排除用于人工舉升作業(yè)的強(qiáng)力永磁電機(jī)（電機(jī)也可稱作馬達(dá)），石油公司正在制約其在環(huán)境和效率方面的收益。
與IMs（Standard induction motors標(biāo)準(zhǔn)電磁感應(yīng)電機(jī)）相比，PMMs（Permanent magnet motors永磁電機(jī)）具有性能改善的潛力，但安全問(wèn)題制約了PMMs在石油和天然氣開發(fā)中的應(yīng)用。隨著一種可改善安全性的新工具的推出，這種情況即將得到改變，讓PMMs成為一種更清潔、更高效作業(yè)的可行選擇，也是一種更好的替代方案。
了解問(wèn)題所在
與大多數(shù)由IMs供電的傳統(tǒng) ESP（ Electric submersible pumps電潛泵）系統(tǒng)不同，PMMs的供電系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子中采用了嵌入式的永磁體，如圖 1 所示。這樣就消除了感應(yīng)損耗，從而大幅提高了電機(jī)的工作效率。
圖1
不過(guò)，IMs和PMMs這兩種電機(jī)的功能方式存在著關(guān)鍵性的差異。在在一部PMM中使用一塊永磁體，這意味著即使電機(jī)沒有通電，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)也始終保持開啟狀態(tài)。雖然這兩種電機(jī)的定子線圈都攜帶交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，但當(dāng)一部PMM在ESP內(nèi)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)則起到了一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)的作用。
與IMs不同，如果井下流體以足夠大的流動(dòng)力流過(guò)ESP，那么PMMs就可產(chǎn)生致命的電荷（~額定旋轉(zhuǎn)時(shí)的額定電壓）。當(dāng)然，只要現(xiàn)場(chǎng)工作人員遵循為最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)所制定的使用指南和操作程序，那么PMMs 就可以像IMs一樣地安全使用。
如今，大多數(shù)的IMs都是以VSDs（variable speed drives變速驅(qū)動(dòng)）方式工作的，而一部PMM必須擁有一個(gè)VSD來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的精確速度/轉(zhuǎn)速控制，以便在啟動(dòng)期間保持同步性，在電機(jī)運(yùn)行期間控制不同的負(fù)載。盡管市場(chǎng)上用于ESP作業(yè)和優(yōu)化的產(chǎn)品通常已對(duì)VSDs進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)定，但并非所有的VSDs都能操作PMMs。現(xiàn)有的、已展示過(guò)其性能的VSDs還需要進(jìn)行驗(yàn)證，以避免額外、費(fèi)用昂貴的外觀升級(jí)。
在性能方面，一部PMM能提供比IMs更高的功率密度，使其能縮短一部電機(jī)約50%的物理長(zhǎng)度而產(chǎn)生相同的馬力，或者比相同規(guī)格的電機(jī)產(chǎn)生更高的馬力。PMMs的結(jié)構(gòu)還允許其擁有更好的公差，或者說(shuō)能容忍IMs的一項(xiàng)已知的限制指標(biāo)，從而提高電機(jī)的可靠性和使用壽命。PMMs還能產(chǎn)生較少的熱量，從而減少電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的熱疲勞。因此，一只PMM的預(yù)期使用壽命要比一只IM的預(yù)期使用壽命高出30%，從而可降低昂貴的ESP作業(yè)井的修井和維護(hù)費(fèi)用。
實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)
從使用IM轉(zhuǎn)換為使用PMM最有說(shuō)服力的原因之一就是它能提高效率，同時(shí)還能減少原油生產(chǎn)對(duì)環(huán)境帶來(lái)的影響。
一部IM的效率通常為78%至84%，主要由轉(zhuǎn)子電流感應(yīng)引起的能量損失所決定。而PMMs不會(huì)經(jīng)歷明顯的轉(zhuǎn)子電流損失，其效率可高達(dá)93%。與IMs相比，一部PMM能在一個(gè)更寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持更高、更一致的功率和更高的效率，因此功率損耗最多可減少25%。
