潛油電泵井下工作狀況的動(dòng)態(tài)模擬

1、前 言隨著油田開(kāi)采時(shí)間的延長(zhǎng)，含水率的不斷上升，利用電動(dòng)潛油離心泵來(lái)保持或提高油井產(chǎn)量已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外潛油電泵發(fā)展很快。不論是潛油電泵制造技術(shù)，機(jī)組改造，還是潛油電泵的應(yīng)用技術(shù)和應(yīng)用水平都有了很大的發(fā)展和提高。在油田生產(chǎn)中，有相當(dāng)比例的原油是靠潛油電泵生產(chǎn)出來(lái)的，特別是蘇聯(lián)，潛油電泵井的產(chǎn)量已達(dá)到原油總產(chǎn)量的50，這都充分說(shuō)明，潛油電泵是機(jī)械采油的發(fā)展趨勢(shì)。潛油電泵是一種高效率、適合于高產(chǎn)、深井的機(jī)械采油設(shè)備。由于它排量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管理方便，目前已成為我國(guó)海上油田的主要采油設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的人工升舉方法有潛油電泵、有桿泵、水利活塞泵及氣舉。潛油電泵與其他集中人工

2、升舉方法相比較，有其獨(dú)到的特點(diǎn)。潛油電泵適應(yīng)于產(chǎn)液量比較高的油井抽油，一次性投資比較高和受下井深度限制是這種方法的缺點(diǎn)。這種泵一個(gè)獨(dú)特的應(yīng)用就是把同一井中上部水層中排出的水轉(zhuǎn)注到下部的注水層中，用于油田注水能夠有效地利用能量，提高效率。潛油電泵機(jī)組可以利用特殊電纜下入油井中，座入預(yù)先裝好地標(biāo)準(zhǔn)井筒內(nèi)，以便誘導(dǎo)液流，當(dāng)油井達(dá)到自噴時(shí)再將其起出。這種系統(tǒng)地主要問(wèn)題時(shí)電纜的氣侵。潛油電泵的下井深度主要是受其耐溫等級(jí)的限制，下井深度越大，溫度越高，對(duì)電機(jī)和電纜的絕緣耐溫等級(jí)要求越高，這樣潛油電泵的下井深度就受到一定的限制。其次潛油電泵的下井深度還將由廠家提供的電機(jī)極限功率來(lái)決定，而電機(jī)功率則受裝在小直

3、徑機(jī)殼中電機(jī)軸的限制。例如114.3mm外徑的電機(jī)下入140.mm的套管井中，其極限功率為148kw，127mm外徑的電機(jī)下入177.8mm套管中，其極限功率為296kw。由于電機(jī)散熱條件的限制，潛油電泵不能下在油井射孔井段以下，否則必須采用護(hù)罩導(dǎo)流使井液通過(guò)電機(jī)，解決電機(jī)的散熱問(wèn)題。綜上所述，使用潛油電泵抽油具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：潛油電泵的優(yōu)點(diǎn)：1. 大排量采液是這種采油方法的主要優(yōu)點(diǎn)。但是，目前潛油電泵也較多地應(yīng)用于產(chǎn)液較低地油井。2. 這種泵能把油井中上部水層的水注到下部的注水層中。3. 操作簡(jiǎn)單，管理方便，在市區(qū)應(yīng)用有利于美化環(huán)境。4. 能夠較好地運(yùn)用于斜井與水平井以及海上采油。5. 容易處

4、理腐蝕和結(jié)蠟。6. 容易安裝井下壓力傳感器，并通過(guò)電纜將壓力信號(hào)傳遞到地面，以便進(jìn)行壓力測(cè)量。7. 檢泵周期較長(zhǎng)，油井生產(chǎn)時(shí)效相對(duì)比較高，利于原油生產(chǎn)。潛油電泵的缺點(diǎn)：1. 潛油電泵下入深度受電機(jī)額定功率的限制。油套管尺寸和井底高溫使?jié)撚碗姳玫南氯肷疃仁艿较拗啤４笮透吖β试O(shè)備沒(méi)有足夠的環(huán)形空間冷卻電機(jī)，會(huì)造成電機(jī)的損壞。2. 由于多級(jí)大排量高功率潛油電泵比較昂貴，使得初期投資較高，特別是電纜的費(fèi)用比較高。如果需要抗腐蝕或耐高溫費(fèi)用則會(huì)更高。3. 由于整套裝置都安裝在井下，一旦出現(xiàn)故障，需要起出全部管柱進(jìn)行修理，造成作業(yè)費(fèi)用增加和停產(chǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。4. 井下高溫容易使電纜出現(xiàn)故障，高溫、腐蝕和磨損可

5、能造成電機(jī)損壞。高汽油比會(huì)使升舉效率降低，而且會(huì)因氣鎖使泵發(fā)生故障。5. 動(dòng)力源僅適應(yīng)于采用電源。對(duì)于沒(méi)有電源的零散井，不適用此種采油方式。為了全面掌握潛油電泵井生產(chǎn)時(shí)井下機(jī)組的工況、保證設(shè)備有效工作、延長(zhǎng)檢泵周期、提高生產(chǎn)管理技術(shù)水平，以及判斷分析故障原因、提高挖掘油井潛力，我們有必要對(duì)潛油電泵井下的工作狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。本文將介紹如何利用通用軟件對(duì)潛油電泵井下的工作狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。1動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展1.1 國(guó)外研究狀況動(dòng)態(tài)模擬的發(fā)展較穩(wěn)態(tài)模擬略遲。有關(guān)動(dòng)態(tài)模擬研究成果的報(bào)道出現(xiàn)于70年代初期，隨著計(jì)算機(jī)的普及和計(jì)算能力的不斷提高，加上近似計(jì)算方法（如有限元法、有限差分法、有限體積

6、法等）的發(fā)展，基于數(shù)值計(jì)算的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法形成，并得到了蓬勃的發(fā)展。初期的動(dòng)態(tài)模擬軟件雖然都取得了很好的效果，但由于處理的變量少，應(yīng)用范圍狹窄，只能對(duì)個(gè)別具體裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。這一時(shí)期尚未能形成通用化的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)。進(jìn)入80年代后，動(dòng)態(tài)模擬走向了它的成熟期，眾多動(dòng)態(tài)模擬軟件紛紛推出，模擬軟件的開(kāi)發(fā)、研制走向?qū)I(yè)化、商品化。模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性、可靠性大大加強(qiáng)，應(yīng)用范圍不斷拓寬，功能更加豐富，使用愈加方便。90年代是動(dòng)態(tài)模擬的深入發(fā)展期，從“離線”走向“在線”，從穩(wěn)態(tài)模擬發(fā)展到動(dòng)態(tài)模擬和實(shí)時(shí)優(yōu)化，從單純的離線穩(wěn)態(tài)計(jì)算發(fā)展到和工業(yè)裝置緊密相連的動(dòng)態(tài)模擬。這一時(shí)期，動(dòng)態(tài)模擬得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，

7、新的模擬軟件不斷問(wèn)世1。1.2 國(guó)內(nèi)研究狀況我國(guó)動(dòng)態(tài)模擬起始于20世紀(jì)60年代末，整個(gè)70年代是國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)模擬軟件的大發(fā)展時(shí)期。隨著計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展，工程技術(shù)軟件從限于幾個(gè)公式、幾百個(gè)語(yǔ)句的程序發(fā)展成為具有良好界面、多種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、多功能的軟件系統(tǒng)。至70年代末80年代初，國(guó)內(nèi)模擬軟件水平已接近國(guó)外的先進(jìn)水平。更深層次的模擬技術(shù)先進(jìn)控制和動(dòng)態(tài)模擬，卻起步于20世紀(jì)90年代，并且僅僅在為數(shù)不多的大型工業(yè)裝置中實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)優(yōu)化基本上處于空白。如何趕上世界先進(jìn)水平，是今后系統(tǒng)工程界值得深入思考的問(wèn)題。1.3 今后發(fā)展方向當(dāng)前,我國(guó)在過(guò)程的模擬計(jì)算方面已經(jīng)進(jìn)行了一系列工作，并取得了令人矚目的成績(jī)。

