电潜泵采油技术.doc

电潜泵采油工艺
目录
第一节 电潜泵工作原理及系统组成 1
第二节 电潜泵管柱及测试 21
第三节 电潜泵井工况分析及故障解决 25
第四节 电潜泵采油的发展趋势 38

电潜泵采油是为适应经济有效地开采地下石油而逐渐发展起来日趋成熟的一种人工采油方式。它具有排量扬程范围大、功率大、生产压差大、适应性强、地面工艺流程简朴、机组工作寿命长、管理方便、经济效益显著的特点。自1928年第一台电潜泵投人使用以来，通过20世纪70年的发展，电潜泵采油在井下机组设计、制造及油井选择、机组选型成套、工况监测诊断及保护、分层开采和测试等配套工艺方面日臻完善，在制造适应高温、高粘度。高含砂、高含气、含H2S和CO2等恶劣环境的电潜泵机组方面也取得了很大进展。不仅用于油井采油，还用于气井排液采气和水井采水注水。
本章着重介绍电潜泵的工作原理、系统组成、地面控制及管柱结构、油井选井、机组配套、工况监测、工况分析、故障诊断、油井分层开采和测试等配套工艺技术。

第一节 电潜泵工作原理及系统组成
一、电潜泵工作原理
电潜泵是由多级叶导轮串接起来的一种电动离心泵，除了其直径小长度长外，工作原理与普通离心泵没有多大差别，原理图如图3一1所示。其工作原理是：当潜油电机带动泵轴上的叶导轮高速旋转时，处在叶轮内的液体在离心力的作用下，从叶轮中心沿叶片间的流道甩向叶轮的四周，由于液体受到叶片的作用，其压力和速度同时增长，在导轮的进一步作用下速度能又转变成压能，同时流向下一级叶轮人口。如此逐次地通过多级叶导轮的作用，流体压能逐次增高而在获得足以克服泵出口以后管路阻力的能量时而流至地面，达成石油开采的目的。
图3-1 电潜泵工作原理图

表述电潜泵性能的重要参数有：额定排量Q、额定扬程（压头）H。额定轴功率P、额定效率、额定转速n等参数。电潜泵的额定排量和效率取决于泵型，额定扬程决定于泵型和级数，额定轴功率由额定排量和扬程拟定，额定转速取决于电机结构。
二、电潜泵系统组成及作用
电潜泵采油系统由井下和地面两部分组成，如图3一2所示。
1．井下系统组成及作用
电潜泵井下系统重要由电机。潜油泵、保护器、分离器、测压装置（PSI／PHD）、动力电缆、单流阀、测压阀／泄油阀、扶正器等组成。
（1）电机
电潜泵电机又叫潜油电机，它是电潜泵机组的原动机，一般位于最下端。它是三相鼠笼异步电机，其工作原理与普通三相异步电机同样，把电能转变成机械能。
但是，它与普通电机相比，具有以下特点：机身细长，一般直径160mm以下，长度5～10m，有的更长，长径比达 28.3～125.2；转轴为空心，便于循环冷却电机；启动转矩大，0.3s即可达成额定转速；转动惯量小，滑行时间一般不超过3s；绝缘等级高，绝缘材料耐高温、高压和油气水的综合作用；电机内腔充满电机油以隔绝井液和便于散热；有专门的井液与电机油的隔离密封装置一一保护器。
潜油电机结构如图3—3所示，它由定子、转子、止推轴承和机油循环冷却系统等部分组成。
图 3-6 潜油电机转子总成示意图

图 3-4 定子截面示意图
图 3-3 潜油电机结构示意图
图 3-2 电潜泵采油系统组成示意图
1）定子
图 3-5 星点结构示意图

定子的功能是产生旋转磁场，将电能转变成磁能，重要涉及定子铁芯、黄铜夹段和定子绕组等。定子铁芯是由许多彼此绝缘的圆形硅钢片重叠而成的，铁芯内圆周上有用来嵌入绕组导线的玉米形切槽，外圆周电机油循环的油槽。定子铁芯横截面目前有两种形式，一种是开式结构，一种是闭式结构，如图3—4所示。
黄铜夹段是为了防止转子扶正轴承被磁化而加人的一段磁阻较大的黄铜。
定子绕组是较粗的外面包裹有耐油、气、水，耐高温高压和高绝缘强度材料的均匀铜导线，输送励磁电流。绕组制作有两种方式，一种是工程塑料挤制，一种是薄膜绕包烧结。定子绕组都是星形联接，星点结构一般如图3一5示。
2）转子
图 3-7 潜油电机止推轴承
转子是产生感应电流而受力转动并将电磁能转变成机械能的部分，由转子铁芯、转子绕组、短路环、轴和键组成，如图3—6所示。同定子同样，转子也由许多段组成，每段通过键与轴相连，各段转子间有扶正轴承，扶正轴承与黄铜夹段相相应，转子的上下端用螺帽或卡簧固定。
3）止推轴承
由于潜油电机是立式悬挂结构，其轴向载荷由止推轴承承担。止推轴承除承担轴向载荷，还承担因偏转运动而产生的径向载荷。潜油电机的止推轴承有两种，一种是滚动轴承，一种是滑动轴承，见图3一7。
4）循环冷却系统