這種高能量密度和長(zhǎng)度更短的電機(jī)組合體產(chǎn)品能使一部PMM被放置在更深的小井眼中，以及斜井的井筒中，使其更靠近產(chǎn)層，擴(kuò)大了ESPs井下作業(yè)的靈活性，即便儲(chǔ)層壓力下降很大也能提高采收率，見圖2。
圖2
程序和流程可降低風(fēng)險(xiǎn)
不可否認(rèn)，PMMs已經(jīng)造成過(guò)嚴(yán)重的事故，但適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和作業(yè)程序可以將這些風(fēng)險(xiǎn)降至最低。
2023年3月頒布的API RP 11S9“永磁電機(jī)安全使用標(biāo)準(zhǔn)”提供了處理、安裝、故障排除和操作PMMs的推薦做法，以及在用于地下人工舉升泵送系統(tǒng)時(shí)將其從服務(wù)中移除的操作指南。這些指南是由行業(yè)專家共同制定的，包括貝克休斯的參與，他們根據(jù)對(duì)PMMs的深入了解以及在現(xiàn)場(chǎng)與其合作的豐富經(jīng)驗(yàn)，共同制定了安全使用PMMs的安裝和操控的建議。
除了遵循API RP 11S9標(biāo)準(zhǔn)外，安裝PMMs還須嚴(yán)格遵守可降低現(xiàn)場(chǎng)工人操作風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)程序。PMMs的安裝程序與IMs的安裝程序類似，但包含一些重要差異，這些差異解決了電機(jī)始終是一個(gè)潛在電源的事實(shí)。關(guān)鍵的程序差異包括：必須更嚴(yán)格地遵守現(xiàn)有的最佳實(shí)踐，例如井下使用的安裝率。需要注意的是，其他一些步驟，例如接地，要確認(rèn)不存在電壓。還需要個(gè)人PP&E（Property, Plant, and Equipment）程序以及一些隔離程序。這些安裝步驟在拼接組裝過(guò)程中或與導(dǎo)電體接觸時(shí)尤為重要。隔離程序也適用，例如在VSDs工作時(shí)要斷開與井下設(shè)備的連接。
最后，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)牌應(yīng)表明PMMs正在使用中，因此沒有人會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為此時(shí)IMs程序也適用此現(xiàn)場(chǎng)的安裝、故障排除、維護(hù)或拆卸。
驅(qū)動(dòng)優(yōu)化
盡管目前大多數(shù)ESPs都使用了VSDs，但并非所有的VSDs都能操作PMMs，因此驅(qū)動(dòng)器的選擇非常重要。
雖然可以使用一種標(biāo)量的或V/Hz的VSD來(lái)運(yùn)行一部PMM，但還是建議使用更先進(jìn)的方法，例如矢量控制，矢量控制方法可獲得最佳性能、效率和可靠性。這種方法可以精確控制電機(jī)的電流，確保電機(jī)能更好地產(chǎn)生扭矩、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，提高電機(jī)的整體性能。
與傳統(tǒng)ESP的VSD控制不同，矢量控制可將電壓與頻率解耦，從而能獨(dú)立控制磁通量和電機(jī)轉(zhuǎn)速。單獨(dú)控制磁通量有它的好處，具有解鎖持續(xù)優(yōu)化電壓和電流的功能，無(wú)論工作負(fù)載如何波動(dòng)，PMMs都能確保最佳性能。
安全模塊可降低操作風(fēng)險(xiǎn)
使用一部PMM最令人擔(dān)憂的一個(gè)問(wèn)題就是電機(jī)的轉(zhuǎn)子總是會(huì)被磁化。當(dāng)ESP向任何一個(gè)方向快速旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的反電動(dòng)勢(shì)。在日常作業(yè)期間，包括發(fā)生以下情形，當(dāng)ESP驅(qū)動(dòng)PMMs時(shí)，可能會(huì)因反電動(dòng)勢(shì)而產(chǎn)生電壓，包括：流體回退/回落；油井干預(yù)/ESP故障排除；ESP安裝和拆卸；發(fā)生井涌 。
一旦發(fā)生上述情況產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，在流體回退/回落狀況下可能需要長(zhǎng)達(dá)一個(gè)小時(shí)的時(shí)間才能穩(wěn)定下來(lái)。