8、但是，作為較為年輕、發(fā)展最為迅速的子學(xué)科領(lǐng)域，還存在著不少問(wèn)題。目前它在工業(yè)界還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。動(dòng)態(tài)模擬軟件的功能應(yīng)當(dāng)與動(dòng)態(tài)優(yōu)化思路相結(jié)合，由于研究經(jīng)費(fèi)短缺、研究手段相對(duì)落后，流程模擬技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展受到了一定程度的限制。從我國(guó)的現(xiàn)狀和已有的成果看，針對(duì)我國(guó)過(guò)程工業(yè)調(diào)優(yōu)和控制基礎(chǔ)較差的特點(diǎn)，在推行計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)中，只有應(yīng)用人工智能化的優(yōu)化和控制方法，對(duì)現(xiàn)有工業(yè)裝置、測(cè)量和控制設(shè)備進(jìn)行特殊要求并降低投資成本，才有可能走出一條低投入、高產(chǎn)出的路子1。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了多方面的研究，并開(kāi)發(fā)出了一些動(dòng)態(tài)模擬軟件。多媒體環(huán)境下的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬軟件作為結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)模擬軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的方向之一，

9、充分利用文本、圖形、圖像、超文本、三維動(dòng)畫(huà)、音頻和視頻等多種媒體手段。它將科學(xué)可視化、臨場(chǎng)感、交互引導(dǎo)結(jié)合到一起來(lái)產(chǎn)生一種沉浸感，將對(duì)象和結(jié)果及過(guò)程生動(dòng)地展現(xiàn)于屏幕上，使技術(shù)人員得到結(jié)果和過(guò)程的定性與定量相結(jié)合的直觀演示，大大減輕了技術(shù)人員的行為難度。但是目前的多媒體環(huán)境下的動(dòng)態(tài)模擬軟件存在不少問(wèn)題，無(wú)法很好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需要2。隨著國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，人們正在試圖通過(guò)改進(jìn)企業(yè)業(yè)務(wù)過(guò)程以降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短市場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間，從而保持在競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)。因此，要在企業(yè)內(nèi)部將工作過(guò)程、人的參與以及二者間的相互作用、軟件與硬件間的相互作用綜合集成起來(lái)的同時(shí)，將企業(yè)本身與其所生存的環(huán)境相結(jié)合，

10、通過(guò)過(guò)程系統(tǒng)技術(shù)與管理的綜合集成來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程企業(yè)整個(gè)供應(yīng)鏈的整體優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展，充分發(fā)揮動(dòng)態(tài)模擬的優(yōu)勢(shì)。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）是今后發(fā)展方向之一。2 潛油電泵工作原理、系統(tǒng)組成及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 潛油電泵工作原理3潛油電泵是由多級(jí)葉導(dǎo)輪串接起來(lái)的一種電動(dòng)離心泵，除了其直徑小長(zhǎng)度長(zhǎng)外，工作原理與普通離心泵沒(méi)有多大差別，原理圖如圖1所示。其工作原理是：當(dāng)潛油電機(jī)帶動(dòng)泵軸上的葉導(dǎo)輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，處于葉輪內(nèi)的液體在離心力的作用下，從葉輪中心沿葉片間的流道甩向葉輪的四周，由于液體受到葉片的作用，其壓力和速度同時(shí)增加，在導(dǎo)輪的進(jìn)一步作用下速度能又轉(zhuǎn)變成壓能，同時(shí)流向下一級(jí)葉輪入口。如此逐次地通過(guò)

11、多級(jí)葉導(dǎo)輪的作用，流體壓能逐次增高而在獲得足以克服泵出口以后管路阻力的能量時(shí)而流至地面，達(dá)到石油開(kāi)采的目的。圖1 潛油電泵工作原理圖表述潛油電泵性能的主要參數(shù)有：額定排量Q、額定揚(yáng)程（壓頭）H、額定軸功率P、額定效率、額定轉(zhuǎn)速n等參數(shù)。潛油電泵的額定排量和效率取決于泵型，額定揚(yáng)程決定于泵型和級(jí)數(shù)，額定軸功率由額定排量和揚(yáng)程確定，額定轉(zhuǎn)速取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)。2.2 潛油電泵系統(tǒng)組成及作用3潛油電泵采油系統(tǒng)由井下和地面兩大部分組成，如圖2所示。圖2 潛油電泵采油系統(tǒng)組成示意圖1配電盤(pán)；2變壓器；3控制柜；4接線盒；5采油樹(shù)；6潛油電纜；7測(cè)壓閥泄油閥；8大扁護(hù)罩；9單流閥；10泵出口；11小扁護(hù)罩；1

12、2潛油電泵；13氣體分離器；14保護(hù)器；15潛油電機(jī)；16PSI/PHD；17扶正器2.2.1 井下系統(tǒng)組成及作用潛油電泵井下系統(tǒng)主要由電機(jī)、潛油電泵、保護(hù)器、分離器、測(cè)壓裝置(PSI/PHD)、動(dòng)力電纜、單流閥、測(cè)壓閥泄油閥、扶正器等組成。2.2.1.1 潛油電機(jī)潛油電泵電機(jī)又叫潛油電機(jī)，它是潛油電泵機(jī)組的原動(dòng)機(jī)，一般位于最下端。它是三相鼠籠異步電機(jī)，其工作原理與普通三相異步電機(jī)一樣，把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。但是，它與普通電機(jī)相比，具有以下特點(diǎn)：機(jī)身細(xì)長(zhǎng)，一般直徑160mm以下，長(zhǎng)度510m，有的更長(zhǎng)，長(zhǎng)徑比達(dá)28.3125.2；轉(zhuǎn)軸為空心，便于循環(huán)冷卻電機(jī)；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，0.3s即可達(dá)到額定轉(zhuǎn)速

13、；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，滑行時(shí)間一般不超過(guò)3s；絕緣等級(jí)高，絕緣材料耐高溫、高壓和油氣水的綜合作用；電機(jī)內(nèi)腔充滿電機(jī)油以隔絕井液和便于散熱；有專門的井液與電機(jī)油的隔離密封裝置保護(hù)器。潛油電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由定子、轉(zhuǎn)子、止推軸承和機(jī)油循環(huán)冷卻系統(tǒng)等部分組成。圖3 潛油電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1扁電纜；2止推軸承；3軸；4電纜頭；5注油閥;6引線；7定子；8轉(zhuǎn)子；9扶正軸承；10殼體；11潤(rùn)滑葉輪；12濾網(wǎng)；13放油閥（1）定子定子的功能是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，將電能轉(zhuǎn)變成磁能，主要包括定子鐵芯、黃銅夾段和定子繞組等。定子鐵芯是由許多彼此絕緣的圓形硅鋼片重疊而成的，鐵芯內(nèi)圓周上有用來(lái)嵌入繞組導(dǎo)線的玉米形切槽，外圓周電機(jī)油

14、循環(huán)的油槽。定子鐵芯橫截面目前有兩種形式，一種是開(kāi)式結(jié)構(gòu)，一種是閉式結(jié)構(gòu)。黃銅夾段是為了防止轉(zhuǎn)子扶正軸承被磁化而加入的一段磁阻較大的黃銅。定子繞組是較粗的外面包裹有耐油、氣、水，耐高溫高壓和高絕緣強(qiáng)度材料的均勻銅導(dǎo)線，輸送勵(lì)磁電流。繞組制作有兩種方式，一種是工程塑料擠制，一種是薄膜繞包燒結(jié)。定子繞組都是星形聯(lián)接，星點(diǎn)結(jié)構(gòu)一般如圖4。 圖4 星點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖（2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是產(chǎn)生感應(yīng)電流而受力轉(zhuǎn)動(dòng)并將電磁能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的部分，由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、短路環(huán)、軸和鍵組成，如圖5所示。同定子一樣，轉(zhuǎn)子也由許多段組成，每段通過(guò)鍵與軸相連，各段轉(zhuǎn)子間有扶正軸承，扶正軸承與黃銅夾段相對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)子的上下端用螺帽或卡