表 3-1 胜利油田无杆泵公司生产潜油电机性能参数
潜油电机冷却系统由润滑叶轮、滤网、定子油道、油孔和空心电机轴及电机油等组成，参看图3一

3，带走电机定子和转子在交流和涡流作用下产生的热量，达成冷却电机和保护绝缘材料的作用，延长电机寿命。
图 3-8 电潜泵结构示意图

图 3-9 径向扶正和轴向卸载机构

潜油电机油的性能必须达成如下规定：闪点不低于150℃；凝固点不高于-40℃；介电损失剪切角为0.001～0.002（20℃）；介电强度不低于20kV／mA（20℃）；体积电阻力1014～1016/cm3（20℃）；粘度为8.7 ×10-4Pa·s左右；密度为0.87g/cm3左右；酸值为0.021mg/gKOH当量；长期工作在80～120℃、8～12MPa及2800～2900r／min条件下性能稳定。
表3－l是国内外常用的潜油电机性能参数。
（2）潜油泵
潜油泵为多级离心泵，涉及固定和转动两大部分。固定部分由导轮、泵壳和轴承外套组成；转动部分涉及叶轮、轴、键、摩擦垫、轴承和卡簧。电潜泵分节，节中分级，每级就是一个离心泵，结构组成如图3一8示。潜油泵按叶轮是否固定分为浮动式、半浮动式和固定式三种。

图 3-10 平式叶轮液压平衡机构

与普通离心泵相比，电潜泵具有以下特点：直径小，排量范围大，外径一般为85.5～102mm，排量范围可达30～8000m3／d；级数多，长度长，扬程范围宽，级数可达400级，长度可达20m，扬程一般在150～4500m；泵吸口有气体分离或压缩装置，防止气蚀和提高泵效；有径向扶正，轴向卸载和液压平衡机构。
图 3-11 混流型叶轮的平衡机构

电潜泵在工作时，由于进出口之间存在很大的压力差，产生很大的轴向力。为减小或消除轴向力，在叶轮上下部装有止推垫，通过导轮将轴向力传递给泵壳。径向扶正和轴向卸载机构如图3—9所示。
液压平衡机构有两种，一种是平式叶轮液压平衡机构，如图3—10示，一种是混流型叶轮的平衡机构，如图3一11所示。平式叶轮的平衡原理是，经增压后的流体大部分流向导轮，一部分进人A、B区，因A、B区连通，压力相等，达成平衡目的，只要面积相等，则轴向力抵消。混流型叶轮的平衡原理是，在叶轮的中心部位打孔，使得B区内的压力接近泵吸人口压力，从而消除部分轴向力。
图 3-13 浮动叶轮工作时受力示意图
l）叶轮
图 3-12 叶轮结构示意图

