王磊

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163000）

當前石油行業(yè)開采石油只有自噴井不需要輔助動力抽取石油外，大多數(shù)都使用抽油機或潛油泵進行油井石油的提取，由于潛油泵具有成本低、能耗小、施工方便等特點，在很多油區(qū)都是用上了潛油泵實施抽油作業(yè)。因此，在這些油區(qū)中，產(chǎn)油量的大小與潛油泵能否正常運行存在最直接的聯(lián)系，潛油泵油井，在每次進行修井的過程中，需要對油泵電纜進行更換、對潛油泵進行更換、對相關(guān)設(shè)備進行更換，加上人員費用每次修井的費用多達300萬以上，這無形中嚴重影響了油田企業(yè)生產(chǎn)的成本與效益。

潛油泵安裝在抽油管的最下面，大約是海平面以下1200m左右，其啟動、運轉(zhuǎn)是通過電纜與地面設(shè)備連接，因為地下油層位置溫度非常高，壓力也非常高，所以，潛油泵是工作在非常惡劣的環(huán)境中，目前，潛油泵最高使用壽命為3年，如果對不同地質(zhì)區(qū)塊的潛油泵，針對其實際的情況采用差異化的方法維護以及使用潛油泵，對延長潛油泵使用的時間以及降低油井維修的成本具有重大意義。潛油泵使用時間主要是取決于潛油泵的質(zhì)量、選擇相關(guān)材料的質(zhì)量、潛油泵的安裝質(zhì)量、配套設(shè)施的質(zhì)量、潛油泵運行中維護的質(zhì)量等，本文主要是研究分析潛油泵在工作過程中出現(xiàn)的問題，通過研究提升潛油泵運行的壽命。

1 潛油泵啟動、運行特性的分析

1.1 潛油泵啟動的特性分析

潛油泵正常狀況下啟動的條件是進行輕載的啟動，此時，潛油泵電機只承擔保護器、分離裝置以及油泵的重量，同時加上在泵腔里的油液重量和分離裝置、保護器以及泵的旋轉(zhuǎn)阻力，由于在泵葉導輪里的原油具有一定的潤滑作用，所以，在潛油泵啟動時，其啟動所需的時間為0.08～0.1s，在0.2s后潛油泵將進入全速運轉(zhuǎn)。本文對某油田28口井進行試驗，通過實驗表明，當潛油泵電機在啟動時，當電壓達到額定值65%的時候，潛油泵就可以達到一次性的啟動，潛油泵電機啟動的力矩和電壓平方為正比的關(guān)系，當電壓降低10%的時候，啟動產(chǎn)生的力矩會降低19%左右。因此，在設(shè)計潛油泵電機時，應(yīng)該恰當?shù)臏p少電機啟動時的力矩，這不僅能夠降低電機啟動時所需的電流，同時也能夠改善其他電機的參數(shù)。

依據(jù)潛油泵電機在啟動過程中，負荷和啟動所需時間兩者關(guān)系得知，潛油泵啟動所需時間越短，其運動負荷將會越大，因此，要恰當?shù)难娱L潛油泵電機啟動所需時間，這樣能夠很大程度降低運動的負荷。潛油泵電機在啟動時，電網(wǎng)上的電壓將會升高，因而將會縮短潛油泵電機啟動所需時間，假如此時運動負荷已經(jīng)遠遠超出力矩的屈服限度，潛油泵主軸將有可能發(fā)生斷裂事故。潛油泵電機啟動所需時間也不是越長越好，通過對某油田N2-6-26油井進行啟動試驗表明，當潛油泵電機啟動所需時間達到延長190%時，潛油泵電機將會瞬時發(fā)熱，其熱量會上升到160%。理想的潛油泵電機啟動時間為0.2～0.35s最為合適，這一時間既能達到消除運動負荷，同時又不會使?jié)撚捅秒姍C發(fā)熱。

潛油泵電機在斷電以后，其滑行所需時間接近0，這主要是因為潛油泵電機斷電后，其磁力的力矩接近0，潛油泵出口位置的單向閥自動落下關(guān)閉所用時間，會遠遠大于潛油泵電機轉(zhuǎn)換投全壓所用的時間0.085s，這時潛油泵電機所承受的負荷包含油管內(nèi)液柱的重量。由于慣性產(chǎn)生的力矩遠遠小于電機運轉(zhuǎn)的阻力，因此，潛油泵電機在進行降壓后轉(zhuǎn)換成全壓啟動時和全壓進行啟動時的曲線電流的波形一樣。

