李 越，于法浩，宋 鑫，陳 征，方 濤

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

渤海油田為中國海洋油氣開發(fā)的主力油田[1]，隨著可供開發(fā)的整裝優(yōu)質(zhì)油田數(shù)量減少，巖性復(fù)雜的低滲透儲量、經(jīng)濟效益較差的小型儲量和稠油儲量比例逐漸增大。海上邊際油田具有儲量小、豐度低、產(chǎn)量不大、生產(chǎn)年限較短的特點[2]，作為海上油田開發(fā)的三大難題之一，常規(guī)開發(fā)模式達(dá)到經(jīng)濟效益的難度較大，邊際油田開發(fā)的機遇與挑戰(zhàn)并存。目前海上邊際油田開發(fā)主要采用小型平臺[3]，并將油氣水通過海管集輸至陸地終端或具有油水處理設(shè)備的平臺進(jìn)行處理，人工舉升方式采用電潛泵[4]。

渤海B 油田水深約20 m，擬新建一座井口平臺+一座動力平臺進(jìn)行開發(fā)，兩平臺距離約5 km，電氣設(shè)備的放置位置將直接影響投資成本，若將電氣設(shè)備放置于動力平臺，則電潛泵或混輸泵的長距離驅(qū)動及控制是此類開發(fā)方式的技術(shù)難題。電潛泵長距離驅(qū)動通過將變頻器、變壓器和濾波器放置于依托平臺，對井下機組實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，為邊際油田的開發(fā)提供了新思路。目前世界上，挪威北海Otter 油田變頻器驅(qū)動23.4 km電纜實現(xiàn)水井下雙電潛泵供電運行[5，6]；國內(nèi)以南海流花16-2 油田實現(xiàn)FPSO 通過25 km 海底電纜驅(qū)動水下電潛泵生產(chǎn)的范例[7]。渤海B 油田海纜+電纜總長＜8 km，該項技術(shù)在渤海開發(fā)尚屬先例，同樣面臨長距離供電存在的系統(tǒng)諧波大、啟動控制難及設(shè)備運行可靠等技術(shù)問題[8]。本文針對渤海B 油田電潛泵長距離控制系統(tǒng)開展研究與設(shè)計，以系統(tǒng)設(shè)計中存在的問題為出發(fā)點，提出解決對策，為邊際油田經(jīng)濟高效開發(fā)提供參考。

1 電潛泵長距離遠(yuǎn)程控制面臨的技術(shù)難點

電潛泵長距離遠(yuǎn)程控制主要面臨系統(tǒng)可靠性要求高、電流及電壓諧波含量高、電纜壓降大和電機啟動難等問題。

（1）系統(tǒng)可靠性要求高。海上油田設(shè)備投資及維修成本高，同時電潛泵的啟停頻率高，渤海B 油田電潛泵長距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)置于距井口平臺5 km 之外的動力平臺，保證關(guān)鍵設(shè)備的可靠性對降低生產(chǎn)過程中的操作運營成本具有重要意義。

（2）電流及電壓諧波含量高。諧波的產(chǎn)生是由于非線性負(fù)載所加的電壓與電流不成正比，因此帶來畸變。變頻器控制井下潛油電機用于油井調(diào)產(chǎn)具有明顯優(yōu)勢，已在海上平臺廣泛應(yīng)用，但在一個獨立電網(wǎng)中大量應(yīng)用變頻設(shè)備會產(chǎn)生諧波污染，影響其他設(shè)備正常運行。

（3）電纜壓降大。應(yīng)用等效電路的方法，長電纜可等效成一個大電阻，這會導(dǎo)致變頻器輸出側(cè)的電壓經(jīng)過長電纜輸送抵達(dá)電機輸入側(cè)后，電壓值過低。一方面會增大無功功率，另一方面會降低電機的輸出效率。

（4）電機啟動難。電機的啟動扭矩與電壓的平方成正比，長電纜條件下，變頻器施加到電機上的電壓勢必會降低，潛油電機啟動條件需驗證。

2 電潛泵長距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)框架及基礎(chǔ)參數(shù)

