潜油电泵型式试验系统的研究

潜油电泵型式试验系统的研究

刘净

中国石油化工股份有限公司中原油田分公司 河南省濮阳 457001

摘要：潜油电泵目前已经作为主要采油设备，特别是在油田开发后期应用越来越广。近年，许多科研机构及潜油电泵生产企业都花费很大精力投入到潜油电泵的测试方法，提高使用性能。但对于其测试方法及性能研究成果较少，国内目前还没有一套公认的科学、合理、能够充分体现潜油电泵实际性能的测试系统，使理论分析和试验结果相统一，用来指导设计开发、生产制造。

关键词：潜油电泵；测试系统；试验

目前，潜油电动机在进行型式试验时，仅进行空载特性试验和负载特性试验，试验项目不全。其中负载特性试验也只能采用间接测定法，可测试范围窄、精度低、数据可靠性差。为了全面系统地检测潜油电动机的各项性能指标，有必要进行更多的试验项目，如温升、短时过电压和短时过载等。通过这些试验，可以全部或部分地测出被试潜油电动机的有关性能数据，以据此判断被检产品是否符合设计要求、品质的优劣以及改进的目标和方向。

一、潜油电机的结构组成

潜油电机驱动的无杆高扬程抽油机费材少、节约能源，能适应各种复杂的井况，尤其适合游梁式抽油机难以发挥作用的丛式斜井、水平井以及稠油层、低渗透油层、高渗透油层剩余油和固体相混合的油层，越来越受到各大油田的欢迎。潜油电机工作在油井下几千米深的地方，是潜油电泵的动力机，驱动潜油电泵抽取地下的原油。特殊的工作环境决定了潜油电机具有特殊的结构构成。

1、定子。潜油电机的定子铁心主要由硅钢片和铜片组成。铜片按一定要求放置于两节硅钢片段之间；细长的结构为下线方便，定子绕组采用单层同心式；机壳采用有弹性的钢质合金的圆管精加工后成为一个细长的钢筒，用以固定和支撑定子铁心和连接上、下接头。

2、转子 潜油电机转子分节，由许多小的转子节、扶正轴承和转轴组成。各小节采用鼠笼结构，铸铜；扶正轴承由铜套（内套）和钢套（外套）两部分构成，用以在定子内腔中支撑每节转子，使之不与定子内腔表面摩擦，保证定转子之间气隙均匀，提高电机的运行可靠性。转轴为空心，上按一定间隔开有通至转轴中心的空腔，用来润滑扶正轴承的内外套并作为润滑油的流道。

3、上、下接头。潜油电机的上接头又叫电机头，用来安装止推轴承，限制转子的轴向运动及引出电机定子绕组与电缆连接的引出线；下接头主要用来密封电机内腔及连接星点或测试引出线。

4、止推轴承。潜油电机是一种立式悬垂电机，为了承受整个转子的重量，使电机转子在固定位置上正常工作，在电机的上接头里装有一个滑动轴承，它除了承受转子的重量外，还可以承受由于转轴的偏置而产生的径向拉力，这个轴承就是止推轴承。它也是由两部分组成：静块和动块。固定在电机上接头里的部分是静块，与转轴固定在一起且共同旋转的是动块。止推轴承正常工作磨损较少，但如果设计不合理、组装不正确、定转子铁心没对齐，将会受到单边磁拉力，磨损往往很严重，甚至可能在极短时间内完全烧毁。

二、潜油电机的结构特点

潜油电机是潜油电泵专用的电动机，除了具有普通三相异步电动机的特点外，又有自己的结构特点。

1、细而长的结构。潜油电机要下到套管内径为 127—340mm 的油井内驱动潜油离心泵抽取原油，因而其外径受到限制。众所周知，当电机的外径确定后，其功率的大小将由长度来决定。因此为保证潜油电机具有一定的负载能力，使其有足够的输出功率只能靠增加电机的长度。普通异步电动机定子铁心长径比一般为 1 左右，而潜油电机的定子铁心长径比为 50 左右，甚至更高。