图 3-13 浮动叶轮工作时受力示意图

图 3-14 导轮结构示意图

图 3-15 泵轴示意图

叶轮是电潜泵的核心部分，它是将机械能转变成生产流体压能的关键部件，液体通过叶轮时，液体的压能和动能都得到增长，叶轮结构如图3—12所示，采用铸造后机加工工艺生产。
分为浮动叶轮、顶部浮动、叶轮压紧叶轮、轴承叶轮等四种。前三种叶轮在泵中的安装顺序是：从上到下依次为压紧叶轮、顶部浮动、浮动叶轮。
浮动叶轮在装配后允许有一定的轴向窜动量，叶轮之间互不影响。有这样几点好处：装配时不存在轴向的长度累积误差问题；在一定排量范围内，叶轮处在浮动状态，叶轮消耗的摩擦功率小，泵效比较高，接触部分的磨损小。它不能承受轴向载荷，也不能传递自身的轴向力，其轴向载荷是通过止推垫片传递给泵壳的。Centrilift、ODI、天津斯波泰克公司生产的电潜泵的叶轮全是浮动式的，REDA公司的机组有60％叶轮为浮动式。
对于浮动叶轮，泵工作排量必须处在合理排量范围内工作叶轮才处在悬浮状态，否则，叶轮要么靠上贴紧导轮，要么靠下贴紧导轮，都增长摩擦和磨损，如图3—13示。
轴承叶轮也叫短把叶轮，其轮我比普通的短13mm，装配时用塑料轴承代替被切去部分，运转时处在浮动状态，有助于减轻电潜泵的振动。一般是每6～10级装一个轴承叶轮和塑料轴承。
顶部浮动叶轮在每一节泵中都有一个，其安装在半环键的下面，轮我尾部短6mm，相称于半环键的长度。
压紧叶轮在泵轴上由两端的半环键固定起轴向定位作用，由压紧螺母将多级叶轮压紧，达成首尾相连的目的，叶轮与泵轴间无窜动，可以承受较大的轴向力。
2）导轮
导轮是泵的固定部分，其与叶轮吸人口配合形成吸人室将液体引人下一级叶轮的进口处。它一方面将动能转变成压能和减少速度减小摩阻损失；一方面改变流向，将流体导人下一级叶轮人口，导轮结构见图3—14。
3）轴
泵轴将来自电机的扭矩传递给泵内的每一级叶轮，并通过花键连接传递给上一节泵。其特点是传递功率大，细长，两端为花键，轴向上有一通长的键槽，见图3—15。其材料强度高，韧性和塑性好，耐腐蚀。美国使用的材料一般为蒙乃尔（MONEL）K—500合金材料，抗拉强度达960MPa，屈服强度为686MPa，硬度为 HRC36，冲击韧性为100J／crn2，延伸率达28％。国内尚未找到与K—500性能指标相近的材料，国内代用材料在强度上与K—500相近，但塑性和韧性没有达成。直线度规定为万分之一，即0.1／1000，直径公差控制在0.05mm以内。一般采用冷拔工艺制成。
4）平键
电潜泵的平键为细长形键，尺寸为 1.6mrn ×l.6mm × 800mrn，安装在泵轴与叶轮之间。其侧面为工作面，不能承受轴向力，保证叶轮可U轴窜动。美国材质一般为K—500，国内材料为1Cr18Ni9Ti，一般采用冷拔工艺制造。
5）泵壳
泵壳是泵的外壳，它是多级叶导轮的支架。规定直线度为0.1／1000，材料的抗拉强度较高，弹性和刚性好。一般采用25Mn材料，美国采用钢板卷焊成型，国内采用无缝管热扎或冷拔制造。
表3一2和表3－3是国外各生产厂家潜油泵基本数据。
表3－2 沈阳电机厂生产的潜油泵基本数据
排量，m3／d
50
100
150
180
200
泵效，％
44.9
59.5
59l
58.5
60
单级扬程，m
4.83
5.95
4.7
4.8
4.8
表 3-3 美国ODI公司生产的潜油泵基本数据

额定转速，r／Inin
2850
2850
2850
2850
2850
（3）保护器
保护器又叫潜油电机保护器，是电潜泵所特有的。其位于电机与气体分离器之间，上端与分离器相连，下端与电机相连，起保护电机作用。其基本作用有以下四个方面：密封电机轴动力输出端，防止井液进人电机；保护器充油部分允许与井液相通起平衡作用，平衡电机内外腔压力，容纳电机升温时膨胀的电机油和补充电机冷却时电机油的收缩和损耗的电机油；通过其内的止推轴承承担泵轴、分离器轴和保护器轴的重量及泵所承受的任何不平衡轴向力；起连接作用，连接电机轴与泵/分离器轴，连接电机壳体与泵/为离器壳体。
保护器的种类很多，从原理上可以分为连通式保护器、沉淀式保护器和胶囊式保护器等三种。对于一般井，只用一种保护器；对于特殊井，有用两级或多级串接的组合式保护器，一般组合方式是沉淀式保护器十胶囊式保护器。
图3—16是连通式保护器的结构示意图，是根据虹吸原理制成。重要由机械密封。止推轴承、止推轴承座、壳体、接头总成和注油阀组成。保护器的护轴管、呼吸孔、隔离套、上壳体、连通孔组成“U”形管，使电机内腔压力与井液压力相差很小，基本处在平衡状态。其关键部件是三道机械密封。
图 3-16 连通式保护器机构示意图

图 3-17 沉淀式保护器结果示意图

图3—17为沉淀式保护器示意图，重要由机械密封、沉淀室、沉淀管、轴及止推轴承组成中间为止推轴承，上下两端为沉淀室。其重要是根据井液与电机油（相对密度为1.8～2.2的矿物油）的重力差将两者分开。
图 3-18 胶囊式保护器机构示意图

胶囊式保护器是比较先进的一种保护器，结构见图3一18，分单胶囊和双胶囊两种。重要由胶囊、单流阀、机械密封和沉淀腔组成。上部胶囊外部与井液相通，内部与电机油相连通，达成隔离井液与电机油的目的。
（4）气体分离器
气体分离器，又叫油气分离器，简称分离器，位于潜油泵的下端，是泵的入口。其作用是将油井生产流体中的自由气分离出来，以减少气体对泵的排量、扬程和效率等特性参数的影响，和避免气蚀发生。
按不同的工作原理，可将其分为沉降式（重力式）和旋转式（离心式）两种。但基本原理是相同的，都是运用气液的重度差制成的，通过增长气泡的轴向速度，减少径向向心速度来分离的，但是前者是自然分离，后者强制分离。在泵挂处流压高、自由气液比低的井，用一级分离器即可；对于压力低、自由气液比高于30％的井，用二级分离器串联即可进行充足的气液分离。
图3—19是REDA公司的沉降式分离器组成结构图，图3—20是其原理图。该种分离器重要用于低流速、低气液比和稀油油井中。在气液比小于10%的油井，分离效率可达37%；当气液比大于10%的时，分离效果大大减少。
图3—21是旋转式分离器的结构组成图，重要由上接头、分流壳、分离腔、轴、导向轮、导轮、叶轮、诱导叶轮、下接头组成。用于气液比高于10%的井。
图3—22～图3—25是常见的几种旋转式分离器。
图 3-21 旋转式分离器结构图

