大排量高扬程电泵在伊拉克某油田水源井的应用_陈文征.pdf

设备管理与维修2023 5（下）0引言潜油电泵是目前世界上已知的最高效的采油设备，具有排量范围大、举升效率高、操作简单、管理方便等优点，在高产液井的应用上具有其他举升方式无可替代的优势。全球多数油田油井自喷时代行将结束，电泵服务市场在未来一段时间需求仍然旺盛，可助力提升从业服务商的可持续发展能力1-5。国产电泵在国际市场多个国家进行了较好应用，形成了耐高温、出砂、泵挂深、耐腐蚀等高难度井的系列配套技术6-7。在海上油田或中东地区油田，随着地层压力下降，多数油田面临注水难的困境，通过打水源井采水是解决注水短缺的有效方式，部分国家已开始实验探讨。水源井采水需要解决的问题是排量大（20 000 桶/d）、扬程高（1800 m 扬程）两大问题，国内油田没有相关应用。对伊拉克某油田的水源井情况进行了系统研究，制定了单井采水20 000 桶/d、扬程最高 1800 m 的电泵设计方案，首次应用于该油田并取得成功。1大排量高扬程电泵系统设计1.1潜油泵在伊拉克前期大排量油井电泵应用中发现，排量大扬程高的泵不仅功率大、轴向力大，还存在由于叶轮轴向力的增大存在叶轮和导壳之间的磨蚀、腐蚀性气体对机组的腐蚀等状况8。机组方面首次在伊拉克开发 QM265 潜油泵，泵型采用压紧式设计，径向扶正器选用 YG15 硬质合金材料以应对高含砂井的井况；泵轴采用 INCONEL718 材料，满足了高强度、大功率的输出要求；在应对腐蚀方面，泵接头部位采用 13Cr 不锈钢材料，机组壳体表面喷涂蒙乃尔涂层。在 50 Hz 下的排量，该泵可以实现日产 940020 000 桶，三节泵 90 级的设计也实现了 1800 m扬程。1.2保护器改变保护器上部传统的结构，设计了两个胶囊腔和一个沉淀腔：在上壳体的上端，设计上部接头和联接体两个部件，并在上部接头内设计安装具有 90弯度的呼吸管，防止井液中的砂粒直接进入保护器第一呼吸腔的外腔；在联接体的最下端设计排砂孔，机组运转时在离心力的作用下井液中的细砂和杂质直接被甩到机组以外的套管，有效防止细砂和其他固体杂质在保护器内存留，改善保护器的工作环境，从而延长机组使用寿命。大排量、高扬程机组轴向力显著增大，在潜油泵工作时轴向力完全作用在保护器止推轴承上，高承载止推轴承采用浮动瓦设计有效增强了轴向承载能力。该止推轴承按照 GB/T 19582017产品几何技术规范（GPS）几何公差 检测与验证、GB/T 103.12009 产品几何技术规范（GPS）表面结构 轮廓法 表面粗糙度参数及其数值、GB/T 230.12018金属材料洛氏硬度试验 试验方法、GB/T 11741992 铸造轴承合金 相关标准检测方法，在指定工况下（转速 3000 r/min）破坏强度、平面度、平行度、摩擦面粗糙度、表面硬度进行检测，均符合设计要求。其中，保护器 001#止推轴承的检测结果为：指定工况下（转速 3000 r/min）破坏强度为 94.8 kN，平面度和平行度分别小于 0.002 5 mm、0.02 mm，摩擦面粗糙度为0.1 m，表面硬度28.5 HRC。1.3潜油电机目前伊拉克油田采用的是 143 系列三节电机，为减少机组连接点数，在本水井电泵中开发了 YQY188 两节电机设计。该电机采用定子 24 槽、转子 20 槽的设计，比原来增加了定子每极每相槽数，使电机获得更好的磁动势、电势波形，同时可以使绕组更分散、利于散热，以满足大排量、高扬程对大功率电机的要求。该电机设计主要有 3 项创新：（1）通用化设计提高了单节电机互换性和旧件利用率。该电机单节、上节、下节电机的定子总成和转子总成通用，轴两端均有花键，可用于单节、上节、下节，增加了实际应用过程中上下单节电机的互换性，提高旧件利用率，降低生产成本（图 1）。（2）适应性设计解决了因温度升高电机转子轴向膨胀量逐级累加造成定转子对位不准的难题。该电机设计有转子限位机构，每节转子尾部配一个限位卡环，给每节转子预留充分的膨胀摘要：针对油田原油探明储量大、地表淡水资源匮乏和海水淡化注水成本高的现状，开发了排量可达 20 000 桶/d、扬程超过 1800 m的国产电泵。