15、簧固定。圖5 潛油電機(jī)轉(zhuǎn)子總成示意圖1短路環(huán)；2油道；3硅鋼片；4扶正軸承；5軸（3）止推軸承由于潛油電機(jī)是立式懸掛結(jié)構(gòu)，其軸向載荷由止推軸承承擔(dān)。止推軸承除承擔(dān)軸向載荷，還承擔(dān)因偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的徑向載荷。潛油電機(jī)的止推軸承有兩種，一種是滾動(dòng)軸承，一種是滑動(dòng)軸承，見(jiàn)圖6。圖6 潛油電機(jī)用止推軸承(a)1雙列向心球面滾子軸承；2單向推力向心球面軸承(b)1動(dòng)塊；2摩擦墊；3靜塊；4扶正軸承（4）循環(huán)冷卻系統(tǒng)潛油電機(jī)冷卻系統(tǒng)由潤(rùn)滑葉輪、濾網(wǎng)、定子油道、油孔和空心電機(jī)軸及電機(jī)油等組成，帶走電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子在交流和渦流作用下產(chǎn)生的熱量，達(dá)到冷卻電機(jī)和保護(hù)絕緣材料的作用，延長(zhǎng)電機(jī)壽命。2.2.1.2 潛油

16、電泵潛油電泵為多級(jí)離心泵，包括固定和轉(zhuǎn)動(dòng)兩大部分。固定部分由導(dǎo)輪、泵殼和軸承外套組成；轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括葉輪、軸、鍵、摩擦墊、軸承和卡簧。潛油電泵分節(jié)，節(jié)中分級(jí)，每級(jí)就是一個(gè)離心泵，結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。潛油電泵按葉輪是否固定分為浮動(dòng)式、半浮動(dòng)式和固定式三種。圖7 潛油電泵結(jié)構(gòu)示意圖1花鍵套；2泵頭；3上部軸承總成；4泵殼；5導(dǎo)輪；6葉輪；7泵軸；8鍵；9上止推墊；10下止推墊；12卡簧；12泵底座與普通離心泵相比，潛油電泵具有以下特點(diǎn)：直徑小，排量范圍大，外徑一般為85.5102mm，排量范圍可達(dá)308000；級(jí)數(shù)多，長(zhǎng)度長(zhǎng)，揚(yáng)程范圍寬，級(jí)數(shù)可達(dá)400級(jí)，長(zhǎng)度可達(dá)20m，揚(yáng)程一般在1504500m；

17、泵吸口有氣體分離或壓縮裝置，防止氣蝕和提高泵效；有徑向扶正，軸向卸載和液壓平衡機(jī)構(gòu)。潛油電泵在工作時(shí)，由于進(jìn)出口之間存在很大的壓力差，產(chǎn)生很大的軸向力。為減小或消除軸向力，在葉輪上下部裝有止推墊，通過(guò)導(dǎo)輪將軸向力傳遞給泵殼。徑向扶正和軸向卸載機(jī)構(gòu)如圖8所示。圖8 徑向扶正和軸向卸載機(jī)構(gòu)1止推軸承；2葉輪；3導(dǎo)輪；4扶正位置液壓平衡機(jī)構(gòu)有兩種，一種是平式葉輪液壓平衡機(jī)構(gòu)，如圖9所示，一種是混流型葉輪的平衡機(jī)構(gòu)，如圖10所示。平式葉輪的平衡原理是，經(jīng)增壓后的流體大部分流向?qū)л?，一部分進(jìn)入A、B區(qū)，因A、B區(qū)連通，壓力相等，達(dá)到平衡目的，只要面積相等，則軸向力抵消。混流型葉輪的平衡原理是，在葉輪的中

18、心部位打孔，使得B區(qū)內(nèi)的壓力接近泵吸入口壓力，從而消除部分軸向力。圖9 平式葉輪液壓平衡機(jī)構(gòu)1軸；2導(dǎo)輪；3上摩擦墊；4葉輪；5下摩擦墊圖10 混流型葉輪的平衡機(jī)構(gòu)（1）葉輪葉輪是潛油電泵的核心部分，它是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)流體壓能的關(guān)鍵部件，液體通過(guò)葉輪時(shí)，液體的壓能和動(dòng)能都得到增加，葉輪結(jié)構(gòu)如圖11所示，采用鑄造后機(jī)加工工藝生產(chǎn)。 圖11 葉輪結(jié)構(gòu)示意圖1軸；2導(dǎo)輪；3上摩擦墊；4平衡孔；5葉輪；6下摩擦墊按葉輪的作用，可將潛油電泵中的葉輪分為浮動(dòng)葉輪、頂部浮動(dòng)、葉輪壓緊葉輪、軸承葉輪等四種。前三種葉輪在泵中的安裝順序是：從上到下依次為壓緊葉輪、頂部浮動(dòng)、浮動(dòng)葉輪。浮動(dòng)葉輪在裝配后允許有一定

19、的軸向竄動(dòng)量，葉輪之間互不影響。有這樣幾點(diǎn)好處：裝配時(shí)不存在軸向的長(zhǎng)度累積誤差問(wèn)題；在一定排量范圍內(nèi)，葉輪處于浮動(dòng)狀態(tài)，葉輪消耗的摩擦功率小，泵效比較高，接觸部分的磨損小。它不能承受軸向載荷，也不能傳遞自身的軸向力，其軸向載荷是通過(guò)止推墊片傳遞給泵殼的。對(duì)于浮動(dòng)葉輪，泵工作排量必須處于合理排量范圍內(nèi)工作葉輪才處于懸浮狀態(tài)，否則，葉輪要么靠上貼緊導(dǎo)輪，要么靠下貼緊導(dǎo)輪，都增加摩擦和磨損。軸承葉輪也叫短把葉輪，其輪轂比普通的短13mm，裝配時(shí)用塑料軸承代替被切去部分，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)處于浮動(dòng)狀態(tài)，有助于減輕潛油電泵的振動(dòng)。一般是每610級(jí)裝一個(gè)軸承葉輪和塑料軸承。頂部浮動(dòng)葉輪在每一節(jié)泵中都有一個(gè)，其安裝在半

20、環(huán)鍵的下面，輪轂尾部短6mm，相當(dāng)于半環(huán)鍵的長(zhǎng)度。壓緊葉輪在泵軸上由兩端的半環(huán)鍵固定起軸向定位作用，由壓緊螺母將多級(jí)葉輪壓緊，達(dá)到首尾相連的目的，葉輪與泵軸間無(wú)竄動(dòng)，能夠承受較大的軸向力。（2）導(dǎo)輪導(dǎo)輪是泵的固定部分，其與葉輪吸入口配合形成吸入室將液體引入下一級(jí)葉輪的進(jìn)口處。它一方面將動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓能和降低速度減小摩阻損失；一方面改變流向，將流體導(dǎo)入下一級(jí)葉輪入口，導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12。圖12 導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)示意圖（3）軸泵軸將來(lái)自電機(jī)的扭矩傳遞給泵內(nèi)的每一級(jí)葉輪，并通過(guò)花鍵連接傳遞給上一節(jié)泵。其特點(diǎn)是傳遞功率大，細(xì)長(zhǎng)，兩端為花鍵，軸向上有一通長(zhǎng)的鍵槽，圖。其材料強(qiáng)度高，韌性和塑性好，耐腐蝕。美國(guó)使用的材

21、料一般為蒙乃爾,K-500合金材料，抗拉強(qiáng)度達(dá)960MPa，屈服強(qiáng)度為686MPa，硬度為HRC36，沖擊韌性為100J/cm，延伸率達(dá)28%。國(guó)內(nèi)尚未找到與,K-500性能指標(biāo)相近的材料，國(guó)內(nèi)代用材料在強(qiáng)度上與K-500相近，但塑性和韌性沒(méi)有達(dá)到。直線度要求為萬(wàn)分之一，即0.1/1000，直徑公差控制在0.05mm以內(nèi)。一般采用冷拔工藝制成。（4）平鍵潛油電泵的平鍵為細(xì)長(zhǎng)形鍵，尺寸為，安裝在泵軸與葉輪之間。其側(cè)面為工作面，不能承受軸向力，保證葉輪可以軸竄動(dòng)。美國(guó)材質(zhì)一般為K-500，國(guó)內(nèi)材料為1Cr19Ni9Ti，一般采用冷拔工藝制造。（5）泵殼泵殼是泵的外殼，它是多級(jí)葉導(dǎo)輪的支架。要求直線

