摘要:潜油电泵是海上油田最为常用的机采设备,而潜油电机作为电泵系统的动力源,是影响机组使用寿命的主要因素。目前,在稠油油田应用过程中,因井温高、运行过程中油稠负载大等因素,潜油电机主要表现为对地绝缘下降快、密封失效进井液、三相直流电阻不平衡、无绝缘等故障,机组拆检主要表现为内部绕组烧、引线烧、扶正轴承及止推轴承磨损等故障现象。自2013年,渤海油田某作业区联合相关电泵厂家,针对电机故障原因做了大量的分析研究工作,制定了技术改进及产品升级方案,应用效果较好。

关键词:潜油电机;高温;电潜泵;选型优化;

引言

海上油田油井產液量大,潜油电泵因排量范围广、系统效率高等特点被广泛采用[1]。潜油电机作为潜油电泵系统的动力源,是影响潜油电泵机组使用寿命的主要因素[2]。

目前,潜油电泵在稠油油田应用过程中,因稠油井井温高、油稠负载大等因素,潜油电机主要表现对地绝缘下降快、密封失效进井液、三相直流电阻不平衡、无绝缘等故障,潜油电泵机组拆检结果发现电机内部绕组烧、引线烧、扶正轴承及止推轴承磨损等现象。

自2013年,渤海油田某作业区联合相关电泵厂家,针对电机故障原因做了大量的分析研究工作,制定了技术改进及产品升级方案,应用效果较好。

1; 现场应用情况反馈

通过海上稠油油田潜油电泵应用情况,以及相关作业总结综合分析,潜油电机在稠油井的应用过程中,主要出现以下问题。

(1)潜油电机绝缘变化较大。潜油电泵机组完井时,系统绝缘在500-600MΩ之间,运转一段时间后,系统对地绝缘大幅度下降,甚至降为零。

(2)潜油电机内部进井液,检泵作业时,电机下部注油孔放油困难。

(3)潜油电泵保护器连接处,小扁“O”环硬化。

(4)潜油电机内部压力较高。

(5)潜油电机与保护器连接处,存在大量沉积物。

2; 潜油电机拆检情况

通过潜油电机拆检分析,总结了潜油电机在稠油井应用过程中的几种典型现象。

(1)潜油电机外壁表面沾有5-10mm厚的粘稠原油沉积层,经过取样化验分析,主要成分为胶质、沥青质组份。

(2)稠油井原油粘度高,导致多套潜油电泵机组电机与导流罩环空堵死。

(3)多套潜油电泵机组电机部件,因井下运转温度过高出现变色现象。如电机扶正铜套变蓝色、转子变黑色,引线护管、止推垫老化、脆断严重等现象。

(4)潜油电机止推轴承出现严重磨损现象。

(5)潜油电机内部有粘稠状原油。

(6)潜油电机头密封“O”型圈老化。

3; 拆检现象及实验结果分析

(1)电机进井液电机烧毁

从烧毁情况看,进井液对潜油电机有致命的影响,需进一步提高电机绝缘性能。

(2) 电机运行温度过高

1)30%电机出现扶正铜套变蓝、转子变黑现象,电机运转时局部温度达到过300-400℃;90%以上出现引线护管炭化、止推垫老化、脆断严重等现象,结合室内温度220℃实验来看,运转过程中很多电机局部温度远超过220℃。

2)90%以上拆检密封件出现老化现象,结合密封件耐温、耐腐蚀老化实验,目前温度高是造成密封件老化的主要原因。

4; 技术改进方案及效果

4.1 ;技术改进思路

(1)提高电机的耐温等级

2014年上半年完成电机的耐温等级由120℃提高到150℃开发研制,2014年9月份以后电机的耐温等级由150℃提高到180℃。

1)提高电机定子绝缘漆的绝缘耐温等级,采用高温溶剂浸渍脂绝缘漆,耐温240℃,有效提高电机耐温等级。

2)提高电磁线的耐温等级,采用进口耐高温绝缘膜线,耐温205℃。

3)改进电机定子压装工艺,调整了定子硅钢片压紧力,进一步改善电机磁场,减少自身生热,提高效率。

4)针对密封件,与密封件厂家合作成立高温、耐腐橡胶件攻关小组,进行了专门橡胶配方和制造工艺研究,所有的密封胶圈采用耐高温的氟橡胶材料,耐温可达200℃ ,提高高温下联接处密封性能的可靠性。

5)选用新型电机扶正轴承胶圈,提高其抗H2S腐蚀和高温能力,确保电机扶正轴承的中心位置,起到扶正作用。

6)绝缘材料的改进,潜油电机中使用的各种绝缘材料都有最高允许工作温度,在该温度范围内可长期使用,若超过最高允许工作温度使用,则绝缘材料将老化而使电气性能、机械性能、化学性能破坏,使用寿命迅速缩短,严重时被烧毁,造成电机的损坏。电机的绝缘等级是由它采用的绝缘材料中耐热等级最低的材料决定的(见表1)。

理论和实践证明,若工作温度每超过A级绝缘极限温度8℃(B级1O ℃,F级12℃,H级14 ℃),绝缘材料的使用寿命就要缩短一半,这将严重影响整个电机的使用寿命。

7)优化高温电机各摩擦副间配合间隙,根据机组实际运行情况,针对电机摩擦副配合进一步优化调整,调整依据是模拟现场温度、介质实验、摩擦副实际变化数。

8)电机润滑油循环系统优化设计,提高散热能力,润滑油循环系统由前置自循环系统和后置强制循环系统组成,前者靠电机转子旋转产生的离心力驱动润滑油循环流动;后者则安装了驱动叶轮,叶轮旋转产生推力加快润滑油的循环速度。