從歷史上看，該行業(yè)一直依靠行政安全控制來(lái)隔離或防范潛在危害，例如止回閥、分流閥、Y 型工具和障礙塞。盡管這些工具在某種程度上是有效的，但它們需要人工操作，這意味著這些工具會(huì)因人工操作出錯(cuò)而帶來(lái)惡劣影響。在正常操作期間，這些工具幾乎不能提供什么保護(hù)，安裝后還需要額外的操作來(lái)設(shè)定和拉動(dòng)，而且，其中許多工具都會(huì)出現(xiàn)磨損，因?yàn)檫@些工具是在生產(chǎn)流體或原油開采過(guò)程中進(jìn)行操作的。
有一個(gè)更好的解決方案。一種新的模塊能夠提高安全性，降低工具外體產(chǎn)生電壓的可能性，以確保更安全地操作，如圖3所示（PMM的安全模塊）。該設(shè)計(jì)旨在防止產(chǎn)生表面電壓，實(shí)現(xiàn)更安全的操作，其功能類似于電機(jī)的延伸部分，由于模塊是在機(jī)油中運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，可以保護(hù)其免受井下環(huán)境影響。
圖3
安全模塊采用特殊的離合器進(jìn)行操作。當(dāng)電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)時(shí)，離合器的制輪器能使其平穩(wěn)接合，從而驅(qū)動(dòng)ESP工作。但是，如果ESP試圖向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)時(shí)，離合器則會(huì)脫離，從而阻止扭矩傳遞。這就有效地?cái)嚅_了ESP與電機(jī)之間的連接，使安全模塊能夠充當(dāng)了一個(gè)單向屏障。當(dāng)ESP試圖向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)時(shí)，離合器則會(huì)以不同的方式吸合，將ESP的扭矩傳遞到設(shè)備外殼，從而防止扭矩傳遞給電機(jī)。
安全模塊可防止ESP反向旋轉(zhuǎn)，確保電力傳輸是單向的，這使得安全模塊在ESP和PMM的應(yīng)用中特別有用，在這些應(yīng)用中，電機(jī)在非工作狀態(tài)時(shí)應(yīng)保持靜止，防止PMM產(chǎn)生潛在的危險(xiǎn)電壓。
安全模塊投入現(xiàn)場(chǎng)試用
貝克休斯為我們400系列的PMM開發(fā)了安全模塊，并將該設(shè)計(jì)擴(kuò)展到我們PMM系列的其余部分。為每部電機(jī)開發(fā)的模塊都進(jìn)行了一系列的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以確保操作的完整性，并收集了有價(jià)值的性能數(shù)據(jù)。功能測(cè)試可測(cè)量功率輸出、高溫環(huán)境下的性能、倒旋轉(zhuǎn)、耐用性和保持扭矩的能力。
在送往現(xiàn)場(chǎng)之前，每個(gè)安全模塊都要經(jīng)過(guò)工廠驗(yàn)收測(cè)試，包括扭矩測(cè)試，以驗(yàn)證從電機(jī)到密封件的額定扭矩（操作方向）和扭矩鎖定驗(yàn)證（反操作方向），以及檢查旋轉(zhuǎn)過(guò)程中功率消耗的旋轉(zhuǎn)測(cè)試。
非傳統(tǒng)油井和常規(guī)油井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括425馬力、6000桶/日、9,500英尺設(shè)定深度和 235°F（112.8℃）流體溫度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，性能一致、可靠，沒有發(fā)生可記錄的安全事故。
改變現(xiàn)狀
降低與傳統(tǒng)PMMs相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，為加速采用打開了大門。在北美常規(guī)和非傳統(tǒng)油井施工中，在一系列操作環(huán)境中安裝取得了積極成果，加了安全模塊的PMMs獲得了令人信服的證據(jù)，結(jié)果表明，與安全模塊相結(jié)合的一體化的PMMs，可以安全地應(yīng)用于石油和天然氣開發(fā)行業(yè)，這種設(shè)備能提供更高的功率密度，達(dá)到更低的功耗，還能降低碳排放，從而實(shí)現(xiàn)更清潔、更高效的油氣生產(chǎn)。
微信公眾號(hào)
微信視頻號(hào)
京公網(wǎng)安備11010502053156號(hào)