22、度為0.1/1000，材料的抗拉強(qiáng)度較高，彈性和剛性好。一般采用25Mn材料，美國(guó)采用鋼板卷焊成型，國(guó)內(nèi)采用無(wú)縫管熱扎或冷拔制造。2.2.1.3 保護(hù)器保護(hù)器又叫潛油電機(jī)保護(hù)器，是潛油電泵所特有的。其位于電機(jī)與氣體分離器之間，上端與分離器相連，下端與電機(jī)相連，起保護(hù)電機(jī)作用。其基本作用有以下四個(gè)方面：密封電機(jī)軸動(dòng)力輸出端，防止井液進(jìn)入電機(jī)；保護(hù)器充油部分允許與井液相通起平衡作用，平衡電機(jī)內(nèi)外腔壓力，容納電機(jī)升溫時(shí)膨脹的電機(jī)油和補(bǔ)充電機(jī)冷卻時(shí)電機(jī)油的收縮和損耗的電機(jī)油；通過(guò)其內(nèi)的止推軸承承擔(dān)泵軸、分離器軸和保護(hù)器軸的重量及泵所承受的任何不平衡軸向力；起連接作用，連接電機(jī)軸與泵分離器軸，連接電機(jī)殼

23、體與泵分離器殼體。保護(hù)器的種類很多，從原理上可以分為連通式保護(hù)器、沉淀式保護(hù)器和膠囊式保護(hù)器等三種。對(duì)于一般井，只用一種保護(hù)器；對(duì)于特殊井，有用兩級(jí)或多級(jí)串接的組合式保護(hù)器，一般組合方式是沉淀式保護(hù)器+膠囊式保護(hù)器。2.2.1.4 氣體分離器氣體分離器，又叫油氣分離器，簡(jiǎn)稱分離器，位于潛油電泵的下端，是泵的入口。其作用是將油井生產(chǎn)流體中的自由氣分離出來(lái)，以減少氣體對(duì)泵的排量、揚(yáng)程和效率等特性參數(shù)的影響，和避免氣蝕發(fā)生。按不同的工作原理，可將其分為沉降式（重力式）和旋轉(zhuǎn)式（離心式）兩種。但基本原理是相同的，都是利用氣液的重度差制成的，通過(guò)增加氣泡的軸向速度，降低徑向向心速度來(lái)分離的，不過(guò)前者是自

24、然分離，后者強(qiáng)制分離。在泵掛處流壓高、自由氣液比低的井，用一級(jí)分離器即可；對(duì)于壓力低、自由氣液比高于30%的井，用二級(jí)分離器串聯(lián)即可進(jìn)行充分的氣液分離。2.2.1.5 測(cè)壓裝置潛油電泵井測(cè)壓系統(tǒng)有兩大類，一類是電子式的，一類是機(jī)械式的。主要用于監(jiān)測(cè)油井的供液和電機(jī)工作溫度情況。電子式的有PHD和PSI兩種，可以進(jìn)行連續(xù)測(cè)；機(jī)械式的也有兩種，一種是測(cè)壓閥，一種是毛細(xì)管，前者通過(guò)鋼絲作業(yè)實(shí)施但不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，后者通過(guò)毛細(xì)鋼管傳遞壓力，可以連續(xù)工作和監(jiān)測(cè)。2.2.1.6 動(dòng)力電纜動(dòng)力電纜是電機(jī)與地面供電和控制系統(tǒng)相聯(lián)系傳送電力紐帶和PSI/PHD信號(hào)的通道，是一種耐油、耐鹽水、耐其它化學(xué)物質(zhì)腐蝕的油井

25、專用電纜，工作于油套管之間。分為小扁電纜（又叫電機(jī)引線，俗稱小扁）、大扁電纜（俗稱大扁）和圓電纜。按溫度等級(jí)可以分為90、120、150等3個(gè)等級(jí)，部分廠家還可生產(chǎn)更高等級(jí)的潛油電纜。電纜一般由導(dǎo)體、絕緣層、護(hù)套層和鋼帶鎧裝組成。導(dǎo)體芯線一般是三芯實(shí)心或三芯七股銅絞線，作用是傳遞電能。2.2.1.7 電纜頭電纜頭是電機(jī)和電纜連接的特殊部件，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到電機(jī)的運(yùn)行壽命，要求較高的電氣和機(jī)械性能。目前，各個(gè)潛油電泵生產(chǎn)廠家都有自己獨(dú)特的產(chǎn)品種類較多。從性能和結(jié)構(gòu)分為兩種：纏繞式和插入式。2.2.1.8 單流閥其作用主要是：保持足夠高的回壓，使得泵在啟動(dòng)后能很快在額定點(diǎn)工作；防止停泵后泵以上

26、流體回落引起機(jī)組反轉(zhuǎn)脫扣；便于生產(chǎn)管柱驗(yàn)封。一般安裝在泵出口12根油管處，采用標(biāo)準(zhǔn)油管扣于上下油管連接。2.2.1.9 泄油閥泄油閥一般安裝在單流閥以上12根油管處，它是檢泵作業(yè)上提管柱時(shí)油管內(nèi)流體的排放口，以減輕修井機(jī)負(fù)荷和防止井液污染平臺(tái)甲板和環(huán)境。泄油閥目前有兩種：投棒泄流、投球液力泄流。前者用于稀油和高含水稠油井比較合適，用于稠油井泄油成功率低；后者可以重復(fù)使用，用于低含水稠油更好，成功率高。2.2.1.10 扶正器扶正器主要用于斜井，位于電機(jī)尾部，使電機(jī)居中，使得電機(jī)外部過(guò)流均勻，散熱環(huán)境好，防止電機(jī)局部高溫而損壞?！癥”型管柱井不采用。2.2.1.11 電纜護(hù)罩電纜護(hù)罩與電纜一起通

27、過(guò)綁帶固定在油管外表面，防止電纜在下井過(guò)程中受到機(jī)械損傷。分大扁護(hù)罩和小扁護(hù)罩兩種。小扁護(hù)罩結(jié)構(gòu)一般是槽鋼結(jié)構(gòu)，尺寸較小。大扁護(hù)罩有籠形結(jié)構(gòu)和筒形結(jié)構(gòu)兩種。2.2.2 地面系統(tǒng)組成及作用如圖2所示，潛油電泵采油系統(tǒng)的地面部分由配電盤(pán)、變壓器、控制柜或變頻器、接線盒和采油樹(shù)井口組成，部分特殊油田還配有變頻器集中切換控制柜。2.3 潛油電泵國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀32.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀潛油電泵全稱為電動(dòng)潛油離心泵，最早是由蘇聯(lián)人A.S.艾魯托諾夫（A.S.Arutunoff）研究發(fā)明的，當(dāng)時(shí)用于抽地層中的水和礦井中的水。A.S.艾魯托諾夫于1923年把這種泵的概念介紹到美國(guó)，美國(guó)第一臺(tái)潛油電泵在洛山磯問(wèn)

28、世。1926年美國(guó)開(kāi)始在坎隆斯的魯賽爾（Russell）油田應(yīng)用潛油電泵抽油，從此開(kāi)始了潛油電泵用于原有生產(chǎn)的歷史。美國(guó)在潛油電泵的研究制造和使用方面已油近七十年的歷史，無(wú)論是在制造工藝，還是在應(yīng)用技術(shù)方面都居世界領(lǐng)先地位。美國(guó)和原蘇聯(lián)是世界上生產(chǎn)和使用潛油電泵較多的國(guó)家，加拿大、法國(guó)和挪威等國(guó)家也生產(chǎn)和應(yīng)用潛油電泵，其中美國(guó)在潛油電泵的技術(shù)方面，處于世界領(lǐng)先地位。由于潛油電泵采油具有排量大，使用經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)許多國(guó)家的專家都致力于研究和提高潛油電泵的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性與先進(jìn)性，先后出現(xiàn)了許多新技術(shù)和新成果，并在采油實(shí)踐中取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。2.3.1.1電纜懸掛式潛油電泵美國(guó)Re