(2)提高电机的绝缘性能

提高电机绝缘性能的目的,在于电机进井液或进水的情况下,延缓电机绝缘性能下降的速度,延长电机运转寿命。

1)电机特殊的油路循环系统,电机内部设置有一套特殊的油路循环系统,进行内部冷却及润滑。电机正常运行时,电机油随着转子高速旋转,气隙中的电机油通过轴孔底部压入轴孔空心腔体内,从其上端流回气隙中,形成了一个循环系统的闭环回路。循环不间断地往复,不但润滑电机内部的各个运动部件,而且又将电机内部产生的大量热量传递给机壳,实现了电机内部的润滑及冷却的目的。

2)提高电磁线的绝缘等级,与电磁线及绝缘膜厂家联合成立项目组,从绝缘膜材质规格、电磁线制作工艺方面进行了改进,经过多轮室内破坏及老化实验。电机对地绝缘值国标要求1000MΩ,相关厂家将潜油电机对地绝缘值由2000MΩ提高到2500MΩ。

實验检测数据:电磁线、电机引线等材料都执行严格的检测标准,在入厂验收、使用之前和抽检老化试验,都进行绝缘、值阻和耐水打压检测。其中,耐水打压试验是一个重要检测指标。水中高压介电测试:直流(2倍额定电压+1000伏)×1.414 历时1分钟不击穿,泄露电流。从表2测试结果表明材料具有很好的绝缘性能,满足非绝缘润滑环境下应用。

3)提高潜油电机定子内部密封性能,针对高温机组改进定子浸漆工艺及固化温度梯度,增强电机定子内部绝缘漆的致密性、强度及附着性能,提高电机进水后电磁线的保护功能。

4)优化电机引线制作工艺,提高了接点密封性及强度。

(3)改进导流罩工艺

工艺改进的目的,是在油井供液不足、掺稀不稳等条件下改善电机散热条件。电机的散热与冷却介质(井液)的物理特性及其流动状态密切相关。物理特性主要是:导热系数λ、比热C、密度ρ、动力粘度μ和运动粘度υ等,而这些物理常数与环境温度有关,流体的流动状态除了与其运动状态有关之外,还与套管和机壳之间形成的环形空间尺寸以及潜油电泵的实际排量密切相关。所以,研究电机生产过程中产生的温升对稠油油藏的开发意义很大。对电机散热条件分析,寻找提高潜油电泵机组开采稠油效果的途径。

井液在流经电机壳体外径与套管(导流罩)内径环形空间时,根据雷诺准则判断出紊流、层流和过渡流三种流动状态。

根据对流散热的相似准则和准则方程式来判断散热效果,判断不同的流动状态具有不同的散热效果,其中紊流散热效果最佳。

4.2 ;技术改进措施

(1)喷涂专用涂层

为了减少稠油运动过程中摩阻,电机外表面、导流罩内壁喷涂国外进口专用涂层,表面涂层改变表面光洁度、致密性,同时减少液体表面张力,因此可以提高原油流速20%以上,减少胶质、沥青类稠油的粘接能力。

(2)改进导流罩结构

由半密封状态改为全密封状态,最大程度增加电机表面的液体流速,根据不同产液量设计了158型及7"同规格的导流罩。

4.3 ;技术改进效果

(1)对2014年区块内第一次改进150℃电机拆检结果表明,6套电机已经进井液,但是有绝缘,三相直流电阻平衡,电机完好。说明第一次电机改进绝缘性能提高起到了一定的效果。

(2)2014年第二次改进180℃机组区块内无故障井,区块外故障1口井,为TH12147井,非电机原因造成,改进的180℃电机使用效果待观察。

5; 结论及建议

5.1; 结论

(1)电机运转时具有一定抵抗井液的能力,能正常运转,不会立即造成电机烧毁,不是诱发停机的直接原因。

(2)当故障停机后,井液将电机内部散热循环系统堵死,稠油介质加大电机内部的机械损耗,电机启动转矩提高,温升加大,造成电机温度过高,绝缘层破坏,电机烧毁。

(3)稠油介质会破坏了内部滑动摩擦油膜润滑系统,加快止推轴承、扶正轴承的磨损。

(4)部分运转机组中,电机内部由于密封胶圈老化、小扁头泄露或保护器失效原因,电机内部已经存在大量的井液。应保持系统稳定运转,避免由于调整频率和掺稀量造成机组的停机后躺井,尤其是寿命较长井。

5.2; 建议

(1)跟踪180℃电机运转情况,对改进效果进行适应性分析。

(2)加强现场施工质量的监督,尤其冬季的施工质量,杜绝施工质量造成的故障井。

(3)加快725型电机针对稠油区块适应性优化,尽快应用于油田。

(4)进一步提高完善高温电机制造工艺,确保高温材料的品质,保证电机质量及稳定性。

(5)进一步推广完善电机表面喷涂技术,改善电机表面特性,减少稠油粘接及摩擦力,降低电机温升。

(6)根据电机表面介质流速计算,研究导流罩配套使用技术,最大可能提高电机表面液体流速,降低电机温度,延长电机寿命。

(7)针对高温143型潜油电机,优化改进制造工艺,增加关键工序的耐高温定性处理工序。#石油石化设备##电机##石油装备展会#

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