响控制在一定变形范围内,不使转子铁芯与定子铁芯发生扫膛现象,保证电机正常可靠运转。在实际拆检中发现,在渤海油田油井中使用的美国雷达公司562系列电机多次发生定子轻微扫膛现象。为此综合了雷达公司和圣垂公司的转子铁芯长度,定为460.4mm。从多台562系列电机在渤海油田运行和拆检情况看,均没有发生电机扫膛现象,实践证明,确定的转子铁芯长度是合理的。分析了美国雷达电泵公司和圣垂电泵公司的电磁设计参数,并综合国内电磁材料的实际特点,确定了电磁设计参数,3家电磁设计对比见表3。基本采用了雷达公司540系列电机的结构,并且约50%以上零部件与540系列电机相同,可以实现互换。这样既保持了与456系列、540系列电机结构特点一致性和先进性,又可以便于生产制造和降低成本。540系列潜油电机的单节最大输出功率为167HP,562电机单节最大输出功率为250HP,562系列比540系列的最大输出功率高出约为50%左右。在完成562系列大功率潜油电机设计后,研制了一台350HP电机(见图10),与3000m3/d、500m样机配套。经过型式试验,样机性能达到设计要求。见表4。2机组运行情况大排量潜油电泵已分别在渤海油田SZ36-1、JZ9-3、LD10-1、LD5-2、BZ34-1、BZ26-2等油田运行,累计已超过36套,排量范围1000～3500m3/d,机组最长