井下直驱螺杆泵无杆举升技术

井下直驱螺杆泵无杆举升技术

摘要：中国石油勘探开发研究院依托中国石油天然气集团公司重大科技项目，

结合油井实际生产需求，经过近10年的摸索和试验，联合攻关开发了潜油永磁

同步低速电机，技术思路是采用“潜油永磁同步低速电机+保护器+柔性轴+螺杆泵”结构。目前这项技术适用油井排量范围是5～50m3/d，满足大部分中国石油油井

举升需求。

关键词：无杆举升；井下直驱螺杆泵；井下电机

1引言

中国石油天然气集团公司油井超过20万口，由于地层能量偏低，人工举升油井占到总井数的95%以上。人工举升主要有抽油机、螺杆泵、电潜泵、水力泵和

气举等技术和装备，其中有杆泵（抽油机和地面驱动螺杆泵）数量达到了92%。

有杆泵采油是通过抽油杆将动力传到井下，带动井下泵运动将原油举升到地面。

有杆泵采油面临3个方面的生产难题：一是效率低、能耗高，有杆泵采油设备平

均系统效率只有24%，每年消耗的电能约占油田总耗电的一半以上；二是大斜度井、聚驱井、高含水井增多，杆管偏磨问题越来越严重，导致检泵周期短，吉林、长庆油田部分油井由于杆管磨损检泵周期只有300 d左右，远低于抽油机井平均

检泵周期800d。随着斜井、定向井及水平井数量不断增加，井眼轨迹更加复杂，有杆泵采油杆管磨损现象会更加严重；三是有杆泵采油井口采用光杆盘根动密封，更换不及时会导致原油泄漏，造成安全环保事故。

针对有杆泵采油存在的问题，国内外一直在致力于发展无杆举升技术，目前

比较成熟的是电潜离心泵。该技术主要适用于日产液50 m3以上的油井，由于中

国石油油井产量普遍偏低，限制了其广泛应用，电潜泵井只有2 000余口。电潜

螺杆泵是近年发展起来的无杆采油技术之一，与潜油电泵相比，在稠油井、出砂

井中有更好的应用效果。国内外进行了大量的研究，美国的Centrilift Amoco和加

拿大的KUDU等公司从20世纪90年代开始进行电潜螺杆泵产品的研究，传统的

思路是采用“潜油电机+井下减速器+保护器+螺杆泵”结构方案，该方案中电机转速1450 r/min，通过行星减速器将输出转速降到150 r/min左右，减速比为9∶1。受到套管内径限制，减速器外径要求在102 mm以内，较大的减速比和尺寸的限制

导致关键部件尺寸过小，机械强度和可靠性不足，多口井试验减速器出现故障。

2井下直驱螺杆泵举升工艺

井下直驱螺杆泵举升系统的设计借鉴了电潜泵系统，分为地面工具和井下机

组两部分。地面部分包括控制柜主体、变频控制器、数据采集器、数据远程传输

等关键部件。通过地面控制可以读取电机输入电流、转速以及对电机进行转速调节。泵挂在1500 m以下时，控制柜需要输入380 V电压，与抽油机相同，泵挂超过1500 m时需要输入660 V电压。井口电缆穿越工具也与传统电潜泵一致，确保配套工具的互换性和现场作业的便捷性。井下机组部分包括井下电机、保护器、

柔性轴、螺杆泵、电缆等。为了消除过流通道和电缆对电机尺寸和功率的影响，

电缆从电机上端接出。正常工作时，动力从电机轴输出，依次传递到保护器轴、

柔性轴、螺杆泵转子，将井液举升到井口。

井下直驱螺杆泵现场施工工艺简单，主要步骤为：

①将锚定器坐在井口，与电机下端通过73.0 mm油管螺纹连接；②锚定器

下入井内，电机上端坐在井口，将保护器下端和电机上端通过法兰连接，连接电

机和动力电缆，继续下入；③连接柔性轴和电机保护器；④连接柔性轴和螺杆

泵；⑤连接油管至预定泵挂深度，做好地面悬挂器电缆密封，将动力电缆连接到控制柜，安装好井口等设备，开机运转。

井下直驱螺杆泵举升系统及其工艺有以下特点：

①井口无光杆等活动部件，无磨损漏油风险；②相比抽油机，地面控制柜

体积小、重量轻，可以高置，在雨季不会被水淹；③井下驱动螺杆泵采用无杆举升方式，彻底消除杆管磨损，节省因杆管磨损造成的修井费用及更换管杆的费用；

④井下电机调速范围宽，适用油井排量范围宽。

3现场应用情况及经济效益

3.1应用效果

截至目前，井下直驱螺杆泵举升技术已应用100余井次，分布于吉林、大庆、吐哈等油田，相比原井抽油机系统平均节电30%，体现了4个方面的优势。①显著降低装机功率，节电效果明显，提高系统效率。表1是国内某油田电潜直驱螺

杆泵与原井抽油机运行情况对比，从表中数据可以看出，相比原井抽油机，井下

直驱螺杆泵装机功率下降了45%，日耗电量降低了41%，系统效率提高了8%，泵效提高了25%，节能提效效果明显。②实现无杆采油，有效延长杆管偏磨井的检泵周期。受到井眼轨迹不规则影响，A油田一些抽油机井杆管磨损情况严重，平

均检泵周期只有200 d左右，造成频繁修井、更换杆管等，作业费用高。选出两

口井开展了井下直驱螺杆泵试验，检泵周期从235 d延长到469 d。目前正进一步加大现场应用数量。③实现地面采油装备本质安全。采用常规抽油机和地面驱动螺杆泵时地面都有活动部件，虽然各油田都加强了管理，但是每年都会出现安全

事故，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。井下直驱螺杆泵地面无活动部件，实现采油设备本质安全。同时，由于没有光杆盘根的跟踪更换作业，不存在井口

漏油问题，在沼泽、湿地及环境敏感区具有显著的优势。结合目前修井原油不落

地技术，可实现采油及作业安全环保。④实现远程监测与控制，提高油井生产管理效率。配套使用市场应用成熟的数据采集器及GPRS远程数据传输技术，重点

对电机运行电流、电压、功率、转速以及油井环空压力等参数进行采集，机组运

行状态能够实时传递到控制中心，操作人员可远程实现电机转速调节、机组启停

等操作，提高了系统管理效率，减轻了采油工人劳动强度。

3.2经济效益

与抽油机相比，井下直驱螺杆泵在一次性投资方面可以减少3.2万元，减少

了10.1%；在日常运行耗电方面，井下直驱螺杆泵日节电66 kW•h，年节电24090 kW•h，单井每年可节省电费1.7万余元。

4结束语

综上所述，通过设计井下低速大转矩电机，基本形成了适应日产液量5～50

m3油井的井下直驱螺杆泵无杆举升技术。室内数据测试表明设计的井下电机具

有较宽的运行功率范围、较高的效率及低转速下良好的转矩输出能力，能够满足

井下动力驱动螺杆泵运行的需要。现场试验表明井下直驱螺杆泵举升技术能够降耗、提效及延长检泵周期，消除了地面活动部件，实现地面运行装备本质安全，

适用于斜井及定向井、稠油井、低产低渗油井以及环境敏感区。同时其总体经济

效益相对于传统的抽油机装备也有明显优势。

参考文献：

[1]刘合，郝忠献，王连刚，等.人工举升技术现状与发展趋势[J].石油学报，2015，36（11）：1441-1448.