图 3-19 REDA 沉降式分离器结构图

图 3-20 沉降式分离器原理图

（5）测压装置
电潜泵井测压系统有两大类，一类是电子式的，一类是机械式的。重要用于监测油井的供液和电机工作温度情况。电子式的有PHD和PSI两种，可以进行连续监测；机械式的也有两种，一种是测压阀，一种是毛细管，前者通过钢丝作业实行但不能连续监测，后者通过毛细钢管传递压力，可以连续工作和监测。
图 3-22 天津斯波泰克旋转式分离器
图 3-23 REDA公司旋转式分离器
图 3-24 ODI公司旋转式分离器
图 3-25 KOBE公司旋转式分离器

l）PHD测试系统
PHD测试系统是美国CENTRILIFT公司一方面研制生产的，可以测试泵挂处的温度和压力。分井下和地面两大部分，井下部分称作一次仪表，地面部分叫做二次仪表。图3一26是二次仪表的面板图，二次仪表一般放在变压器或控制柜、配电盘内，与主电力线相接。井下部分由电感线圈、滤波电感电容、变压器、温度继电器等构成，它安装在电机尾部。图3一27和图3一28是井下部分的外接线和接线方式示意图。
图3-26
图3-27

井下部分的工作原理（如图3一29）为：电源、仪表线圈和压力感应等元件、动力电缆和电机构成一个阻值为R的直流回路，由M次仪表内整流器将20V交流变成6.4V直流电源供应整个回路，直流电流遵循欧姆定律，即I＝U／R。当U不变时，I随R变化。PHD的压力感应元件为波登管，波登管与滑动变阻器相连，其阻值R随压力而线性变化，如图3—30，由此可以通过电流变化而监测井下压力变化。
2) PSI的测压系统
图3-28
PSI的工作原理如图3—31所示，图3—32所示为其井下部分的结构图。与PHD相比，它不仅可以测试压力，还可以测试温度，停机后还可以测试井下机组系统的绝缘性能。图3—33是PSI的压力测试原理图，图3—34为温度测试原理图，温度感应元件为高性能的温敏电阻，电阻与温度的线性关系很好，见图4—1－35。PSI的压力测量范围是0～35.2MPa，精度为±（0.5％～1.5％），温度范围－17.7～232.2℃（0～450℉），精度＜1.6℃（3℉）。
该地面仪表有三个测试档位，处在压力档时测试压力，处在温度档时测试井下温度，位于绝缘档时可以停机后测试机组绝缘。
图3-29
地面使用条件是：使用场合环境温度为一40～50℃，空气湿度小于85％（20℃时），防雨防沙，无爆炸气体，无腐蚀、无导电尘埃和剧烈振动和颠簸。
3）毛细管测压系统
图3-30

毛细管测压系统是美国普鲁特(PRUETT)公司一方面研制并应用于实际生产测试的。其组成涉及地面和地下两大部分。地面部分有压力变送器和数据采集系统如图3—36所示，地下部分有传压筒。测试毛细管和延长杆（抽油杆）等，图3一37所示，毛细管内充满工业氮气或氦气。其原理是基于“U”管原理，筒毛细管内的气体将井底压力传至地面。假如忽略气柱产生的压力，则地面压力可以视为传压筒所处位置的压力，可以用于平常生产管理。假如进行压力恢复测试，用于试并解释，则需要进行气柱压力修正，可以用下式计算

式中 PB——传压筒处压力，MPa；
Ph——地面压力变送器读取压力，MPa
——氮气相对密度；
h——传压筒垂直深度，m；
T——井口到传压筒处的平均温度，K；
Z——传压气体（氮气）平均压缩因子，无因次。
该系统可以用于长期生产测试、压力恢复测试、压降测试、变产测试、干扰试井等油水井测试。具有井下无电器元件、寿命长、可反复使用、测试方便、无需作业、节省操作费。测试精度高等优特点。