29、da公司研制了一種新型特殊結(jié)構(gòu)的電纜懸掛式潛油電泵，不用油管，利用電纜與鋼絲繩將潛油電泵下入井底，不動(dòng)管柱就可實(shí)現(xiàn)起下修泵。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明起下作業(yè)速度提高了1020倍。利用套管出油，降低了油流阻力，有利于提高潛油電泵的功率、效率、揚(yáng)程和排量，整套裝置的總效率提高了2030。對(duì)于168mm套管柱，如果采用電纜懸掛式潛油電泵采油，其揚(yáng)程可達(dá)到1200m，排量可達(dá)1000 ,常規(guī)潛油電泵在相同揚(yáng)程條件下，其排量只有500。2.3.1.2 動(dòng)力油管潛油電泵和潛油電泵用環(huán)形防噴器挪威Framo公司研制了動(dòng)力油管潛油電泵，它與動(dòng)力油管相連接，安裝在177.8mm油管之內(nèi)，井液經(jīng)油管和動(dòng)力油管之間的環(huán)

30、形空間上流到地面。動(dòng)力油管長(zhǎng)11.914.9m，最大外徑為88.9mm環(huán)形空間過(guò)流面積為0.0144m2，而外徑為139.7mm油管的過(guò)流面積只有0.0118m2，環(huán)形空間過(guò)流面積較大。動(dòng)力油管由標(biāo)準(zhǔn)油管和接頭組成，可成為井下設(shè)備和井下隔離液循環(huán)提供動(dòng)力。在動(dòng)力油管內(nèi)有一根同軸電纜，將電力傳送給井下電機(jī)，通電之后，加壓的液體由動(dòng)力油管向外排液，不會(huì)發(fā)生倒流的現(xiàn)象。其內(nèi)部液體有助于冷卻電機(jī)。變速驅(qū)動(dòng)裝置可使泵處于最佳工況抽油，并具有較好的軟啟動(dòng)特性。美國(guó)還研制了用于潛油電泵的環(huán)形防噴器。2.3.1.3 潛油電泵高壓電機(jī)美國(guó)ODI公司研制了潛油電泵用高壓電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是：可使電耗損隨著電壓增高而減少

31、，節(jié)約更多的動(dòng)力消耗，具有很好的使用經(jīng)濟(jì)性。實(shí)踐證明：較短時(shí)間所節(jié)約的費(fèi)用，就可以抵償變壓器和動(dòng)力電纜等消耗的費(fèi)用。ODI公司潛油電泵的高壓電機(jī)耐溫可達(dá)121149度，其結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)更合理，功率容量較高，運(yùn)行安全可靠。在大于140mm（5.5in）套管中，電動(dòng)機(jī)功率可達(dá)147.1kw；在大于178mm（7in）套管中，電動(dòng)機(jī)功率可達(dá)336.9kw。2.3.1.4 用空氣代替礦物油的高效電機(jī)美國(guó)MagenyGrande公司研制了利用空氣代替礦物油的高效電機(jī)，工作轉(zhuǎn)速為10500r/min，其優(yōu)點(diǎn)是：在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，具有較高的工作效率，使用方便，可靠性好，具有很好的使用經(jīng)濟(jì)效益。2.3.1.5

32、變頻驅(qū)動(dòng)潛油電泵美國(guó)研制和應(yīng)用了變頻驅(qū)動(dòng)潛油電泵，利用變頻調(diào)速改變潛油電泵的工作性能，可滿足各種油井最佳采油的需要，擴(kuò)大了潛油電泵的使用范圍。潛油電泵的排量與工作轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與工作轉(zhuǎn)速平方成正比。按這種變化規(guī)律可大幅度地調(diào)節(jié)排量與揚(yáng)程、與油井參數(shù)進(jìn)行合理匹配。變頻驅(qū)動(dòng)地頻率由30Hz增大到90Hz時(shí)，排量變化3倍，揚(yáng)程變化9倍。近年來(lái)，美國(guó)Reda公司和centrilift公司又研制了改進(jìn)型潛油電泵變頻驅(qū)動(dòng)裝置。Reda 公司研制的改進(jìn)型變頻驅(qū)動(dòng)裝置，利用微機(jī)監(jiān)控輸出電壓和頻率，具有診斷功能和關(guān)機(jī)等保護(hù)功能。Centrilift公司研制的改進(jìn)型變頻驅(qū)動(dòng)裝置，裝有數(shù)字顯示器，參數(shù)以數(shù)字形式在

33、表盤(pán)上顯示，很直觀。此外還增加了不平衡電流探測(cè)回路。2.3.1.6 動(dòng)力電纜卡箍美國(guó)FPH公司研制了一種新型潛油電泵動(dòng)力電纜卡箍，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特、新穎，可用一般鋼材、不銹鋼、蒙乃爾合金或鎳銅合金制成?？梢钥ㄗA形電纜、扁形電纜、電纜鞍和狹條形銷裝電纜等。適用于1AwG、2AwG、4AwG、6AwG等四種規(guī)格電纜，具有卡緊牢靠、防松脫等性能。經(jīng)過(guò)使用效果較好。新型電纜卡箍用氣動(dòng)打捆機(jī)和密封器張緊并扣鎖。2.3.1.7高壽命涂層軸承美國(guó)Vapor Kobe公司研制了煙氣體擴(kuò)散涂層工藝技術(shù)，用于潛油電泵的固定襯套和旋轉(zhuǎn)組成的滑動(dòng)軸承表面的涂層，具有較高的使用壽命。襯套位于泵的吸入端。軸承采用普通鋼制造

34、，利用煙氣體擴(kuò)散合金涂層后，其表面硬度較高，一般比鎢或淬火鋼表面的硬度還高。硬度大于HRC75。涂層厚度為0.0760.18mm這種煙氣體擴(kuò)散合金涂層，在工作時(shí)具有較好的軸承性能，不易破裂、脫落，還具有良好的抗腐蝕能力，而且軸承表面的摩擦系數(shù)很低，提高潛油電泵的工作效率、降低電纜消耗。這種涂層軸承，其成本比硬質(zhì)合金或陶瓷軸承還要低，造價(jià)便宜。被稱為高壽命涂層軸承。目前，美國(guó)已有數(shù)百臺(tái)潛油電泵應(yīng)用了高壽命涂層軸承，連續(xù)使用一年半以來(lái)，尚未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，是一種很值得推廣應(yīng)用的新工藝和新技術(shù)。2.3.1.8 防砂潛油電泵和耐腐蝕潛油電泵為了適應(yīng)出砂較多的油井采油需要，國(guó)外研制與應(yīng)用了防砂潛油電泵，與

35、常規(guī)潛油電泵不同的是：采用了分離砂結(jié)構(gòu)和排砂結(jié)構(gòu)?？砂咽椭械暮胺蛛x出來(lái)，并把砂子排出去，確保石油含砂量較低，提高泵葉輪和導(dǎo)輪以及軸承的使用壽命。此外，還采用了橡膠軸承，適應(yīng)含砂石油的需要。因?yàn)楦鞯貐^(qū)石油成分不同，有些地區(qū)石油中含有各種腐蝕介質(zhì)。（例如：含有等氣體以及含鹽水與氯離子等）對(duì)潛油電泵有很嚴(yán)重的腐蝕能力。為了適應(yīng)這些油井需要，國(guó)外研制與應(yīng)用了耐腐蝕潛油電泵，與常規(guī)潛油電泵不同的是采用了許多耐腐蝕材料，例如不銹鋼等材料。2.3.1.9 高效能潛油電泵美國(guó)ODI公司在潛油電泵的離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中作了如下改進(jìn)：1） 離心泵的所有葉輪均采用浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)。2） 利用小傾角代替平衡孔，可使液體流動(dòng)

36、平滑，還可以阻止砂礫進(jìn)入葉輪、導(dǎo)輪和軸承增大了離心泵的容積效率，還提高了離心泵的使用壽命。這種泵稱為高效能潛油電泵。2.3.1.10 自動(dòng)平衡葉輪離心泵法國(guó)AIstbom公司研究成功自動(dòng)平衡葉輪潛油電泵離心泵。其工作葉輪處于浮動(dòng)狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)液力的自動(dòng)平衡。2.3.1.11 井下潛油電泵傳感器和新型儀表美國(guó)ODI公司研制JDHS5000型井下潛油電泵傳感器，可將井底信號(hào)通過(guò)動(dòng)力電纜精確地傳送到地面，還可以打印出參數(shù)的數(shù)值。傳感器的測(cè)試工作壓力范圍為0.535.2Mpa，測(cè)試工作溫度范圍為-4149。測(cè)量精度為。美國(guó)還研制和應(yīng)用了新型潛油電泵儀表?？梢詼y(cè)量離心泵入口壓力和排出壓力：吸入口溫度；電機(jī)中

