排除用于人工举升作业的强力永磁电机（电机也可称作马达），石油公司正在制约其在环境和效率方面的收益。
 
    与IMs（Standard induction motors标准电磁感应电机）相比，PMMs（Permanent magnet motors永磁电机）具有性能改善的潜力，但安全问题制约了PMMs在石油和天然气开发中的应用。随着一种可改善安全性的新工具的推出，这种情况即将得到改变，让PMMs成为一种更清洁、更高效作业的可行选择，也是一种更好的替代方案。
 
了解问题所在
 
    与大多数由IMs供电的传统 ESP（ Electric submersible pumps电潜泵）系统不同，PMMs的供电系统在转子中采用了嵌入式的永磁体，如图 1 所示。这样就消除了感应损耗，从而大幅提高了电机的工作效率。
 
 
图1
    不过，IMs和PMMs这两种电机的功能方式存在着关键性的差异。在在一部PMM中使用一块永磁体，这意味着即使电机没有通电，转子的磁场也始终保持开启状态。虽然这两种电机的定子线圈都携带交流电，产生旋转磁场转动转子，但当一部PMM在ESP内正转或反转时则起到了一台交流发电机的作用。
 
    与IMs不同，如果井下流体以足够大的流动力流过ESP，那么PMMs就可产生致命的电荷（~额定旋转时的额定电压）。当然，只要现场工作人员遵循为最大限度地降低风险所制定的使用指南和操作程序，那么PMMs 就可以像IMs一样地安全使用。
 
如今，大多数的IMs都是以VSDs（variable speed drives变速驱动）方式工作的，而一部PMM必须拥有一个VSD来实现所需的精确速度/转速控制，以便在启动期间保持同步性，在电机运行期间控制不同的负载。尽管市场上用于ESP作业和优化的产品通常已对VSDs进行了标准化设定，但并非所有的VSDs都能操作PMMs。现有的、已展示过其性能的VSDs还需要进行验证，以避免额外、费用昂贵的外观升级。
 
    在性能方面，一部PMM能提供比IMs更高的功率密度，使其能缩短一部电机约50%的物理长度而产生相同的马力，或者比相同规格的电机产生更高的马力。PMMs的结构还允许其拥有更好的公差，或者说能容忍IMs的一项已知的限制指标，从而提高电机的可靠性和使用寿命。PMMs还能产生较少的热量，从而减少电机运转过程中的热疲劳。因此，一只PMM的预期使用寿命要比一只IM的预期使用寿命高出30%，从而可降低昂贵的ESP作业井的修井和维护费用。
 
实现性能指标
 
从使用IM转换为使用PMM最有说服力的原因之一就是它能提高效率，同时还能减少原油生产对环境带来的影响。
 
一部IM的效率通常为78%至84%，主要由转子电流感应引起的能量损失所决定。而PMMs不会经历明显的转子电流损失，其效率可高达93%。与IMs相比，一部PMM能在一个更宽的负载范围内保持更高、更一致的功率和更高的效率，因此功率损耗最多可减少25%。
 
    这种高能量密度和长度更短的电机组合体产品能使一部PMM被放置在更深的小井眼中，以及斜井的井筒中，使其更靠近产层，扩大了ESPs井下作业的灵活性，即便储层压力下降很大也能提高采收率，见图2。
 
图2
程序和流程可降低风险
    不可否认，PMMs已经造成过严重的事故，但适当的培训和作业程序可以将这些风险降至最低。
 
2023年3月颁布的API RP 11S9“永磁电机安全使用标准”提供了处理、安装、故障排除和操作PMMs的推荐做法，以及在用于地下人工举升泵送系统时将其从服务中移除的操作指南。这些指南是由行业专家共同制定的，包括贝克休斯的参与，他们根据对PMMs的深入了解以及在现场与其合作的丰富经验，共同制定了安全使用PMMs的安装和操控的建议。
 
除了遵循API RP 11S9标准外，安装PMMs还须严格遵守可降低现场工人操作风险的作业程序。PMMs的安装程序与IMs的安装程序类似，但包含一些重要差异，这些差异解决了电机始终是一个潜在电源的事实。关键的程序差异包括：必须更严格地遵守现有的最佳实践，例如井下使用的安装率。需要注意的是，其他一些步骤，例如接地，要确认不存在电压。还需要个人PP&E（Property, Plant, and Equipment）程序以及一些隔离程序。这些安装步骤在拼接组装过程中或与导电体接触时尤为重要。隔离程序也适用，例如在VSDs工作时要断开与井下设备的连接。
 