2、定、转子分节。潜油电机细长的结构特点，决定了必须加强转子的支撑，另外潜油电机多为 2 极，转速很高，为保证潜油电机转子运转的可靠性并考虑到制造细长整体转子的困难，以及电机气隙均匀、定转子不会摩擦，潜油电机转子采用多支点的径向支承，支承点就是扶正轴承。整个转子由多节相同的小转子串联组成，每节转子就是一个小电机，每两节之间放置扶正轴承。每节转子的长度取决于转轴的挠度。 根据转子节和扶正轴承的长度，每叠压一段硅钢片后，叠压一段铜片，作为扶正轴承支承处的无磁性区域。组装时，转子的转子节与定子的定子铁心硅钢片段是平齐的，整个潜油电机是由数个相同的小异步电动机串联而组成的。

三、潜油电泵测试系统

按照标准泵出厂进行水力性能试验，试验介质为清水，相对密度 1.0，常温；为配合潜油电泵可以模拟现场多种工况的运行情况，以及潜油电泵技术研究开发，测试系统配套小流量多项流液气混合系统（80 L/min），可实现油气水按不同要求进行混合，测试潜油电泵的运行数据。

1、试验台操作控制系统。试验室测控系统采用功能分层、分散控制的设计思想，利用高速通信网络将计算机、智能仪表和可编程控制器相互联接，实现数据和信息的共享，完成监视、操作、管理和控制等功能。（1）集中管理层。由 1 台或多台操作员站和 1 台工程师站组成，给操作和管理维护人员提供人机界面。能准确显示过程控制情况和程控系统运行状况，记录设备的启停时间和故障发生及消除时间；打印各种报表并能故障报警；在线修改控制参数和软件操作；通过网络与分散监控层连接，接收和发送数据信息；还可与管理网联网，向管理网发送相关信息。（2）分散监控层。由多个过程监控装置组成分散监控层，每个过程监控装置作为一个子系统，将整个过程控制分成几个局部过程控制或单元控制系统。各子系统功能相对独立，采集各自对象的输入信号和被控制信号，运算处理后输出控制信号，通过网络与集中管理层以及其他各子系统连接，接收和发送数据信息。（3）现场控制层。由多台就地控制操作装置组成，具有现场手动操作、手动和自动控制的电气联锁和切换功能，具有驱动电气设备，非电量信号转换等手动操作功能。集中管理层和分散监控层之间用高速通信网连接，分散监控层与现场控制层之间通过测量信号和控制信号电缆一一对应连接。

2、试验台管路系统设计。试验台管路上的高压门型活动管路、高压弯管以及测流管路按厂房基本要求布置，满足目前生产的所有机组试验能力的要求。管路上的电磁流量计、电子执行器、高压调节阀、压力变送器等部件均按照标准精度要求配置；准确校核操作台阀门控制仪表和电子执行器的动作匹配，达到对潜油电泵机组流量和扬程精确控制要求。电动截止阀。电动截止阀采用多回转阀门电动装置，使阀芯作上下直线运动，采用 380 V 或 220 V 控制电源。实现远程控制阀门的打开或关闭，具有重量轻、密封可靠的优点。阀杆升降螺纹采用左旋梯形螺纹，顺时针旋转手轮为关，反时针旋转为开，与习惯一致。采用锥形密封副结构，它靠金属阀芯与阀座锥面之间的自由贴合实现密封，阀芯和阀座表面都焊硬质合金，使之具有良好耐磨性和防腐能力。阀盖和阀体采用双头螺栓连接，密封件为不锈钢垫环，它使阀盖与阀体的装配间隙很小，减小甚至消除了腐蚀介质对螺栓和螺孔的侵蚀。

本测试系统经过运行试验，完成了各种型号潜油电泵的出厂测试，针对潜油电泵配合研究产品升级，模拟现场不同工况，不同介质性质，不同压力条件完成测试。为研究开发提供了一套完善测试系统，可以得到最接近潜油电泵在现场工作条件下的运行数据，为进一步研究提供有效数据支撑。

参考文献

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［2］ 乔坤.潜油电泵井井下多参数监测系统研究［D］.西安：西安石油大学，2019.

［3］ 刘洪庆，张宝柱，王道军.潜油电泵水平试验系统的设计［J］.内蒙古石油化工，2012，38（17）：76-78.