1.2 潛油泵電機運行的特性

（1）潛油泵電機在欠載條件下運行。欠載條件運行，實際上就是潛油泵電機運行的電流不大于額定工作的電流，同樣是輸出的功率不大于額定的功率。

①潛油泵在欠載條件下運行會產(chǎn)生熱蠕變情況。潛油泵電機出現(xiàn)欠載條件運行主要是：一是因為潛油泵額定的排量已經(jīng)遠遠大于油井底部供油液的能力，也就是潛油泵將井底抽空，或者說井底的油不夠抽的。二是潛油泵在工作的過程中，出現(xiàn)氣鎖情況。當潛油泵工作在這兩種狀態(tài)下，潛油泵剩余的功，將會被油液吸收，油液的溫度會快速上升。當潛油泵電機在低負荷狀態(tài)下工作時，它的運行電壓任然是額定的電壓，電機的鐵損沒有改變，電機定子中的銅損會出現(xiàn)下降，此時的潛油泵電機自身的溫度變化很小。當潛油泵實際的排量遠遠小于潛油泵額定的排量，這時，潛油泵電機會出現(xiàn)散熱能力變差的情況，潛油泵電機周圍環(huán)境的溫度會上升，此時，潛油泵電機與電機控制動力電纜都工作在溫度不斷升高環(huán)境里，其潛油泵電機所需的電流會隨著溫度不斷升高而加大，同時，電阻也隨之增大，加大的電阻會增加銅耗，溫度不斷升高，電阻也跟著溫度持續(xù)加大，潛油泵電機在惡性循環(huán)的環(huán)境下長期工作，潛油泵電機中的繞組以及動力電纜非常容易發(fā)生擊穿的現(xiàn)象。

②潛油泵在欠載條件下運行，其有功的功率與功率的因數(shù)會出現(xiàn)下降的情況。某油田某礦區(qū)7-9井，使用的潛油泵排量為，在實際的工作中，其最小的排量是，潛油泵電機功率的因數(shù)從0.83降到0.65左右，潛油泵電機有功的功率降低了21.7%左右，無功的功率升高了36.2%左右。這組潛油泵在井下實際工作了535天以后燒毀，通過排查在潛油泵出口位置的電纜存在8mm擊穿兩處。

③潛油泵在欠載條件下運行，會導致加速泵出現(xiàn)損壞。潛油泵在欠載條件下運行時，會出現(xiàn)不平衡的情況出現(xiàn)，油泵葉輪在旋轉(zhuǎn)推力的作用下會向前移動，葉輪會和導殼發(fā)生摩擦，在7-9油井中的潛油泵葉輪，在工作535天后，葉輪被磨成了片狀。潛油泵由于磨損過于嚴重，已經(jīng)無法完成正常抽油的工作，排量也隨之減小，如果在這種狀態(tài)下繼續(xù)工作，潛油泵會繼續(xù)磨損，最后造成電機繞組的燒毀。

④潛油泵在欠載條件下運行，不能進行全壓形式的頻繁性啟動。潛油泵電機地面控制系統(tǒng)具有電機欠載自動停機以及自啟的能力。當潛油泵欠載達到15%以上的時候，潛油泵電機將會自動停止運行，當井底油液的液面達到要求時，控制系統(tǒng)會自動啟動潛油泵電機?？墒菨撚捅秒姍C不能頻繁進行啟動，這主要是由于全壓形式的啟動，潛油泵電機實際需要的電流達到額定的電流5～8倍左右，其電流能夠達到250A左右，這一大電流的沖擊會嚴重影響潛油泵電機使用壽命，甚至會造成潛油泵的泵軸發(fā)生斷裂。所以說，潛油泵在欠載條件下運行，要采用定時啟機、降壓啟機。