图3-34
图3-33
图3-32

图3-31

图3-37

图3-35
图3-36

4) 测压阀测试装置
测压阀测试装置自身不能进行测压，必须通过下人压力计才干完毕测压工作。测压阀由工作筒和堵塞器组成，工作筒与油管相连并与油套环空相通，堵塞器坐落在工作筒内，生产流体通过工作筒和堵塞器的环空生产。当堵塞器处在正常位置时，堵塞器密封工作简，油套不连通；当压力计坐落在堵塞器上并振击时，油套连通，通过传压杆将压力传至压力计，生产流体通过工作筒和堵塞器进人油管内。目前有三种测压阀，图3—38是I型测压阀的工作筒，图3—39是其堵塞器，图3—40和图3—41是Ⅱ型测压阀的工作筒和堵塞器。
测压阀一般位于单流阀的以上l—2根油管处，可以测泵出口和人口的压力，同时可以替代泄油阀。一般用于稀油油井和高含水油井。
5）“Y”型管柱测试装置
“Y”型管柱是电潜泵采油和测试的一种特殊管柱，在“Y”型接头及测压工作筒（图3—42）的一侧悬挂电潜泵机组，一侧悬挂可以通至油层的测试管柱。测试侧有一个工作筒，筒内可以安地堵塞器。堵塞器器两种．一种县生产诸塞器（图3—43）．一种是测试堵塞器（图3—44）。生产堵塞器是一种盲堵塞器，正常生产时防止生产流体回流至泵以下；测试堵塞器上有一个通孔，用于生产测试通过钢丝，既保证油管与堵塞器的密封，又密封堵塞器和钢丝。其测试原理是，在捞出生产堵塞器后，将组合好的测试工具串和测试堵塞器（前者在下）一起下人井内，测试堵塞器在工作筒处被挡住，测试工具串继续下行到达预定的测试位置进行测试。该种方式可以测试任何位置压力，可以进行分层压力测试和笼统测试，也可以测试出液剖面。
图 3-41 测压
阀堵塞器
图 3-40 II型测压阀工作筒
图 3-38 I型测压阀工作筒结构图
图 3-39 I型测压阀堵塞器

图 3-44 测试堵塞器
图 3-43 生产堵塞器
图 3-42“Y”型接头及测压工作筒

6）动力电缆
动力电缆是电机与地面控制系统相联系传送电力纽带和PSI/PHD信号的通道，是一种耐油、耐盐水、耐其它化学物质腐蚀的油井专用电缆，工作于油套管之间。分为小扁电缆（又叫电机引线，俗称小扁）、大扁电缆（俗称大扁）和圆电缆，图3—45是其结构示意图。按温度等级可以分为90℃、120℃、150℃等3个等级，部分厂家还可生产更高等级的潜油电缆。
图 3-45电缆结构示意图
电缆一般由导体、绝缘层、护套层和钢带铠装组成。导体芯线一般是三芯实芯或三芯七股绞线，作用是传递电能。
绝缘层为芯线外挤包的塑料或橡胶，具有很高的介电性能和可靠的密封性，其作用是保持电缆的电气性能长期稳定。绝缘材料一般有乙丙橡胶和聚丙橡烯等。
护套层是在三根芯线成缆后的绝缘层外挤包的橡胶或铅护套，以防止绝缘受潮、机械损伤和原油、盐水、H2S、CO2等化学物质的浸胀、腐蚀，有一定的机械强度和良好的气密性。低于90℃的井，护套层材料一般为了睛橡胶，高于120℃和高含气井一般采用铅护套。
钢带销装处在电缆的最外面，为瓦楞结构，对护套层起束缚作用和防止下井过程的机械损伤。一般井采用镀锌钢带，腐蚀性大的井采用Monel合金材料。
衡量潜油电缆的性能指标有5个，即绝缘电阻、直流电阻、电容、电感和直流耐压，部分厂家也有交流耐压。绝缘电阻用于衡量绝缘性能，越高越好，一般大于1000M／km，采用摇表测量。直流电阻是衡量电缆压降损失的指标和电缆尺寸选择依据，可以用万用表直接测量，也可以计算，只有几个欧姆，一般4以下。直流耐压是通过室内水池实验进行测定和出厂检查的。电容和电感随材料、结构和长度变化，测试仪表精度较高，一般不作出厂检查。
表 3—4美国CETRILIFT电缆参数
小扁是专为方便电机更易在下井过程中通过设计的，尺寸较小，一般电潜泵生产厂家随机组配套。常用电缆参数如表3—4
7)电缆头
电缆头是电机和电缆连接的特殊部件，其质量好坏直接关系到电机的运营寿命，规定较高的电气和机械性能。目前，各个电潜泵生产厂家都有自己独特的产品，种类较多。从性能和结构分为两种：缠绕式（图3—46）和插入式（图3—47）
图 3-46 缠绕式电缆头结构图
图 3-47 插入式电缆头结构图
8）单流阀
图 3-48 一种常用单流阀结构示意图