该潜油泵采用压紧式设计，扶正器采用硬质合金材料，设计有胶囊腔和沉淀腔的保护器，地面变频系统对高温、防砂和抑制谐波有针对性设计，解决了注水水源短缺的问题，经受了高温、高沙尘、大排量、高扬程等苛刻环境的考验，对探明储量大、地表水匮乏的油田解决注水短缺问题具有借鉴意义。关键词：潜油单泵；大排量；高扬程；水源井；高温中图分类号：TE938文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.05D.15大排量高扬程电泵在伊拉克某油田水源井的应用陈文征（中国石油技术开发有限公司，北京100028）图 1电机轴壳通用化设计33设备管理与维修2023 5（下）空间，避免电机温度升高后转子轴向膨胀量逐级累加、造成定转子对位不准的难题（图 2）。（3）可靠性设计显著降低了机组高负荷时的振动。采用了自锁式扶正轴承设计，扶正轴承两侧用弹簧片限位在电机定子内腔冲片的键槽里，与传统的 T 环结构相比，解决了高温工况下电机油膨胀不均造成定转子对中性不佳的问题，显著降低高负荷时机组的振动（图 3）。1.4地面变频系统伊拉克南部油田夏季温度可高达5560，沙尘天气较多，此外为满足 2000 桶/d、1800 m扬程的要求，地面变频器容量要达到 1 MV A，产生的谐波会对供电电网和机组造成较大影响9。在设计地面系统中，对高温、防砂和抑制谐波均进行了针对性考虑。1.4.1空调制冷的户内型变频器调整为风冷户外型（1）变频器留有较大功率余量适应高温环境。在环境温度超过 40 时变频器就要降容使用，此次选型设计将容量放大到1.6 倍，满足高温环境下的降容使用要求。（2）功率器件散热与控制部分散热通道隔离设计，更有利于变频器控制系统的稳定运行（图 4）。热风被散热风机强制吹入变频器后部的铝管散热器中进行冷却，在循环进入控制区域。（3）变频器底部出风口设计有集沙装置。伊拉克沙尘天气较多，为防止沙子进入变频器底部，专门设计了集沙装置，有效阻拦沙子（图 5）。1.4.2大功率变频谐波抑制措施为满足大排量、高扬程的机组使用，配套的变频器额定容量达到 1 MV A，变频器产生的谐波对电网和机组造成较大影响。为抑制谐波在输入测采用“12 脉移相整流+11 次谐波滤波器”结构，12 脉整流能够抑制变频器整流产生的 5 次和 7 次谐波，11 次谐波滤波器对变频器产生的 11 次谐波进行滤除，保证网侧谐波总畸变率满足 IEEE 519 标准要求。2现场应用新开发的大排量高扬程电泵机组在伊拉克某油田已累计下泵 6 口，均投产成功且运行平稳，具体应用情况见表 1。表 1大排量、高扬程机组在伊拉克某油田应用情况机组用于从地下水源井中采水，从水源井采出的水经地面水处理系统处理达到注水水质指标要求后再注入油层补充地层能量，解决了油田注水水源问题。与海水淡化工程解决水源问题相比，该方式成本显著下降。油田主要应用条件如下：（1）水源井套管规格：958（1=25.4 mm），47 磅尺（折合0.063 723 kN m）。（2）水源井油管规格：512，Vam Top 或者 VA 扣型，17 磅尺（折合 0.023 049 kN m）。（3）采液指数：3070 桶/（d psi）。（4）井液相对密度：1.17 g/cm3。（5）供电方式：油区电网供电，415 V/33 kV，50 Hz。（6）泵挂深度：18002200 m。图 2单节转子限位示意图 3电机自锁式扶正轴承图 4户外型变频器风冷结构图 5变频器底部集沙装置序号下泵深度/m产量/（桶/d）油嘴规格运行状态1186720 200215/64正常2191620 300215/64正常3195319 940215/64正常4208419 860215/64正常5212019 630215/64正常6216219 880215/64正常34设备管理与维修2023 5（下）3结论与建议（1）通过打水源井采水是解决伊拉克南部油田开发所需的注水水源问题的有效方式，与海水淡化再铺设输水管道的方式相比，可显著降低成本，为油田稳产提供注入水源保障。（2）开发的国产大排量、高扬程潜油电泵在伊拉克用于水源井采水并取得成功，在高温、含砂等苛刻环境下运行稳定，产量测试达到了设计要求，探索出低成本解决原油探明储量高、地面水资源匮乏的油田注水所需水源的难题，对于解决油田注水所需水源问题具有借鉴意义。（3）电泵服务商应加强电泵井的精细化管理，重视应用数据的分析工作。