    最后，现场标识牌应表明PMMs正在使用中，因此没有人会错误地认为此时IMs程序也适用此现场的安装、故障排除、维护或拆卸。
 
驱动优化
 
尽管目前大多数ESPs都使用了VSDs，但并非所有的VSDs都能操作PMMs，因此驱动器的选择非常重要。
 
    虽然可以使用一种标量的或V/Hz的VSD来运行一部PMM，但还是建议使用更先进的方法，例如矢量控制，矢量控制方法可获得最佳性能、效率和可靠性。这种方法可以精确控制电机的电流，确保电机能更好地产生扭矩、调节转速，提高电机的整体性能。
 
    与传统ESP的VSD控制不同，矢量控制可将电压与频率解耦，从而能独立控制磁通量和电机转速。单独控制磁通量有它的好处，具有解锁持续优化电压和电流的功能，无论工作负载如何波动，PMMs都能确保最佳性能。
 
安全模块可降低操作风险
 
使用一部PMM最令人担忧的一个问题就是电机的转子总是会被磁化。当ESP向任何一个方向快速旋转电机时，则会产生危险的反电动势。在日常作业期间，包括发生以下情形，当ESP驱动PMMs时，可能会因反电动势而产生电压，包括：流体回退/回落；油井干预/ESP故障排除；ESP安装和拆卸；发生井涌 。
一旦发生上述情况产生反电动势时，在流体回退/回落状况下可能需要长达一个小时的时间才能稳定下来。
 
    从历史上看，该行业一直依靠行政安全控制来隔离或防范潜在危害，例如止回阀、分流阀、Y 型工具和障碍塞。尽管这些工具在某种程度上是有效的，但它们需要人工操作，这意味着这些工具会因人工操作出错而带来恶劣影响。在正常操作期间，这些工具几乎不能提供什么保护，安装后还需要额外的操作来设定和拉动，而且，其中许多工具都会出现磨损，因为这些工具是在生产流体或原油开采过程中进行操作的。
 
    有一个更好的解决方案。一种新的模块能够提高安全性，降低工具外体产生电压的可能性，以确保更安全地操作，如图3所示（PMM的安全模块）。该设计旨在防止产生表面电压，实现更安全的操作，其功能类似于电机的延伸部分，由于模块是在机油中运转，因此，可以保护其免受井下环境影响。
 
 
图3
    安全模块采用特殊的离合器进行操作。当电机向前旋转时，离合器的制轮器能使其平稳接合，从而驱动ESP工作。但是，如果ESP试图向同一方向转动电机时，离合器则会脱离，从而阻止扭矩传递。这就有效地断开了ESP与电机之间的连接，使安全模块能够充当了一个单向屏障。当ESP试图向相反的方向转动电机时，离合器则会以不同的方式吸合，将ESP的扭矩传递到设备外壳，从而防止扭矩传递给电机。
 
    安全模块可防止ESP反向旋转，确保电力传输是单向的，这使得安全模块在ESP和PMM的应用中特别有用，在这些应用中，电机在非工作状态时应保持静止，防止PMM产生潜在的危险电压。
 
安全模块投入现场试用
 
贝克休斯为我们400系列的PMM开发了安全模块，并将该设计扩展到我们PMM系列的其余部分。为每部电机开发的模块都进行了一系列的现场试验，以确保操作的完整性，并收集了有价值的性能数据。功能测试可测量功率输出、高温环境下的性能、倒旋转、耐用性和保持扭矩的能力。
 
    在送往现场之前，每个安全模块都要经过工厂验收测试，包括扭矩测试，以验证从电机到密封件的额定扭矩（操作方向）和扭矩锁定验证（反操作方向），以及检查旋转过程中功率消耗的旋转测试。
 
    非传统油井和常规油井的现场试验数据包括425马力、6000桶/日、9,500英尺设定深度和 235°F（112.8℃）流体温度。试验结果显示，性能一致、可靠，没有发生可记录的安全事故。
 
改变现状
 
    降低与传统PMMs相关的风险，为加速采用打开了大门。在北美常规和非传统油井施工中，在一系列操作环境中安装取得了积极成果，加了安全模块的PMMs获得了令人信服的证据，结果表明，与安全模块相结合的一体化的PMMs，可以安全地应用于石油和天然气开发行业，这种设备能提供更高的功率密度，达到更低的功耗，还能降低碳排放，从而实现更清洁、更高效的油气生产。