图 3-49 泄油阀结构示意图

图3—48是常用的一种单流阀，其作用重要是：保护足够高的回压，使得泵在启动后能不久在额定点工作；防止停泵以上流体回落引起机组反转脱扣；便于生产管柱验封。一般安装在泵出口1~2跟油管处，采用标准油管扣于上下油管连接。
9）泄油阀
泄油阀一般安装在单流阀以上1~2跟油管处，它是检泵作业上提管柱时油管内流体的排放口，以减轻修井机符合和防止井液污染平台甲板和环境。泄油阀目前有两种：投棒泄流、投球液力泄流。前者用于稀油和高含水稠油井比较合适，用于稠油井泄油成功率低；后者可以反复使稠油井泄油更好，成功率高。图3—49是常用的一种泄油阀。
图 3-50 电缆护罩结构示意图

10）扶正器
扶正器重要用于斜井，位于电机尾部，使电机居中，使得电机外部过流均匀，散热环境好，防止电机局部高温而损坏。“Y”型管柱井不采用。
11）电缆护罩
电缆护罩与电缆一起通过绑带固定在油管外表面，防止电缆在下井过程中受到机械损伤。分大扁护罩和小扁护罩两种。小扁护罩结构一般是槽钢结构，尺寸较小。大扁护罩有笼形结构和筒形结构两种，见图3—50。
2．地面系统组成及作用
如图3一2所示，电潜泵采油系统的地面部分由配电盘、变压器、控制柜或变频器。接线盒和采油树井口组成，部分特殊油田还配有变频器集中切换控制柜。
(1) 变压器
电潜泵专用变压器的工作原理与普通变压器基本相同，本手册不作介绍。电潜泵变压器的作用是为电潜泵提供高达几百乃至几千伏的工作电压。
目前，按其冷却方式可以分为油浸式和空冷式（干式）两种，按使用环境可分为船用和陆用（本书只介绍船用），按用途可以分为降压变压器和升压变压器。目前，有的厂家将变压器的铁芯分开，有的作为一体，因此又可以分为单相变压器和三相变压器。
船用油浸式变压器的重要结构部件铁芯、线圈、套管、分接开关、油池、外壳和散热片组成；于式变压器则重要由铁芯、线圈、分接开关、外壳构成。油浸式变压器体积相对较小，干式变压器体积较大但具有散热性能好、噪音小、防爆性能好、寿命长，比较合用于海上油田开发。目前海上油田使用的是三相干式或油浸式船用变压器。
变压器的额定参数有以下几个：
额定容量SN，是变压器的视在功率，单位用VA、kVA或MVA表达。
原边额定电压U1N，表达变压器的额定输人电压，指线电压，单位用V或kV表达。目前海上用变压器的输人电压一般为3300V、460V或380V。
副边额定电压U2N，表达变压器的额定输出电压，指线电压，单位用V或kV表达。海上油田规定输出电压范围较宽，可以达成500～2500V。
原边额定电流I1N，表达变压器的额定输人电流，指线电流，单位用A表达。
副边额定电流I2N，表达变压器的额定输出电流，指线电流，单位用A表达。
额定频率，国内使用的变压器为50HZ。
尚有其它参数，诸如：分接开关档数、电压级差、额定效率、允许温升、变压器相数。接线图、阻抗、避雷方式、使用环境规定。
变压器出厂或使用前应作以下检测：电压比实验（采用双电压表法或交流电桥法）、绕组电阻实验（采用单臂或双臂电桥测量）、绝缘性能实验、变压器油实验、空载实验、短路实验等。
目前，有两种变压器系统，一种是一台变压器对一台电潜泵供电的单一变压器，一种是一台变压器对多台电潜泵供电的公用变压器。
表 3—5 天津第二变压器厂生产的潜油泵变压器基本参数
型 号
容量
kVA
相数
高压
V
低压
V
连接方式
阻抗

质量
kg
外形尺寸
rnm×rnm×mm
SQ—100／1．l—CY
100
3
1035，1100，
1145
380
Y，dll
4.5
1020
930 ×600 × 1400
SQ—125／11—CY
125
3
1365，1405，
1445，1485，
1525，1565，
1605
380
Y，dll
5
1300
10I5×1090×1700
（2）控制柜
潜油泵控制柜是一种专门用于电潜泵启停、运营参数监测和电机保护的控制设备，分手动和自动两种方式。具有短路保护、三相过载保护、单相保护、欠载停机保护延时再启动。自动检测和记录运营电流、电压等参数的功能和环节。目前，某些电泵控制设备生产厂家针对海上油田稠油井开发出了具有数据储存、数据远传、设备遥控、绝缘和电阻自动检测、反限时保护、三相电流电压不平衡保护等功能的电潜泵控制柜。
目前比较流行使用的电潜泵控制柜外观和组成如图3一50示，其电气控制部分有三大部分，即主回路、控制回路和测量显示三部分。主回路涉及自动空气开关、真空接触器、电流互感器、控制变压器，控制回路有中心控制器（常称PCC）、选择开关、启动按钮、控制开关、桥式整流电路，测量显示部分重要有自动电流记录仪（又称圆度仪）、电压表、信号灯和井下压力温度显示仪。
使用环境要达成以下条件：海拔不超过1000m，环境温度在－20～40℃，相对湿度不超过80％，无易燃气体，在爆炸环境中无腐蚀和破坏绝缘的气体及导电尘埃，无剧烈振动和强力颠簸，安装垂直倾斜度不超过5°。
其工作原理是：当主回路自动空气开关合上后，接上控制开关，控制回路经控制变压器获得一个110V的控制电压，把选择开关转到手动位置，在检查、调整和确认PCC的设定参数后，按下启动按钮，中间继电器吸合，常开触点闭合，真空接触器吸合，主回路接通，地面高压电源经接线盒和动力电缆送给井下电机，电机就开始运营，其面板上的运营指示灯亮。PCC随时监测电机的运营电压电流，当运营电流超过PCC的过载设定值（一般为电机额定电流的1.2～1.5倍）时，PCC发出信号中断中间继电器线圈电源而使常开触点断开，真空接触器线圈失电，触点断开，主回路失电，电机停止运营，运营灯熄灭，过载指示灯亮。当运营电流低于PCC的欠载设定值（一般为电机额定电流或运营的0.7～0.8倍时），PCC发出停机信号(其过程与过载相同)，电机停止运营，运营灯熄灭，欠载指示灯亮。
图 3-50 控制柜外观示意图

