中 国电网频率为 50Hz， 渤海自营油田一般以 国产潜油电泵机组作 为主要的人工举升方 式，其选型设计和工作运行频率均 设定为 50Hz，即额定频率。有些油 井当潜油电泵机组提高运行频率至 50Hz 后，油藏供液能力仍有富余， 但传统的使用观念认为频率最高只 能提至 50Hz，再升高频率将会损 坏潜油电泵机组，由于这种观念的 原因，使得许多油井的油藏供液能 力未充分释放。2013 年初，渤海自 营油田运行频率在 50Hz 的油井有 420 口，其中不乏有供液能力能够 进一步释放的油井。因此，研究和 试验国产潜油电泵机组高频生产可 行性以继续提高产液水平实现经济 效益最大化非常必要。研究选取某 油田 A06 井进行先期高频生产研究 和试验。
 
潜油电泵机组 高频生产可行性
 
国产潜油电泵机组的工作频率 如果超过选型设计时的额定频率 （这 里指的是 50Hz 中国电网频率）， 满足以下三个条件即可保证潜油电 泵机组的正常运转。电机输出功率 大于等于电泵所需功率；电泵所需 功率产生且作用在泵轴上的最大扭 矩要小于该规格泵轴的许用扭矩； 泵生产时所产生的轴向力要小于该 规格保护器止推轴承在相同频率下 所能承受的许用轴向力。 在 对 上 述 三 个 条 件 评 估 和 计 算后，将取得该套潜油电泵机组高 频生产的频率上限。A06 井 2011 年 12 月下入斯伦贝谢（天津）潜 油电泵机组生产，该机组为国产潜 油 电 泵 机 组， 电 泵 排 量：100m 3 / d，电泵扬程：1,500m，泵轴径： 17.46mm，50Hz 下电机额定功率： 56kW，额定电压：1,216V，额定 电流：39A，保护器止推轴承：普 通型。2013 年 4 月提频至 50Hz 后， 产液量保持在 160m 3 /d 左右，生产 压差 1.57MPa，生产压差较小，采 液 强 度 3.80m 3 /d.MPa， 采 液 强 度 也较低，预计 60Hz 频率下，产液 量达到 192.7 m 3 /d，生产压差达到 1.88MPa，采液强度达到 4.56m 3 / d.MPa，属合理生产范围。

由于该 井地层供液能力较强，该井有较大 的提产空间。 电机输出功率与电泵所需功率 计算根据流体性质拟合后的 A06 井 电泵特性曲线（图 1），50Hz 运行 时，产液量达到 160.6m 3 /d 时，电 泵实际扬程为 700m，电机输出功 率为 40.28KW，而 50Hz 下电机额 定功率为 56kW，有较大的功率安 全冗余。 潜 油 电 泵 工 作 特 性 与 供 电 频 率 之 间 的 关 系 式：(Q2/Q1)=(n2/ n 1 ) = ( f / 5 0 ) ； ( H 2 / H 1 ) = ( n 2 / n1)=(f/50) 2 ； (N2/N1)=(n2/ n1)=(f/50) 3 。式中 Q1,H1,N1 分别 为电源频率为 50Hz 下排量、扬程和 泵轴功率；Q2、H2、N2 分别为电 源频率为f下排量、 扬程和泵轴功率。 电机输出功率与供电频率之间的关 系 式：P2/P1=(n2/n1)=(f/50)； 式 中 P1 为电源频率为 50Hz 下电机 额 定 功 率；P2 为 电 源 频 率 为 f 下 电机输出功率。根据以上两公式和 潜油电泵机组高频生产时的必备 条 件 一 的 要 求， 可 推 导 出 下 式： P2=P1(f/50) ≥ N2=N1(f/50) 3 。 通 过上述公式分别计算，不同频率下 电机输出功率与电泵所需功率（图 2）， 当 频 率 达 到 59Hz 时， 电 机 输出功率与电泵所需轴功率相等， 为 66kW。 因 此， 频 率 低 于 59Hz 时，电机输出功率能够满足高频生 产要求。

同时，该井电泵泵轴设计 最大扭矩为 195N.m，当频率低于 61.6Hz 时，泵轴扭矩满足要求。泵轴扭矩计算，潜油电泵泵轴 扭矩计算公式如下：M=9,550N/n； 式中，M 为扭矩，N.m；N 为功率， KW；n 为转速，r/min。该井电泵 泵轴设计最大扭矩为 195N.m，从 表 1 看出，当频率低于 61.6Hz 时， 泵轴扭矩满足要求。 保护器止推轴承轴向力计算。 该井电泵叶轮采用全浮式结构，因 此叶轮受到的轴向力通过自身各个 方向力的叠加和抵消作用形成一个 自由浮动的平衡态，没有轴向力作 用到泵轴上。泵轴所受的轴向力主 要是工作时液柱对轴头端面的压力， 这个压力主要与液柱的高度、轴的 截面积有关。轴向力计算公式如下： F=ρghs/1,000,000； 式 中，F 为轴向力，N；ρ 为原油密度，g/ cm 3 ；h 为扬程，m；s 为轴截面积， mm 2 。泵轴的直径为 17.46mm，当 电泵举升扬程达到 3,759m 时，止 推轴承承受轴向力达到设计最大值 8,820N，此时运行频率为 116Hz。 综合以上三方面计算，理论上该井 高频生产最高频率可达到 59Hz，为 了便于地面设备参数调整，以频率 60Hz 为上限。 地面设备条件 高频生产可行性
 