（2）潛油泵在過載條件下運行。潛油泵在過載條件下運行主要有兩種情況。

一是潛油泵實際的排量遠遠比額定的排量要大，潛油泵實際的電流也比額定的電流要大。

二是潛油泵機械方面存在問題。當潛油泵實際的排量遠遠比額定的排量要大時，油泵葉輪在旋轉(zhuǎn)推力的作用下會向前移動，葉輪會和導殼發(fā)生摩擦，當葉輪出現(xiàn)嚴重的磨損后，潛油泵會失去吸油的能力，使其潛油泵的排量出現(xiàn)下降，最終導致潛油泵在欠載的條件下運行。當潛油泵的排量很大，同時超出高效區(qū)進行工作的時候，潛油泵的效率將會下降，其無功的功率會隨之增加。

潛油泵在過載情況下工作，電機定子線圈電流會加大，銅損會加大，同時潛油泵電機的溫度也會隨之升高，潛油泵電機長期在這種條件下工作，電纜以及電機線圈會加速老化，甚至造成電機損壞。

（3）工頻潛油泵參數(shù)的設(shè)定。油田井下潛油電泵的電氣系統(tǒng)是由專用的動力型電纜將電力傳送到潛油泵電機的，潛油泵電機在電力的作用下旋轉(zhuǎn)帶動與其連接的多級泵，油液在離心泵的作用下被抽出地面，隨后由相應(yīng)的輸送裝置，輸送到處理裝置內(nèi)進行加工。工頻潛油泵電機使用的400V電源，是通過變壓器升壓后提供給電機的，當井下潛油泵電氣系統(tǒng)接到啟動信號后，控制接觸器電磁線圈通電觸電吸合，此時潛油泵電機進行全壓形式的啟動。

潛油泵電機供電的路徑為：配電柜→動力型變壓器→潛油泵電機控制柜→潛油泵電纜→潛油泵電機。工頻潛油泵參數(shù)確定的依據(jù)是，通過油井實際的溫度、潛油泵電機負載的電流以及電機降壓的需求進行潛油泵電機動力電纜規(guī)格的確定，然后再對變壓器的輸出電壓進行確定。例如：當潛油泵電機的額定使用功率是43.87kW時，額定使用的電壓為945V，額定使用的電流為39A，動力電纜使用的規(guī)格為AWG4＃，潛油電泵最大深度為1200m，油井溫度最高66度。經(jīng)過對電纜使用手冊的查詢得知，電纜在標準的溫度下，其電壓降為每305m電壓下降17V，1200m潛油泵電機動力電纜的電壓降是。通過資料查詢得到，66度電阻系數(shù)是1.176，由此確定出變壓器為潛油泵電機輸送的電壓為50Hz的工頻1023.6V電源。

2 潛油泵常見故障的原因分析

（1）電氣方面經(jīng)常出現(xiàn)的故障。動力性電纜發(fā)生擊穿故障、潛油泵電機發(fā)生損壞。

（2）機械方面經(jīng)常出現(xiàn)的故障。潛油泵與電機連接固定的螺栓發(fā)生斷裂，導致電機與潛油泵體脫離，油泵出現(xiàn)卡死現(xiàn)象無法正常工作。

通過對歷年潛油電泵故障的統(tǒng)計與調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，發(fā)生電纜擊穿以及電機出現(xiàn)損害的故障是總故障的80%左右，不論是設(shè)備質(zhì)量的問題、電源問題以及施工出現(xiàn)的質(zhì)量問題，其導致的故障會通過電氣的故障顯現(xiàn)。由于井下出砂的問題和其他問題，導致潛油泵電機在啟動時阻力加大，從而影響電機無法順利的啟動，使啟動的時間加長，這種情況會加快設(shè)備絕緣材料的老化，降低設(shè)備的壽命。因此，當潛油泵電機出現(xiàn)啟動非常困難時，必須對其參數(shù)進行合理的設(shè)定。

3 潛油泵電機啟動過程的分析

3.1 電機啟動的轉(zhuǎn)矩

電機的啟動時間非常短，當電機在進行啟動時，提供給電機的供電電壓必須確保電機轉(zhuǎn)矩高于機械拖動阻力，也就是啟動時的轉(zhuǎn)矩，必須大于機械阻力，同時要多出一定的轉(zhuǎn)矩余量，從而保證電機能夠啟動順利。轉(zhuǎn)矩計算公式如下：