目前，随着电机保护规定的提高和保护数学模型的发展，提出了更多的电机保护工况，如：单相保护、过电压保护、过电流保护、电压不平衡保护、电流不平衡保护、低流压保护、过温保护等等，其停机保护原理和过程与过欠载相似。
控制柜的额定参数有：额定电压、额定电流和容量等。
（3）变频器
图 3-52 恒压源变频器地面设施配置示意图

图 3-51 两类变频器的电流波形图

变频器是电潜泵采油系统的一种新型控制设备，具有以下几大特点：①输出频率可在30～90Hz范围内连续变化，使得电机的转速1700～5130r／min内变化，泵排量变化范围是额定排量的0.6～1.8倍，扬程范围为0.36～3.24倍；②可以在8～10Hz频率下启动电机，达成恒转矩软启动的目的，启动电流只有额定电流的1～1.5倍，大大减少了电机启动时的电流和机械冲击，利于延长电机寿命；③可以通过编程控制实现工作频率随油井供液和负载情况变化，如供液局限性时频率减少，泵淹没度大人民吸口压力高时增大频率以增大排量和扬程，保证不断机改变泵工作参数而减少启动次数和以最小的能量举升液体，延长寿命和发挥最佳效益；④可以改变井下电机的电感负荷，提高电机的功率因素，可以平稳保护电机转人欠压和超压状态下工作。
目前，用于电潜泵采油系统的变频器有两种，一种是恒压源的，一种是恒流源（常称PWM）的。恒流源变频器输出的电流特性比恒压源好，如图3—51所示，恒流源的电流是由脉宽调制的，波形非常光滑，几乎跟正弦波一模同样。而恒压源的输出电流由脉冲调制的，波形由大大小小的矩形波组成，高次谐波成分非常多，极不光滑，对电机和电缆的绝缘性能和线
路损失很大。
图 3-53 恒流源变频器地面设施配置示意图
同时恒流源变频器具有占地省的特点。恒压源变频器地面设备配套是高低高或低高系统，如图3—52所示；恒流源则内部可以调制输出高压，不需要升压变压器，见图3—53恒压源变频器的工作原理图如图3—53所示，具体是：低压电源480／380V分两路进人控制柜，一路经开关CBl及保险送人控制器，一路经开关CB2进入配电盘通过变压器变成 110V的控制电源供控制系统使用。启动控制柜后，PFC继电器吸合，冷却风机和潜油电机开始运营，PR继电器吸合，运营指示灯亮，控制系统处在工作状态。送人控制器的交流电又分三路，一路经变压器变成230V后再经变压器Tl变成48V交流电，再经桥式整流滤波后送给控制器计算机及各继电器和控制电路作工作电源；第二路经变压器T2变压后再经桥式整流器作为与充电电路的工作电源；第三路送人主回路，经六个晶闸管组成的三相桥式可控整流电路变交流为直流，即正变电路，经整流后的直流再经C2A、C2B电容滤波后送给逆变电路，根据计算机指令将直流变成预定频率的交流。
变频器一般涉及以下几个回路：雷击保护装置回路、线路克制板回路、正变电路、逆变电路、绝缘电路、用户接线板回路、计算机板回路、调节板回路、振荡板回路和逆变驱动板回路等几个部分。
（4）变频器集中切换控制柜
变频器集中切换控制柜是专门用于电潜泵井需要进行软启动而每口井都安装变频器时又受到平台空间限制的地方，对于海上稠油油田特别实用。通过它，一台变频器可以拖动多个电机。某个海上稠油油田在使用这套系统之前，由于油稠，电潜泵在启泵过程中多次出现过载停机，缩短电机使用寿命，甚至发生电机烧毁事故。在使用该系统进行电潜泵启动排出死稠油后，油井可以不通过任何其它解决就能顺利启动电潜泵，且未再出现过在启动过程中电机烧毁的事故。
该系统不仅可以用于软启动，还可以用于单井变频调产试井，以及该系统内任一口井的地面备用系统。
集中切换控制柜的工作原理如图3－54示，它运用了变频器的降频降压恒转矩特性，通过降频来减少启动电压和启动电流，防止电机发热而烧毁，又能保证最大启动转矩T。不变而顺利启动，快速达成额定转速。