37、的礦務(wù)油溫；動(dòng)力電纜的絕緣等級(jí)等，可為地面提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，為判斷井下潛油電泵的工作狀態(tài)提供了主要依據(jù)。2.3.1.12 可回收潛油電泵單流閥美國(guó)BSM工具公司研制與應(yīng)用了可回收潛油電泵單流閥，它是由wJ型單流閥改進(jìn)的新結(jié)構(gòu)，包括兩種可以互換的柱塞、閥座等?？苫厥諠撚碗姳脝瘟鏖y的主要優(yōu)點(diǎn)是：其內(nèi)孔直徑較大，流道面積較大，適用于打排量采油，如果需要更換時(shí)，拆裝方便。wJ型單流閥適用于低壓頭淺井采油。可回收潛油電泵大直徑單流閥適用于高壓深井采油，增大了潛油電泵的使用范圍。2.3.1.13 用于高溫井采油的潛油電泵美國(guó)Reda公司對(duì)常規(guī)潛油電泵進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)和采用了新型耐高溫材料，研制與應(yīng)用了可以在井

38、溫232工況進(jìn)行采油的潛油電泵。這種高溫潛油電泵還可用于蒸汽驅(qū)熱采油井、地?zé)峋⒒痱?qū)井和其他高溫井開(kāi)采石油或其它液體。影響潛油電泵工作溫度的因素較多，主要由：井下環(huán)境溫度、采出液的比熱、注入蒸汽的溫度以及泵排液的速度等因素。2.3.1.14 高壽命潛油電泵美國(guó)在研究和改進(jìn)潛油電泵方面的重點(diǎn)是：提高動(dòng)力電纜的工作性能；加強(qiáng)保護(hù)器的功能和效能；提高電機(jī)的電壓以及提高潛油電泵在各種條件下的可靠性。美國(guó)新研制的適用于高氣油比、大排量采油的新型潛油電泵。采用了特殊的密封結(jié)構(gòu)形式，其密封效果相當(dāng)可靠，使用壽命較長(zhǎng)，平均修理間限期可以達(dá)到4年至8年，被稱為高壽命潛油電泵。2.3.1.15 振動(dòng)聲波法診斷潛油

39、電泵原蘇聯(lián)在研究和改進(jìn)潛油電泵方面的重點(diǎn)是：采用無(wú)管式潛油電泵；研究與改進(jìn)在各種工況條件下應(yīng)用的各種潛油電泵。例如：高溫、含砂、含氣、含腐蝕介質(zhì)等工況；應(yīng)用單線動(dòng)力電纜；采用開(kāi)式葉輪代替閉式葉輪等。原蘇聯(lián)廣泛采用了振動(dòng)聲波法診斷潛油電泵工況性能，利用這種方法不僅可以檢測(cè)潛油電泵機(jī)組的制造裝配以及修理質(zhì)量，而且還可以評(píng)價(jià)油井和潛油電泵的使用工況性能，實(shí)踐證明：振動(dòng)聲波法診斷潛油電泵的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益均較好。美國(guó)研制了新型潛油電泵診斷信息儲(chǔ)存系統(tǒng)，使用效果與經(jīng)濟(jì)效益液很好。2.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)是從1964年開(kāi)始進(jìn)行潛油電泵的研制和抽油試驗(yàn)，取得了比較好的效果。特別是近十年來(lái)，潛油電泵的制

40、造技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)在我國(guó)得到飛速的發(fā)展。為了加快發(fā)展我國(guó)潛油電泵，原國(guó)家經(jīng)委、對(duì)外貿(mào)易部及時(shí)地以技貿(mào)結(jié)合方式安排天然氣總公司和機(jī)電部由天津市共同引進(jìn)美國(guó)潛油電泵制造技術(shù)。于1986年6月與美國(guó)Reda公司簽署了制造潛油電泵許可證合同，技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)850萬(wàn)美元。引進(jìn)地潛油電泵主要有：5.5in、7in套管兩個(gè)系列，16種泵型，REDALERT電機(jī)控制器PCC，以及5種型號(hào)動(dòng)力電纜和3種型號(hào)引出電纜。目前，天津市電機(jī)廠制造地Reda潛油電泵主要材料已經(jīng)基本國(guó)產(chǎn)化。主要有電機(jī)繞組線、糟絕緣、浸漬漆、電機(jī)礦構(gòu)油、接頭材料、電纜連接材料、電纜頭灌注膠、電機(jī)和離心泵外殼、止推軸承材料等。此外還能生產(chǎn)一些潛油電

41、泵的部件，例如沉降式保護(hù)器、膠囊保護(hù)器、井下壓力溫度檢測(cè)裝置、電機(jī)控制器PCC等。目前天津市電機(jī)廠已形成了年產(chǎn)1200套潛油電泵的制造能力，產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)接近或達(dá)到美國(guó)Reda公司的潛油電泵水平。這些潛油電泵投入我國(guó)各油田使用，為更經(jīng)濟(jì)有效地開(kāi)發(fā)我國(guó)石油作出了卓越貢獻(xiàn)。替代了進(jìn)口產(chǎn)品，為國(guó)家節(jié)省了大量外匯。在引進(jìn)美國(guó)Reda公司潛油電泵制造技術(shù)的同時(shí)，通過(guò)試制與試驗(yàn)對(duì)國(guó)外潛油電泵有了進(jìn)一步深入了解，并將這些先進(jìn)技術(shù)用于改進(jìn)我國(guó)原有的潛油電泵，使原有的潛油電泵技術(shù)水平大幅度地向前推進(jìn)一步。我國(guó)自1981年開(kāi)始在油田大規(guī)模使用潛油電泵抽油，幾十年來(lái)潛油電泵的應(yīng)用有了較大的發(fā)展。日前全國(guó)共計(jì)有潛油電泵

42、井3700多口，占全國(guó)總生產(chǎn)井?dāng)?shù)的6.7，產(chǎn)量占全國(guó)原油總產(chǎn)量的20.7左右，平均檢泵周期在1年左右。以大慶油田為例，目前共有1900多口潛油電泵井，占全油田井?dāng)?shù)的17.3，潛油電泵井產(chǎn)量占全油田總產(chǎn)量的37左右，檢泵周期到達(dá)800多天，最長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間已超過(guò)10年。同時(shí)，通過(guò) 十年的發(fā)展，在潛油電泵采油工藝技術(shù)上應(yīng)用和發(fā)展了潛油電泵測(cè)壓閥、不壓井分采管柱以及潛油電泵井防氣等一系列配套工藝技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著潛油電泵應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)潛油電泵提出了許多新的要求。另一方面由于新產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā)、機(jī)組的更新改造以及潛油電泵采油工藝的發(fā)展。使?jié)撚碗姳玫膽?yīng)用領(lǐng)域更廣闊，應(yīng)用水平也不斷得到提高。3 動(dòng)態(tài)模擬技

43、術(shù)介紹與選擇3.1系統(tǒng)模擬概述模擬是利用計(jì)算機(jī)模型模擬復(fù)雜的系統(tǒng)和事件的行為，通過(guò)對(duì)不同的情況和方案進(jìn)行比較，得到對(duì)系統(tǒng)和事件更深層次的認(rèn)識(shí)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，模擬已在不同的領(lǐng)域如醫(yī)學(xué)、航空、交通、結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，并得到了可喜的進(jìn)展4。在流體領(lǐng)域如水工、海工方面，先是由經(jīng)典的物理模型試驗(yàn)逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)值模擬計(jì)算。數(shù)值模擬計(jì)算充分利用了計(jì)算機(jī)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，將流體的特征如流速、流向、含沙量等以數(shù)值的形式給出，具有投入較小、周期較短的優(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。如馬福喜5對(duì)水流的數(shù)值模擬。數(shù)值模擬計(jì)算的不足之處在于其數(shù)據(jù)量的龐大和結(jié)果的不夠直觀，特別是對(duì)于復(fù)雜流場(chǎng)和復(fù)雜邊界進(jìn)行整理分析