2.1 電潛泵長距離供電系統(tǒng)框架

渤海B 油田長距離供電系統(tǒng)框架（見圖1），動力平臺低壓盤接0.38 kV 電壓，連接中壓變頻器，通過約5 km 的海底電纜將電力分配至井口平臺，和2 km 井下電纜連接為電潛泵提供動力。

圖1 渤海B 油田長距離供電系統(tǒng)框架圖

2.2 基礎(chǔ)參數(shù)

以渤海B 油田A1 井為例，選用符合該井耗電量需求的井下電機、電纜及海纜，詳細(xì)參數(shù)（見表1、表2）。

表1 渤海B 油田A1 井潛油電機參數(shù)

3 電潛泵長距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究與設(shè)計

3.1 電纜壓降分析

當(dāng)電纜長度足夠長（＞100 m），那么電纜壓降及損耗便不可忽略，需驗證長距離條件下的設(shè)備參數(shù)及合理性。目前尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對電潛泵長距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的壓降值做以規(guī)定，因此參考行業(yè)內(nèi)普適性建議，將變頻器輸出電壓值的20 %作為電潛泵長距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)供電線路允許的最大壓降。以渤海B 油田A1井適配的三種112 kW（見表1）電機參數(shù)為例，參考SY/T 5904-2004 標(biāo)準(zhǔn)，開展海纜及潛油電纜壓降計算與分析。

針對渤海B 油田5 000 m 海纜長度，以常用海纜尺寸70 mm2和150 mm2對不同輸出電流開展壓降計算（見圖2）。在相同溫度條件下，單位長度電阻和截面積成反比關(guān)系，因此海纜截面積越大，海纜壓降值越小；在相同海纜截面積條件下，單位長度電阻和溫度成正比關(guān)系，因此海纜在供電時電纜壓降高于未供電情況；在相同海纜長度條件下，輸出電流值越高，海纜壓降值越大。在經(jīng)濟效益及海纜尺寸允許條件下，盡可能選用大截面積的海纜。

圖2 5 000 m 海纜壓降損失圖

對三種112 kW 電機以渤海油田常用4# 電纜為例，對不同電纜長度及溫度開展壓降計算（見圖3）。以M 電機參數(shù)為基準(zhǔn)，對不同電纜長度及電纜型號開展壓降計算（見圖4）。相同功率電機在額定工況下，電流值越小，電纜壓降越低；相同電流條件下，電纜長度越短，電纜截面積越大，電纜壓降越低。因此在電潛泵長距離遠(yuǎn)程控制方案設(shè)計中，應(yīng)選用高電壓、低電流的潛油電機，并盡可能選用大截面積的電纜。

A1 井所需電纜長度為2 000 m，選用4#電纜和70 mm2海纜作為該井設(shè)計方案，計算三種型號電機的壓降值，并確定變頻器輸出電壓最低值（見表3）。由此可見，電纜壓降百分比均＜20 %，低于行業(yè)要求；變頻器輸出電壓值應(yīng)＞2 367 V。

3.2 長距離啟動分析

在常用的V/F 控制模式下，需要核算長距離電纜拖帶電機的啟動能力。渤海B 油田屬于輕質(zhì)油，原油黏度低，油品性質(zhì)較好，因此根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定電潛泵克服摩擦力開始運轉(zhuǎn)的摩擦扭矩為額定扭矩的10 %。海上平臺變頻器常規(guī)選用U/f 控制方式，根據(jù)變頻器供電條件下電機啟動特性計算方法，以M 電機靜態(tài)直流電阻0.9 Ω 為例，對不同型號2 000 m 潛油電纜結(jié)合70 mm2不同長度海底電纜（0～5 000 m）開展計算啟動轉(zhuǎn)矩分析（見圖5）。

當(dāng)頻率固定時，電機的啟動扭矩與電壓的平方成正比，以渤海B 油田A1 井選用4#潛油電纜2 000 m+70 mm2海底電纜5 000 m 為例，長電纜工況下，變頻器施加到電機上的電壓僅為其輸出電壓的0.24 倍，其啟動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的5.76 %，在U/f 控制模式下無法啟動潛油電機。

表2 渤海B 油田海底電纜及潛油電纜參數(shù)