优化选井选泵，加强远程监控、自动调参等智能化设计，延长电泵的使用寿命，减少停机故障，是扩大电泵在西亚地区应用的努力方向。参考文献1郑俊德，张仲宏.国外电泵采油技术新进展 J.钻采工艺，2007，30（1）：68-71.2檀朝东，黄新春，王松，等.机理仿真与数据驱动融合德电泵举升故障诊断预警理论研究进展 J.石油钻采工艺，2021，43（4）：483-488.3吕涛，郑中亮，郑博，等.海上某油田电潜泵德惊喜化管理思路及其措施 J.天津科技，2020，47（12）：48-51.4Sherif Fakher，Abdelaziz Khlaifat.Rigorous review of electrical sub-mersible pump failuremechanisms and their mitigation measures J.Journal of Petroleum Exploration and Production Technology，2021（11）：3799-3814.5周怀光，沈建新，孙玉国，等.深井小排量潜油电泵在塔里木油田的研究与应用 J.承德石油高等专科学校学报，2015，17（4）：5-8.6梅思杰，邵永实，刘军，等.潜油电泵技术（上）M.北京：石油工业出版社，2001.7邵永实，师世刚，刘军.潜油电泵技术服务手册 M.北京：石油工业出版社，2004.8李令喜，付军，刘滔.387 系列高扬程电潜泵开发 J.石油工业技术监督，2014，30（9）：1-3.9刘玉国.稠油潜油电泵工作寿命影响因素分析及治理 J.石油钻采工艺，2014，36（4）：75-78.编辑吴建卿0引言随着武器系统自动化、信息化水平的提升，主控计算机在武器系统的平战时操作使用及维修保障中都起到极为重要的作用。某型火箭布雷车是我军工程兵进行机动化布设各类雷场的新型装备，主要技术特点之一就是具有机电一体化操控、可集成化指挥编组协同作业等。这些功能的实现都与其主控计算机有着密不可分的关系，在提升工程兵部队战斗力的同时，也给部队开展训练带来了新的挑战。为提升工程兵部队装备训练效果，解决教学训练内容和方法手段单一问题，从军事效益和经济效益两个方面考虑，在研制该装备模拟器时，主控计算机作为模拟器核心部件，其开发设计与实现至关重要。1模拟主控计算机的总体设计该型火箭布雷车模拟器采用半实物模拟，最大限度地模拟操作使用环境，提升训练沉浸感。装备中主控计算机主要控制火箭布雷车的装填、操瞄、发射等动作，在教学训练中，主控计算机操作界面将与炮手直接进行频繁人机交互。因此，在模拟器主控计算机开发采用与实装的外观和功能上较为一致的仿真设计，并配置在装备内相同位置。1.1模拟器总体架构布设根据系统设计要求，模拟器采用 CAN 总线与外部设备进行数据交互，既可以有效满足模拟教学训练需要，又可以降低开发研制成本。利用转换模块和网络交换机实现 CAN 总线与 USB接口的数据交换，实现模拟器实物数据输入检测与模拟器虚拟设计数据显示。在训练过程中，模拟主控计算机将采集到的指令数据和环境信息通过 CAN 总线传输给三维视景计算机，从而驱动三维视景中虚拟布雷车完成装填、操瞄和发射动作（图 1）。1.2模拟主控计算机的设计功能需求模拟主控计算机技术性能要求高于工控机指标参数，设置开关、指示灯、按键等。其中，开关设计使用与实装相同的接口替代车外发射装置通信接口，与车外发射装置进行连接，实现装定发火仪、发射允许、电子引信等开关输入检测功能；按键设计可由炮手直接输入检测功能；内置信号转接板，采用串口通信模式摘要：某型火箭布雷车自动化信息化程度高，装备构造复杂，操作使用、维护保养、维修保障难度较大，为解决实装教学训练存在的一系列问题，研制该武器系统模拟器。根据模拟器总体设计方案，基于 STM32F4 单片机设计硬件电路和软件程序，实现了模拟器对主控计算机的各项指标要求，满足了武器系统模拟器对教学训练的需求。关键词：模拟器；主控计算机；硬件设计；软件设计中图分类号：TP337文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.05D.16某型火箭布雷车模拟器主控计算机设计与实现万业军1，李焕良2，祝天宇1，申金星2（1.陆军工程大学军械士官学校，湖北武汉430075；2.陆军工程大学，江苏南京210007）35