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[摘 要]潜油地下直驱螺杆泵是一种新型的无杆举升工艺技术，适用于产液20-50t/d的直井、定向井和水平井。该技术是将永磁同步电机置于井下，由联轴器与螺杆泵相连接，通过地面的控制柜控制永磁同步电机，直接驱动螺杆泵进行采油。潜油地下直驱螺杆泵作为新型举升工艺，整体技术水平还处于逐步完善阶段，因此，吉林油田通过关键性技术攻关、现场试验对该项技术进行了完善，提升了技术的成熟度，现场应用取得很好的效果。
[关键词]潜油地下直驱螺杆泵；永磁同步电机；螺杆泵；无杆举升；检泵周期；适应性
中图分类号：TB482 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0369-01
排量在20-50t/d 范围内斜井、水平井，有杆泵举升方式存在如下问题：偏磨导致泵下深不够，容积效率和系统效率低，检泵周期短；耐磨抽油杆、管、扶正器等工具的研究没有从根本上解决偏磨问题； 潜油电泵、气举、潜油柱塞泵等不适应此排量区间，或投资过大。针对这些问题，开展潜油地下直驱螺杆泵举升技术研究，该技术是将有杆采油工艺变为无杆采油，消除了抽油杆与油管之间的磨损，能延长生产周期，且单位采油量能耗更低。但作为新型举升工艺，整体技术水平还处于逐步完善阶段，因此，我们通过关键性技术攻关、现场试验完善潜油地下直驱螺杆泵举升技术，取得很好的效果。
前言
国外20世纪80年代开始研制电动潜油螺杆泵， Reda公司电潜螺杆泵有φ106的68mm和133.35mm2种，减速器减速比分别为4：1和16：1；Centrilift公司电潜螺杆泵具有4种型号，可以应用的最小套管为5 1/2"和8 5/8"，减速器传动比为9：1和11.5：1，扬程<2480m。目前正在研发低转速、大扭矩井下直驱电机。
国内胜利泵业、天津雷达等潜油螺杆泵企业，设计方案是井下电机+减速器+螺杆泵组合，减速器减速比12：1时，外径尺寸在130mm以上，排量10-150m3/d，扬程<1800m。
目前国内外所有潜油螺杆泵产品均采用行星减速器减速，以满足螺杆泵转速需求，但始终无法克服其可靠性问题，有些单位试图从摆线针轮减速器、进动式减速器入手，由于制造误差和磨损，均未能成功。
1潜油地下直驱螺杆泵结构、工作原理及性能特点
1.1结构组成
潜油地下直驱螺杆泵主要包括地面部分、中间部分和井下部分。其中地面部分包括地面控制柜、接线盒；中间部分包括电缆、油管、单流阀、泄油阀；井下部分自下而上包括永磁同步电机、保护器、联轴器和螺杆泵。潜油专用永磁同步电机置于井下设备的底端，依次与保护器、连接器及螺杆泵自下而上同轴连接。
1.2工作原理
由地面上的控制柜控制潜油永磁同步电机，对其进行无级调速，使其以低转速运行，大扭矩输出，直接驱动螺杆泵进行采油。
1.3性能特点
（1）无抽油杆，彻底避免杆管偏磨。
（2）适合产液20m3-50m3的油井，弥补了潜油电泵、气举、潜油柱塞泵等不适应此排量区间，或投资过大。
（3）不易发生气锁，具有破乳作用。
（4）适用于直井、斜井、水平井，尤其适用于杆管偏磨井。
（5）适用于开采高粘度、高含砂量、高汽油比的原油。
2关键性技术
2.1井下直驱电机的研制
直驱电机的细长结构，低速大扭矩特点，存在制造困难，烧电缆问题，因此，研制高效永磁电机必须满足小径长比的尺寸限制和低速大扭矩恶劣工况。
通过开发单元组合式永磁电机，实现不同单元电机的同步控制，解决细长电机的制造、运行和维护问题，单元电机根据总功率来配备每个电机的长度和功率。我们这次采用12槽10级的设计方案，外径尺寸114mm，满足了5 1/2〞套管下入通径要求；输出转速范围50-450rpm，满足了螺杆泵低速运行的要求；常用功率系列9、10.5、12、15kw，满足了不同油井的举升要求；输出扭矩最大扭矩700N.m，满足螺杆泵驱动要求。
2.2潜油地下螺杆泵举升工艺研究
潜油地下直驱螺杆泵整套工艺要保证举升管柱及部件起下的通过性，运行的可靠性。因此，要使螺杆泵、井下工具与直驱工艺特点相匹配。
（1） 配置更好性能的螺杆泵。
选用国外进口10-1800螺杆泵，外径尺寸为Φ88.9x5200，降低启动扭矩和电机功率。
（2）通过扶正和电机下端连接锚定器，避免电缆振动疲劳，适应大斜度井下入。
设计锚定工艺，采用上提下放坐封、解封锚定器，长876mm，工艺简单。锚定后避免了油管倒扣风险，降低了震动，有利于保护电缆连接和密封，延长系统寿命。