44、、加工時(shí)更顯繁瑣。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)圖形、圖像技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了可視化技術(shù)，在計(jì)算流體力學(xué)方面已得到了應(yīng)用，如朱松林6等和將流體的計(jì)算結(jié)果以圖形的方式表示出來(lái)，具有一定的直觀性。但是由于流場(chǎng)的流動(dòng)性和過(guò)程性，用靜態(tài)的圖形往往不能起到充分展示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的效果，而采用動(dòng)態(tài)模擬則可以達(dá)到全局通覽從而發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的目的，并可預(yù)演其變化過(guò)程。近年來(lái)迅速發(fā)展的多媒體技術(shù)集中了圖像和聲音的功能，可以把數(shù)值模擬計(jì)算中枯燥的數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)圖像的方式予以逼真演示，同時(shí)輔以同步的音樂(lè)及解說(shuō)，從而達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的效果，有利于人們對(duì)問(wèn)題的深入理解和認(rèn)識(shí)以及設(shè)計(jì)者與決策者之間的相互溝通與交流。由于多媒體技術(shù)近年來(lái)才開(kāi)始發(fā)展，所以

45、國(guó)內(nèi)外在流體方面的研究也是剛剛興起7。模擬類型模型類型計(jì)算機(jī)類型經(jīng)濟(jì)性物理模擬物理模型模擬計(jì)算機(jī)費(fèi)用很高半物理模擬(混合模擬)物理數(shù)學(xué)模型混合計(jì)算機(jī)費(fèi)用中等計(jì)算機(jī)模擬(數(shù)字模擬)數(shù)學(xué)模型數(shù)字計(jì)算機(jī)費(fèi)用不高83.2.1 工藝過(guò)程、操作程序的確認(rèn)和設(shè)計(jì)檢驗(yàn) 1）在模型上檢驗(yàn)工藝過(guò)程參數(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性 2）標(biāo)準(zhǔn)工藝操作程序的確定和檢驗(yàn) 3.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)和測(cè)試 1）DCS系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的確認(rèn)和檢查 2）特殊控制邏輯的檢驗(yàn) 3）控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)試 4）局部控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)修改和驗(yàn)證等 3.2.3 生產(chǎn)操作人員培訓(xùn) 1）新建廠在開(kāi)車前的操作人員培訓(xùn)2）模擬開(kāi)車步驟，模擬DCS系統(tǒng)操作，探討合理的

46、開(kāi)車順序和時(shí)間等，培訓(xùn)操作人員熟練掌握生產(chǎn)操作的技能。 3）工廠投產(chǎn)及正常運(yùn)行后的操作人員培訓(xùn)4）模擬生產(chǎn)操作異常情況, 緊急停車，設(shè)備故障等，培訓(xùn)操作人員現(xiàn)場(chǎng)處理 事故和故障診斷的能力。 5）新進(jìn)廠操作人員培訓(xùn) 6）操作人員技能認(rèn)證 7）工廠維護(hù)訓(xùn)練 3.2.4 技術(shù)學(xué)校、中等專業(yè)學(xué)校的教學(xué)實(shí)習(xí)系統(tǒng)3.3 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，給許多學(xué)科帶來(lái)了巨大的影響。計(jì)算機(jī)不但使問(wèn)題的求解變得更加方便、快捷和精確，而且使得解決實(shí)際問(wèn)題的領(lǐng)域更加廣泛。計(jì)算機(jī)適合于解決那些規(guī)模大、難以解析化以及不確定的數(shù)學(xué)模型。例如對(duì)于一些帶隨機(jī)因素的復(fù)雜系統(tǒng)，用分析方法建模常常需要作許多簡(jiǎn)化假設(shè)，與

47、面臨的實(shí)際問(wèn)題可能相差甚遠(yuǎn)，以致解答根本無(wú)法應(yīng)用，這時(shí)模擬幾乎成為人們的唯一選擇。在歷屆的美國(guó)和中國(guó)大學(xué)生的數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽（MCM）中，學(xué)生們經(jīng)常用到計(jì)算機(jī)模擬方法去求解、檢驗(yàn)等。計(jì)算機(jī)模擬(computer simulation)是建模過(guò)程中較為重要的一類方法。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是一種先進(jìn)生產(chǎn)力，近年來(lái)來(lái)在我國(guó)發(fā)展迅速，已在各領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。并已擴(kuò)展到產(chǎn)品的全生命周期：方案論證、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用、維護(hù)和訓(xùn)練9。系統(tǒng)模擬是在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)的模擬，是非常有效的和廣泛使用的分析、研究復(fù)雜系統(tǒng)的技術(shù)。在一定假設(shè)條件下，利用數(shù)學(xué)運(yùn)算模擬系統(tǒng)的運(yùn)行，稱為數(shù)學(xué)模擬?，F(xiàn)代的數(shù)學(xué)模擬都是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行

48、的，因此也稱為計(jì)算機(jī)模擬，簡(jiǎn)稱模擬(simulation)。 模擬分為靜態(tài)模擬(static simulation)和動(dòng)態(tài)模擬(dynamic simulation)。數(shù)值積分中的蒙特卡洛方法是典型的靜態(tài)模擬。動(dòng)態(tài)模擬又分為連續(xù)系統(tǒng)模擬和離散系統(tǒng)模擬。狀態(tài)隨著時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)，稱為連續(xù)系統(tǒng)(continuous system)。對(duì)連續(xù)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬是近似地獲取系統(tǒng)狀態(tài)在一些離散時(shí)刻點(diǎn)上的數(shù)值。在一定假設(shè)條件下，利用數(shù)學(xué)運(yùn)算模擬系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。連續(xù)系統(tǒng)模型一般是微分方程，它在數(shù)值模擬中最基本的算法是數(shù)值積分算法。例如有一系統(tǒng)可用微分方程來(lái)描述 已知輸出量y的初始條件，現(xiàn)在要求出輸出量y隨時(shí)間

49、變化的過(guò)程。最直觀的想法是：首先將時(shí)間離散化，令，稱為第k步的計(jì)算步距（一般是等間距的），然后按以下算法計(jì)算狀態(tài)變量在各時(shí)刻上的近似值 其中初始點(diǎn)按照這種作法即可求出整個(gè)的曲線。這種最簡(jiǎn)單的數(shù)值積分算法稱為歐拉法。除此之外，還有其他一些算法。 因此，連續(xù)系統(tǒng)模擬方法是：首先確定系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)變量，然后將它在時(shí)間上進(jìn)行離散化處理，并由此模擬系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。離散系統(tǒng)(discrete system)是指系統(tǒng)狀態(tài)只在有限的時(shí)間點(diǎn)或可數(shù)的時(shí)間點(diǎn)上有隨機(jī)事件驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。狀態(tài)量的變化只在離散的隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生。假設(shè)離散系統(tǒng)狀態(tài)的變化是在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上瞬間完成的。為了模擬離散系統(tǒng)，必須設(shè)置一個(gè)模擬時(shí)鐘(sim

50、ulate clock)，它能將時(shí)間從一個(gè)時(shí)刻向另一個(gè)時(shí)刻進(jìn)行推進(jìn)，并且能隨時(shí)反映系統(tǒng)時(shí)間的當(dāng)前值。其中，模擬時(shí)間推進(jìn)方式有兩種，下次事件推進(jìn)法和均勻間隔時(shí)間推進(jìn)法。常用的是下次事件推進(jìn)法。其過(guò)程是：置模擬時(shí)鐘的初值為0，跳到第一個(gè)事件發(fā)生的時(shí)刻，計(jì)算系統(tǒng)的狀態(tài)，產(chǎn)生未來(lái)事件并加入到隊(duì)列中去，跳到下一事件，計(jì)算系統(tǒng)狀態(tài)，重復(fù)這一過(guò)程直到滿足某個(gè)終止條件為止。3.3.1 動(dòng)態(tài)顯示的原理 高速地顯示一系列靜止圖像，當(dāng)圖像過(guò)渡連續(xù)時(shí)，由于視覺(jué)的暫留，便可產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)效果。制作動(dòng)畫(huà)的商業(yè)軟件很多，如Animator and Power Animator和3DS等，但由于其主要針對(duì)較規(guī)則的對(duì)象，在機(jī)械、建筑