式中，Ms表示的是啟動時的轉(zhuǎn)矩，N.m；U1表示的是定子電壓，V；m1為表示的是相數(shù)；r1表示的是定子線圈電阻，Ω；r2表示的是折算后定子線圈電阻，Ω；表示的是電機同步的角速度，1/s；為表示的是短路的阻抗，Ω。通過上述的公式能夠知道，電機在啟動時，其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和電機的電壓以及其電機特性存在直接的關(guān)系，當電機電源沒有變化時，電機在啟動時的轉(zhuǎn)矩不變，并且它和電機電壓的平方存在正比關(guān)系。

3.2 電機啟動的電流

在電機進行啟動時，啟動所需的電流是出現(xiàn)變化參數(shù)的量。當電機啟動后，其轉(zhuǎn)速達到額定的轉(zhuǎn)速時，電機電流將會下降。電機在啟動時使用的時間與電機負載存在直接關(guān)系，當電機啟動的負載加大時，電機啟動需要的時間會增長，此時電機繞組以及電纜將會發(fā)熱，電機以及電纜絕緣能力會下降，電泵電機使用壽命會降低，甚至損壞。

3.3 電機電壓

在不考慮電機在實際啟動過程中電壓下降的因素下時，因為潛油泵電纜過長，在電機啟動時，電纜會產(chǎn)生一定的電壓降，電機在啟動時，啟動所需電流是額定電流的5倍，此時電纜承受的電壓是額定電壓的5倍以上，這時啟動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩：[(1023.6-5×78.6)÷945]2≈0.445倍。當潛油泵在輕負荷狀態(tài)下啟動時，壓降不會對潛油泵電機的啟動產(chǎn)生影響，但是，當油井含沙量大發(fā)生卡泵時，潛油泵電機所需啟動的轉(zhuǎn)矩就要大，這時壓降會降低電機啟動的轉(zhuǎn)矩。

4 變頻潛油泵

變頻進行電機調(diào)速是最為科學的調(diào)速方式。當前變頻技術(shù)已經(jīng)非常成熟，變頻技術(shù)已經(jīng)在油田油井上大量應(yīng)用。變頻潛油泵電壓是由工頻做基礎(chǔ)，它是根據(jù)井下實際的狀態(tài)，利用改變提供潛油泵電機頻率的方法實現(xiàn)控制潛油泵輸出量的目的，使控制更為便利。

電機在變頻條件下運行，其定子線圈電動勢的計算如下：

根據(jù)公式可知，為了防止出現(xiàn)磁飽和導致電機過熱的情況發(fā)生，在降低變頻器輸出頻率的同時也要進行電壓的降低，從而達到磁通量不變。因為電機的定子線圈存在一定的阻值，電機在工作的過程中會產(chǎn)生30V左右壓降，當電壓頻率高的時候，對轉(zhuǎn)矩影響較輕，但是在頻率較低時就會嚴重影響轉(zhuǎn)矩的輸出。當前變頻器均已設(shè)計補償輸出功能，當頻率較低時，變頻器將會提升輸出的電壓，從而使電機輸出的扭矩達到最佳狀態(tài)。在變頻器實際的使用中，我們可依據(jù)電機實際運行環(huán)境對變頻器的頻率及電壓進行設(shè)置，從而達到補償啟動時的電壓，加大啟動磁通量。在實際工作中，不同頻率使用的補償會有所不同，提升電壓可以加強低頻時電機的功率。

5 結(jié)語

經(jīng)過本文的研究分析得出，潛油泵電機在啟動的時候，其供電電壓是決定電機成功啟動的主要條件，潛油泵電機供電電壓過低會導致啟動時的力矩太低，使電機啟動失敗，因此，必須對電機供電電纜產(chǎn)生的壓降進行計算確定，同時還要考慮到電機啟動時對供電電壓產(chǎn)生壓降的問題。在潛油泵變頻啟動時，要注重低頻時的啟動情況，定子線圈產(chǎn)生的壓降會對電機啟動的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，因此，根據(jù)實際情況合理進行啟動時升壓的設(shè)置，能夠使電機在啟動過程中對電源產(chǎn)生極小的影響，能夠使電機得到最佳的啟動能力。