（3）设计了柔性传动系统，实现了从电机同心运动到螺杆泵转子行星运动的转化。
柔性传动系统结构由螺杆泵接头、柔性连接和扶正器组成，外径102mm，长度1400mm。其中柔性连接采用万向节的原理，实现电机与螺杆泵转子同心运动。
2.3电机工况监测及控制技术研究
针对潜油地下直驱螺杆泵前期试验现场提速不提液、扭矩激增等工况，开展井下电机工作参数采集及远传、电机控制技术研究，提高潜油螺杆泵使用寿命，降低成本。
（1） 通过采集和传输电流、转速、扭矩等数据，实现工况的监测和诊断。
控制系统将电机电压、电流、转速、扭矩等实时数据通过GPRS传送到上位机，通过可视化界面直接观看到系统运行情况。
（2）实现电机伺服控制，确保异常工况的自动保护和人工干预。
通过高性能的无传感器控制柜对电机进行控制，实现对电机转子速度、位置以及定子电流的三闭环控制，精确控制电机速度和转矩，柔性平滑驱动电机，大大降低系统损耗，实现整个系统综合效率最大化运行。
3现场应用
通过技术分析、攻关研究、改进完善后，吉林油田现场应用3口井，均采用12kW电机，平均泵挂1190m。全部运行情况良好，最长的已经运行120天以上，平均泵效>80%，相比原抽油系统节电>25%。
4结论
潜油地下直驱螺杆泵举升工艺是新型的将有杆采油工艺变为无杆采油的人工举升技术，通过关键性技术攻关研究、现场试验，取得以下初步结论：
1、潜油地下直驱螺杆泵一方面省去了抽油杆传动带来的能量损耗，另一方面采用潜油专用永磁同步电机做驱动，节能效果显著。
2、无杆举升，彻底避免了杆管偏磨，节省作业费用。
3、控制系统采用位置、速度、电流三闭环调节，使电机适应不同井况。
参考文献
【1】 郑学成 魏纪德：地面驱动螺杆泵用电动机功率选择方法初探，石油机械，Vol.31，No.6，47—48，2003
【2】 吴仕贵：螺杆泵优化设计方法及应用，石油钻采工艺，Vo19， No. 1， 73-77， 1997
【3】 王玉山 田继元等：螺杆泵采油技术，石油工业出版社，1995
【4】 王旱祥：单螺杆泵的合理选择与使用，石油机械，Vol. 27， No. 5， 31一33， 1999
【5】 郁文正：浅谈采油螺桿泵与油井的匹配问题，石油机械，Vol. 28， No. 1， 25-27， 2000
【6】 姜民政 朱君 郑福全等：单螺杆泵特性试验，石油矿场机械，No.2，1999
作者简介：邹铭，男，1987年出生，2015年毕业于长江大学石油工程专业，现从事采油工艺方面的管理研究工作，助理工程师。
[关键词]潜油地下直驱螺杆泵；永磁同步电机；螺杆泵；无杆举升；检泵周期；适应性
中图分类号：TB482 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0369-01
排量在20-50t/d 范围内斜井、水平井，有杆泵举升方式存在如下问题：偏磨导致泵下深不够，容积效率和系统效率低，检泵周期短；耐磨抽油杆、管、扶正器等工具的研究没有从根本上解决偏磨问题； 潜油电泵、气举、潜油柱塞泵等不适应此排量区间，或投资过大。针对这些问题，开展潜油地下直驱螺杆泵举升技术研究，该技术是将有杆采油工艺变为无杆采油，消除了抽油杆与油管之间的磨损，能延长生产周期，且单位采油量能耗更低。但作为新型举升工艺，整体技术水平还处于逐步完善阶段，因此，我们通过关键性技术攻关、现场试验完善潜油地下直驱螺杆泵举升技术，取得很好的效果。
前言
国外20世纪80年代开始研制电动潜油螺杆泵， Reda公司电潜螺杆泵有φ106的68mm和133.35mm2种，减速器减速比分别为4：1和16：1；Centrilift公司电潜螺杆泵具有4种型号，可以应用的最小套管为5 1/2"和8 5/8"，减速器传动比为9：1和11.5：1，扬程<2480m。目前正在研发低转速、大扭矩井下直驱电机。
国内胜利泵业、天津雷达等潜油螺杆泵企业，设计方案是井下电机+减速器+螺杆泵组合，减速器减速比12：1时，外径尺寸在130mm以上，排量10-150m3/d，扬程<1800m。
目前国内外所有潜油螺杆泵产品均采用行星减速器减速，以满足螺杆泵转速需求，但始终无法克服其可靠性问题，有些单位试图从摆线针轮减速器、进动式减速器入手，由于制造误差和磨损，均未能成功。
1潜油地下直驱螺杆泵结构、工作原理及性能特点
1.1结构组成