51、和廣告業(yè)方面應(yīng)用較好，若用于描述流場(chǎng)的變化，則不太適合。由于目前Windows操作系統(tǒng)的廣泛使用，使用其支持的位圖格式可以自己設(shè)計(jì)調(diào)色板以顯示多種顏色，具有較多的優(yōu)點(diǎn)；且流行的編程工具如Visual C+、Visual Basic都有豐富的函數(shù)庫(kù)提供支持，故系統(tǒng)采用位圖格式作為幀畫(huà)面的存儲(chǔ)格式。 播放間隔的調(diào)整及解說(shuō)音樂(lè)的同步在動(dòng)畫(huà)播放過(guò)程中，幀與幀之間的間隔時(shí)間對(duì)其效果的好壞具有很大的影響。在不同配置的機(jī)器上，由于計(jì)算速度及顯示速度的差異較大，產(chǎn)生的效果也有很大的差別。通過(guò)Windows內(nèi)部的定時(shí)消息函數(shù)可以控制兩幀間的播放間隔，通過(guò)對(duì)消息函數(shù)的控制可以任意高速兩幀間的間隔以達(dá)到最佳效果，同

52、時(shí)對(duì)鼠標(biāo)消息和鍵盤(pán)消息的處理可暫停播放以充分觀察某時(shí)刻動(dòng)畫(huà)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。聲音在多媒體演示中具有重要的作用。適當(dāng)?shù)谋尘耙魳?lè)及解說(shuō)可以很大程度地潤(rùn)色演示效果，聲音與畫(huà)面同步可以讓人更容易理解演示中細(xì)微的變化過(guò)程。通過(guò)建立輔助線程，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)與聲音的同步。3.4 各類計(jì)算機(jī)模擬方法的比較計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)（Computer Animation）是指借助計(jì)算機(jī)生成一系列可供動(dòng)態(tài)演示的連續(xù)圖像的計(jì)算機(jī)技術(shù)，既利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形原理和成像方法等技術(shù)在屏幕上以動(dòng)態(tài)、直觀、立體和彩色的方式顯示物體運(yùn)動(dòng)的圖形技術(shù)。計(jì)算機(jī)圖形動(dòng)態(tài)模擬就是利用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)的原理來(lái)模擬種種隨時(shí)間變化的物理現(xiàn)象與系統(tǒng)過(guò)程的一種技術(shù)。它通過(guò)將屏

53、幕上顯示出來(lái)的圖形按預(yù)定的規(guī)律和要求進(jìn)行變化，以形象、動(dòng)態(tài)、直觀和多層次的形式為所研究的客觀事物提供客觀、可靠和逼真的描述，從而生動(dòng)、準(zhǔn)確的反映事物的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。目前，這一技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試（CAT）等領(lǐng)域10。 計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)可以通過(guò)各種動(dòng)畫(huà)制作軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如Explore、Advanced Visualiger和Solid Works等。這類動(dòng)畫(huà)圖形制作軟件能夠較完美的制作出動(dòng)畫(huà)系統(tǒng)，但不具備高級(jí)語(yǔ)言的計(jì)算和管理功能，不能交互的利用圖形、計(jì)算和文件等重要功能。一些高級(jí)語(yǔ)言如Turbo Pascal、Turbo C和Fortran的最新版本，也都增加了動(dòng)

54、畫(huà)制作功能，但這些高級(jí)語(yǔ)言的圖形建模、顯示以及動(dòng)畫(huà)顯示等原理較復(fù)雜，對(duì)開(kāi)發(fā)人員的編程技術(shù)要求較高，開(kāi)發(fā)周期也較長(zhǎng)，因此不易于推廣普及。 下面我們介紹另一種動(dòng)畫(huà)制作軟件3DStudioMAX。它運(yùn)行于Windows等多數(shù)操作系統(tǒng)中，其工程環(huán)境包括菜單欄、工具欄、命令面板、狀態(tài)欄/視角控制。建模過(guò)程中，除非開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行Collapse操作，MAX將把所有對(duì)象保存為參數(shù)化對(duì)象，這樣就有利于開(kāi)發(fā)者在后期制作過(guò)程中對(duì)模型的進(jìn)一步修改與完善。為便于開(kāi)發(fā)人員建模操作，MAX為用戶提供了大量編輯修改器，允許用戶應(yīng)用網(wǎng)格、面片、等多種手段進(jìn)行面向型的建模操作，同時(shí)用戶還可以從節(jié)點(diǎn)、邊和表面等切入點(diǎn)對(duì)既定的型進(jìn)行

55、次對(duì)象層次上的編輯與修改。同時(shí)，MAX還提供了豐富而全面的動(dòng)畫(huà)制作、編輯與控制工具。此外，關(guān)鍵幀技術(shù)(key frame)和各種動(dòng)畫(huà)控制器的應(yīng)用以及第三方廠商提供的各種配套系統(tǒng)，給用戶提供了豐富的開(kāi)發(fā)手段。因此，采用3DStudioMAX作為潛油電泵井下工作狀況動(dòng)態(tài)模擬的開(kāi)發(fā)工具能夠滿足要求。3.5 3DS MAX5.0簡(jiǎn)介113.5.1 工具條 工具條被分為Main Toolbar（主工具欄），Axis Constraints（軸約束欄）和Layers（層工具欄）三部分。在主工具欄(如圖14)中，選擇區(qū)域工具中新增了一種Lasso Selection Region(套索選擇范圍)，我們可以用

56、鼠標(biāo)畫(huà)出我們需要選擇的范圍(如圖15)。圖14 主工具欄圖15選擇模式按鈕、鎖定按鈕和快捷鍵開(kāi)關(guān)被移到了主工具欄中，當(dāng)我們要使用非主界面的快捷鍵時(shí)一定要將此快捷鍵開(kāi)關(guān)打開(kāi)。在原有的簡(jiǎn)單的選擇集的基礎(chǔ)上新增了一個(gè)選擇集工具，我們可以通過(guò)此工具對(duì)定義的選擇集進(jìn)行編輯。軌跡視圖現(xiàn)在分為曲線編輯視圖和攝影表視圖，單擊此鈕默認(rèn)狀態(tài)下打開(kāi)的是曲線編輯視圖。軸向約束工具(如圖16)脫離出主工具欄，我們可以將其放置在自己認(rèn)為比較習(xí)慣的位置。此工具條可以通過(guò)用鼠標(biāo)右擊工具欄的空白區(qū)域，在彈出的菜單中選擇相應(yīng)的命令來(lái)控制此工具欄的顯示或關(guān)閉。圖16 軸向約束工具3.5.2 狀態(tài)條 視圖下方的狀態(tài)條區(qū)域主要用于對(duì)動(dòng)

57、畫(huà)的制作進(jìn)行控制。通過(guò)單擊時(shí)間滑塊左側(cè)的按鈕（如圖17），可以在軌跡視圖和時(shí)間滑塊之間進(jìn)行切換。坐標(biāo)輸入框不再只能顯示物體的坐標(biāo)，我們可以通過(guò)輸入數(shù)值來(lái)移動(dòng)物體的位置，這樣坐標(biāo)輸入框的功能已經(jīng)變的很實(shí)用。3DS MAX5.0中新增的手動(dòng)添加關(guān)鍵幀取代了老牌的自動(dòng)添加關(guān)鍵幀的位置，成為3DS MAX5.0主要的關(guān)鍵幀添加方法，自動(dòng)添加關(guān)鍵幀退到了相對(duì)次要的位置。圖173.5.3 3DS MAX5.0的建模方法3DS MAX中提供的建模方法有三種：多邊形建模、面片建模和NURBS建模。多邊形建模技術(shù)是基于這樣一種理論：從現(xiàn)實(shí)生活提取出來(lái)的幾何形體是由被稱為面的許多互相連接的小三角形組成，每個(gè)面有不同的尺寸和方向.通過(guò)排列這些面，可以用非常簡(jiǎn)單的三維模型建立起來(lái)非常復(fù)雜的三維模型，并且多邊形可以很容易地被制作成動(dòng)畫(huà)。這些理論實(shí)際