式中 Tmax——最大转矩，N·m；
np——电机级数；
V——工作电压，V；
f一一工作频率，Hz；
r，l——电机结构参数。
图 3-54 电潜泵集中切换控制柜的工作原理图
系统中的降压变压器1（图3-54）将供电系统的高电压变成变频器2可以使用的380V或460V，假如供电系统可以提供变频器的工作电压，该变压器可以取消。升压变压器3则是将变频器的输出非工频电流升至系统上任意电潜泵的地面工作电压，规定该变压器为变频变压器，可以适应10～70Hz的工作范围。变频器将50Hz、460V电流转换成8～100Hz、460V的非工频电流，并对变频器和电机的保护参数进行设立和保护，记录运营电流，它还可以一个小插件更换相序。总闸5是集中控制柜上的总电源闸刀开关，真空接触器6和7分别位于工频控制柜和集中控制柜。
它通过计算机预操作、触点连锁、电磁锁灯光连锁等三级连锁保护来保证工频电源和变频电源不出现同时给同一台电机供电的冲突而发生的严重事故。
(5)接线盒
图 3-43 变频器集中切换控制柜的工作原理图
接线盒是电潜泵井下电缆与地面电缆之间的过渡连接装置，其作用是排放通过电缆保护套渗到地面的天然气，防止天然气沿电缆进人控制柜而发生爆炸。火灾等不安全事故；另一个作用是方便地面接线工作。它必须安放在通风良好、空气干燥的环境，必须具有防滴、防渗和气体排放等功能。图3－55是美国REDA公司的接线盒。
图 3-55 电潜泵井口接线盒

（6）电潜泵井口
电潜泵井口与自喷井采油树井口大体相同，区别仅在于其压帽和油管挂有所差别，其参数和使用方法详见《海上油气田完井手册入》。
三、地面配套流程
1．生产管汇
电潜泵生产系统与其它类型井同样，每口井产出流体都需要通过管线、控制阀门和管汇与其它井液汇集在一起，经解决系统加工后才干成为商品油。图3-56是必配的流程管件示意图，必须满足井口压力、温度录取、化验取样、紧急关井、油气水计量等需要。
2．洗井管汇及流程
对于电潜泵井来说，检泵作业是必然的，必须配备压井和洗井作业设备和流程，规定管线压力等级必须满足洗井压力等级的需要，视油井深度和油层压力而定。一般油田的洗井流程和管汇是固定的，为了节约投资，部分油田采用临时洗井管线。洗井流程管汇如图3－57所示。
图 3-56 电潜泵井生产管汇流程图

图 3-57 电潜泵井洗压井管汇流程图

图 3-58 定压放气阀的结构图

3．套管气定压排放
随着电潜泵采油工艺的发展，为减少游离气体对电潜泵效率的影响和避免气蚀气锁发生，人们往往在电潜泵人口处安装一个气体分离器，电潜泵工作时不断地向油套环形空间排人游离气体，随着生产的进行，环空中的气体越集越多，压力不断升高，迫使油气界面不断下降，当其降到泵吸口附近时，泵发生抽空现象，分离器失去作用，这就是为什么环空要保持一定淹没度（即液面高度）的因素。维持一定液面高度，可以通过人工放气来实现，但往往使得流程受到冲击，各容器的液位不稳，波动大，甚至引起流程关断。套管气定压排放阀可以实现电潜泵井环空气体的定压排放，图3－58是定压放气阀的结构图，安装流程见图3－59，放气阀安装在采油树套管闸门与生产管汇之间。
通过控制合理套压可以获得最佳产量（图3－60），既防止了套管气进泵，又减少了气体在液体中的流动阻力。

图 3-59 定压放气流程

图 3-60 某井实测的产量－套压曲线

第二节 电潜泵管柱及测试
一、电潜泵常规管往
1．有自溢能力井常规管柱
有自溢能力井常规管柱的管柱结构如图3－61所示。该管柱可以保证油井在特殊情况下不向外溢流，合用于有自溢能力的单采或多层合采的油井。
2．无自溢能力井电潜泵常规管柱
无自溢能力井电潜泵常规管柱结构是在有自溢能力井电潜泵常规管柱的基础上去掉过电缆封隔器和安全阀。该种管柱结构简朴，施工方便，合用于无自溢能力的单采或多