潜油地下直驱螺杆泵主要包括地面部分、中间部分和井下部分。其中地面部分包括地面控制柜、接线盒；中间部分包括电缆、油管、单流阀、泄油阀；井下部分自下而上包括永磁同步电机、保护器、联轴器和螺杆泵。潜油专用永磁同步电机置于井下设备的底端，依次与保护器、连接器及螺杆泵自下而上同轴连接。
1.2工作原理
由地面上的控制柜控制潜油永磁同步电机，对其进行无级调速，使其以低转速运行，大扭矩输出，直接驱动螺杆泵进行采油。
1.3性能特点
（1）无抽油杆，彻底避免杆管偏磨。
（2）适合产液20m3-50m3的油井，弥补了潜油电泵、气举、潜油柱塞泵等不适应此排量区间，或投资过大。
（3）不易发生气锁，具有破乳作用。
（4）适用于直井、斜井、水平井，尤其适用于杆管偏磨井。
（5）适用于开采高粘度、高含砂量、高汽油比的原油。
2关键性技术
2.1井下直驱电机的研制
直驱电机的细长结构，低速大扭矩特点，存在制造困难，烧电缆问题，因此，研制高效永磁电机必须满足小径长比的尺寸限制和低速大扭矩恶劣工况。
通过开发单元组合式永磁电机，实现不同单元电机的同步控制，解决细长电机的制造、运行和维护问题，单元电机根据总功率来配备每个电机的长度和功率。我们这次采用12槽10级的设计方案，外径尺寸114mm，满足了5 1/2〞套管下入通径要求；输出转速范围50-450rpm，满足了螺杆泵低速运行的要求；常用功率系列9、10.5、12、15kw，满足了不同油井的举升要求；输出扭矩最大扭矩700N.m，满足螺杆泵驱动要求。
2.2潜油地下螺杆泵举升工艺研究
潜油地下直驱螺杆泵整套工艺要保证举升管柱及部件起下的通过性，运行的可靠性。因此，要使螺杆泵、井下工具与直驱工艺特点相匹配。
（1） 配置更好性能的螺杆泵。
选用国外进口10-1800螺杆泵，外径尺寸为Φ88.9x5200，降低启动扭矩和电机功率。
（2）通过扶正和电机下端连接锚定器，避免电缆振动疲劳，适应大斜度井下入。
设计锚定工艺，采用上提下放坐封、解封锚定器，长876mm，工艺简单。锚定后避免了油管倒扣风险，降低了震动，有利于保护电缆连接和密封，延长系统寿命。
（3）设计了柔性传动系统，实现了从电机同心运动到螺杆泵转子行星运动的转化。
柔性传动系统结构由螺杆泵接头、柔性连接和扶正器组成，外径102mm，长度1400mm。其中柔性连接采用万向节的原理，实现电机与螺杆泵转子同心运动。
2.3电机工况监测及控制技术研究
针对潜油地下直驱螺杆泵前期试验现场提速不提液、扭矩激增等工况，开展井下电机工作参数采集及远传、电机控制技术研究，提高潜油螺杆泵使用寿命，降低成本。
（1） 通过采集和传输电流、转速、扭矩等数据，实现工况的监测和诊断。
控制系统将电机电压、电流、转速、扭矩等实时数据通过GPRS传送到上位机，通过可视化界面直接观看到系统运行情况。
（2）实现电机伺服控制，确保异常工况的自动保护和人工干预。
通过高性能的无传感器控制柜对电机进行控制，实现对电机转子速度、位置以及定子电流的三闭环控制，精确控制电机速度和转矩，柔性平滑驱动电机，大大降低系统损耗，实现整个系统综合效率最大化运行。
3现场应用
通过技术分析、攻关研究、改进完善后，吉林油田现场应用3口井，均采用12kW电机，平均泵挂1190m。全部运行情况良好，最长的已经运行120天以上，平均泵效>80%，相比原抽油系统节电>25%。
4结论
潜油地下直驱螺杆泵举升工艺是新型的将有杆采油工艺变为无杆采油的人工举升技术，通过关键性技术攻关研究、现场试验，取得以下初步结论：
1、潜油地下直驱螺杆泵一方面省去了抽油杆传动带来的能量损耗，另一方面采用潜油专用永磁同步电机做驱动，节能效果显著。
2、无杆举升，彻底避免了杆管偏磨，节省作业费用。
3、控制系统采用位置、速度、电流三闭环调节，使电机适应不同井况。
参考文献
【1】 郑学成 魏纪德：地面驱动螺杆泵用电动机功率选择方法初探，石油机械，Vol.31，No.6，47—48，2003
【2】 吴仕贵：螺杆泵优化设计方法及应用，石油钻采工艺，Vo19， No. 1， 73-77， 1997
【3】 王玉山 田继元等：螺杆泵采油技术，石油工业出版社，1995
【4】 王旱祥：单螺杆泵的合理选择与使用，石油机械，Vol. 27， No. 5， 31一33， 1999
【5】 郁文正：浅谈采油螺桿泵与油井的匹配问题，石油机械，Vol. 28， No. 1， 25-27， 2000
【6】 姜民政 朱君 郑福全等：单螺杆泵特性试验，石油矿场机械，No.2，1999
作者简介：邹铭，男，1987年出生，2015年毕业于长江大学石油工程专业，现从事采油工艺方面的管理研究工作，助理工程师。