圖3 4#電纜不同電纜長度及電機參數(shù)壓降損失圖

圖4 M 電機不同電纜長度及尺寸壓降損失圖

表3 渤海B 油田A1 井三種型號電機壓降參數(shù)表

圖5 M 電機不同電纜型號及海纜長度壓降損失圖

針對電潛泵長距離驅(qū)動電機U/f 控制模式啟動困難的情況，可選用中壓變頻器配合矢量控制的方法，主動抬升電機端電壓，從而提升電機啟動轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)渤海B 油田生產(chǎn)井電潛泵長距離啟動。

3.3 電網(wǎng)諧波影響分析

由于變頻器作為潛油電機的地面控制設(shè)備用于油井的調(diào)產(chǎn)具有明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)被大量應(yīng)用于海上平臺。但這也帶來了另一個問題，即在一個小的獨立電網(wǎng)中大量集中應(yīng)用變頻器會產(chǎn)生嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染，影響到其他設(shè)備的正常運行。參考電氣電子工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)IEEE519 和國標(biāo)GB/T 14549-1993 等，將電網(wǎng)的諧波畸變保持在5 %以下，可保證設(shè)備平穩(wěn)運行。

諧波問題主要可通過：多脈沖整流、IGBT 整流、無源濾波器和有源濾波器來降低諧波畸變率和高次諧波。渤海B 油田選用含有多脈沖整流和LC 濾波器的中壓變頻器，避免長線電纜驅(qū)動時由于諧波反射對電纜和電機受到損壞。在增加LC 濾波器后，對不同頻率下電流及諧波畸變進(jìn)行模擬。

增加LC 濾波器后，在40 Hz 工況下，電機端諧波畸變度為0.7 %，在50 Hz 工況下，電機端諧波畸變度為1.6 %，滿足諧波畸變度＜5 %的要求。但由于方案設(shè)計階段海纜、電纜、電機和變頻器參數(shù)與最終投產(chǎn)參數(shù)可能存在差異，上述模擬結(jié)果僅能代表總體趨勢，建議最終投產(chǎn)方案確定后，對電網(wǎng)諧波影響進(jìn)行再度矯正，保證海纜、電纜和設(shè)備平穩(wěn)運行。

3.4 方案設(shè)計

渤海B 油田動力平臺采用透平發(fā)電，變頻器輸入電壓為0.38 kV/50 Hz。經(jīng)過對電纜壓降、電機啟動特性和電網(wǎng)諧波的計算與分析，最終確定選用多級聯(lián)型中壓變頻器，內(nèi)部采用18 脈整流并配合LC 濾波器消除諧波，保證正弦波輸出；配以矢量控制模式確保潛油電機穩(wěn)定啟動；結(jié)合電纜壓降和電機需求，選用輸入側(cè)0.38 kV—輸出側(cè)0～3.3 kV 電壓等級，并匹配潛油電機功率的中壓變頻器。

同時，對比將低壓變頻設(shè)備放置于新建平臺的常規(guī)方案（低壓變頻方案），動力平臺增加甲板面積100 m2，新建平臺減少500 m2，整體平臺結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，可節(jié)約初期投資約2 000 萬元，為渤海邊際油田經(jīng)濟高效開發(fā)提供了新方向（見表4）。

表4 渤海B 油田方案比選

4 結(jié)論

（1）渤海B 油田電潛泵長距離遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計中，建議選用高電壓、低電流的潛油電機降低電纜壓降損耗；選用中壓變頻器配合矢量控制，主動升高電機側(cè)輸入電壓，實現(xiàn)長距離電機啟動；增加LC 濾波器降低高頻諧波影響，提高平臺設(shè)備運行穩(wěn)定性。

（2）結(jié)合渤海B 油田特點，創(chuàng)新形成具有邊際油田特色的電潛泵長距離控制系統(tǒng)方案，相比于常規(guī)低壓變頻控制系統(tǒng)方案，在基本不增加動力平臺面積的基礎(chǔ)上，減少新建平臺甲板面積約500 m2，節(jié)約初期投資2 000 萬元，降低邊際油田開發(fā)門檻，提高經(jīng)濟效益，為邊際油田開發(fā)提供新思路。