高频生产是通过提高电源频率 来提高电机额定电压，从而提高电 机的额定输出功率，地面设备的相 关参数需要进行校核才能保证潜油 电泵机组高频后的正常生产。需要 校核的参数包括：变压器档位电压 / 档位电流是否满足要求；变压器容 量是否满足要求；变频器额定电流 是否满足要求。 变压器档位电压 / 档位电流校 核，由 60Hz 条件下潜油电泵机组所 需地面电压可知，原 50Hz 变压器 档位电压已经无法满足要求，需要 调高一档电压至 1,640V 才能满足 高频生产要求，相应的档位电流也 能满足高频生产要求。变压器容量 校核，变压器容量必须满足电机最 大负载的启动，所以应根据电机的 负载来确定变压器的容量，根据下 式计算：P N = √ 3I(U+∆U)/1,000。 式中，PN 为变压器容量，KVA；U 为电机额定电压，V；ΔU 为电缆 压降损失，V；I 为电机额定电流。 计算该井 60Hz 下潜油电泵机组所 需变压器容量为 108.35KVA，该井 采用的 160KVA 变压器满足高频生 产要求。变频器额定电流校核，该 井采用 160KVA 中压变频器（0.6- 2.6KV、50A），容量和输出电压均 满足高频生产要求，额定电流采用 以下公式确定是否满足高频生产要 求：U2=U1(f/50)；I2=((U2+ΔU)/ U)I1；I2 ≤ 0.91I， 式 中 U1 为 50Hz 下电机的额定电压，V；U2 为调到预定最高频率时的电机工作 电压，V；I1 为 50Hz 下电机的额 定电流，A；I2 为调到预定最高频 率时的电机工作电流，A；I 为变频 器额定电流，A；U 为升压变压器 一次端电压，V；ΔU 为电缆电压 降，V；f 为调到预定的最高频率， Hz；计算出 I2 为 39.87A，小于变 频器额定电流的 0.91 倍（45.5A）， 变频器额定电流满足高频生产要求。 现场调试增效效果良好
 
在对 A06 井国产潜油电泵机 组及地面设备条件高频生产可行性 理论计算后，于 2013 年 7 月 28 日 实施地面设备调参，并以 2Hz 为间 隔逐渐提频生产，8 月 4 日提频至 56Hz 后， 产 液 量 181.1m 3 /d， 增油量 26m 3 /d，运行电流 35~37A， 接 近 额 定 电 流， 为 防 止 电 机 负 载 太大，保持油井稳产，控制频率在 56Hz。 至 2014 年 5 月 23 日（ 平 台拆除该井停产）期间，该井潜油 电 泵 机 组 运 行 稳 定， 未 发 生 任 何 异常情况，平均日增油 30.33m 3 ， 累计增液 1.35×10 4 m 3 ，累计增油 0.91×10 4 m 3 ，取得经济效益 3436 万元（原油价格：100 美元 / 桶； 人民币对美元汇率：1 美元 =6.0665 人民币元），高频生产效果显著。 2014 年以后，借鉴该井高频生产经 验，渤海自营油田相继对满足条件 的 11 口油井进行高频生产，各潜油 电泵机组运行稳定，并取得了不错 的增油效果。 总之，A06 井首次在渤海自营 油田实现了国产潜油电泵机组高频 生产，提频后增油效果明显，潜油 电泵机组运行稳定，通过借鉴该井 的成功案例，并在渤海自营油田进 行了推广。国产潜油电泵机组最高 频率不应以 50Hz 为上限，油藏条 件、潜油电泵机组、地面设备如果 满足高频生产条件，可以将频率提 至 50Hz 以上，但由于潜油电泵转 速过快易产生气蚀导致叶轮损坏， 因此，提频上限一般不超过 65Hz。 高频生产通过花费很低的成本就能 有效提高电潜泵举升能力，释放部 分油藏产液能力，经济效益可观。 但如果高频生产后油藏产液能力仍 然非常充足，应采取更换大排量潜 油电泵机组方式释放油藏产液能力。 （注：本文作者顺序依次为李恩林、 李健忠、李军、姜晶、王雅然）