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排除用于人工舉升作業的強力永磁電機（電機也可稱作馬達），石油公司正在制約其在環境和效率方面的收益。
 
    與IMs（Standard induction motors標準電磁感應電機）相比，PMMs（Permanent magnet motors永磁電機）具有性能改善的潛力，但安全問題制約了PMMs在石油和天然氣開發中的應用。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、更高效作業的可行選擇，也是一種更好的替代方案。
 
了解問題所在
 
    與大多數由IMs供電的傳統 ESP（ Electric submersible pumps電潛泵）系統不同，PMMs的供電系統在轉子中采用了嵌入式的永磁體，如圖 1 所示。這樣就消除了感應損耗，從而大幅提高了電機的工作效率。
 
 
圖1
    不過，IMs和PMMs這兩種電機的功能方式存在著關鍵性的差異。在在一部PMM中使用一塊永磁體，這意味著即使電機沒有通電，轉子的磁場也始終保持開啟狀態。雖然這兩種電機的定子線圈都攜帶交流電，產生旋轉磁場轉動轉子，但當一部PMM在ESP內正轉或反轉時則起到了一臺交流發電機的作用。
 
    與IMs不同，如果井下流體以足夠大的流動力流過ESP，那么PMMs就可產生致命的電荷（~額定旋轉時的額定電壓）。當然，只要現場工作人員遵循為最大限度地降低風險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，大多數的IMs都是以VSDs（variable speed drives變速驅動）方式工作的，而一部PMM必須擁有一個VSD來實現所需的精確速度/轉速控制，以便在啟動期間保持同步性，在電機運行期間控制不同的負載。盡管市場上用于ESP作業和優化的產品通常已對VSDs進行了標準化設定，但并非所有的VSDs都能操作PMMs。現有的、已展示過其性能的VSDs還需要進行驗證，以避免額外、費用昂貴的外觀升級。
 
    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約50%的物理長度而產生相同的馬力，或者比相同規格的電機產生更高的馬力。PMMs的結構還允許其擁有更好的公差，或者說能容忍IMs的一項已知的限制指標，從而提高電機的可靠性和使用壽命。PMMs還能產生較少的熱量，從而減少電機運轉過程中的熱疲勞。因此，一只PMM的預期使用壽命要比一只IM的預期使用壽命高出30%，從而可降低昂貴的ESP作業井的修井和維護費用。
 
實現性能指標
 
從使用IM轉換為使用PMM最有說服力的原因之一就是它能提高效率，同時還能減少原油生產對環境帶來的影響。
 
一部IM的效率通常為78%至84%，主要由轉子電流感應引起的能量損失所決定。而PMMs不會經歷明顯的轉子電流損失，其效率可高達93%。與IMs相比，一部PMM能在一個更寬的負載范圍內保持更高、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度更短的電機組合體產品能使一部PMM被放置在更深的小井眼中，以及斜井的井筒中，使其更靠近產層，擴大了ESPs井下作業的靈活性，即便儲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險
    不可否認，PMMs已經造成過嚴重的事故，但適當的培訓和作業程序可以將這些風險降至最低。
 
2023年3月頒布的API RP 11S9“永磁電機安全使用標準”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時將其從服務中移除的操作指南。這些指南是由行業專家共同制定的，包括貝克休斯的參與，他們根據對PMMs的深入了解以及在現場與其合作的豐富經驗，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標準外，安裝PMMs還須嚴格遵守可降低現場工人操作風險的作業程序。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始終是一個潛在電源的事實。關鍵的程序差異包括：必須更嚴格地遵守現有的最佳實踐，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，要確認不存在電壓。還需要個人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程中或與導電體接觸時尤為重要。隔離程序也適用，例如在VSDs工作時要斷開與井下設備的連接。
 
    最后，現場標識牌應表明PMMs正在使用中，因此沒有人會錯誤地認為此時IMs程序也適用此現場的安裝、故障排除、維護或拆卸。
 
驅動優化
 
盡管目前大多數ESPs都使用了VSDs，但并非所有的VSDs都能操作PMMs，因此驅動器的選擇非常重要。
 
    雖然可以使用一種標量的或V/Hz的VSD來運行一部PMM，但還是建議使用更先進的方法，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的電流，確保電機能更好地產生扭矩、調節轉速，提高電機的整體性能。
 
    與傳統ESP的VSD控制不同，矢量控制可將電壓與頻率解耦，從而能獨立控制磁通量和電機轉速。單獨控制磁通量有它的好處，具有解鎖持續優化電壓和電流的功能，無論工作負載如何波動，PMMs都能確保最佳性能。
 
安全模塊可降低操作風險
 
使用一部PMM最令人擔憂的一個問題就是電機的轉子總是會被磁化。當ESP向任何一個方向快速旋轉電機時，則會產生危險的反電動勢。在日常作業期間，包括發生以下情形，當ESP驅動PMMs時，可能會因反電動勢而產生電壓，包括：流體回退/回落；油井干預/ESP故障排除；ESP安裝和拆卸；發生井涌 。
一旦發生上述情況產生反電動勢時，在流體回退/回落狀況下可能需要長達一個小時的時間才能穩定下來。
 
    從歷史上看，該行業一直依靠行政安全控制來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因人工操作出錯而帶來惡劣影響。在正常操作期間，這些工具幾乎不能提供什么保護，安裝后還需要額外的操作來設定和拉動，而且，其中許多工具都會出現磨損，因為這些工具是在生產流體或原油開采過程中進行操作的。
 
    有一個更好的解決方案。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）。該設計旨在防止產生表面電壓，實現更安全的操作，其功能類似于電機的延伸部分，由于模塊是在機油中運轉，因此，可以保護其免受井下環境影響。
 
 
圖3
    安全模塊采用特殊的離合器進行操作。當電機向前旋轉時，離合器的制輪器能使其平穩接合，從而驅動ESP工作。但是，如果ESP試圖向同一方向轉動電機時，離合器則會脫離，從而阻止扭矩傳遞。這就有效地斷開了ESP與電機之間的連接，使安全模塊能夠充當了一個單向屏障。當ESP試圖向相反的方向轉動電機時，離合器則會以不同的方式吸合，將ESP的扭矩傳遞到設備外殼，從而防止扭矩傳遞給電機。
 
    安全模塊可防止ESP反向旋轉，確保電力傳輸是單向的，這使得安全模塊在ESP和PMM的應用中特別有用，在這些應用中，電機在非工作狀態時應保持靜止，防止PMM產生潛在的危險電壓。
 
安全模塊投入現場試用
 
貝克休斯為我們400系列的PMM開發了安全模塊，并將該設計擴展到我們PMM系列的其余部分。為每部電機開發的模塊都進行了一系列的現場試驗，以確保操作的完整性，并收集了有價值的性能數據。功能測試可測量功率輸出、高溫環境下的性能、倒旋轉、耐用性和保持扭矩的能力。
 
    在送往現場之前，每個安全模塊都要經過工廠驗收測試，包括扭矩測試，以驗證從電機到密封件的額定扭矩（操作方向）和扭矩鎖定驗證（反操作方向），以及檢查旋轉過程中功率消耗的旋轉測試。
 
    非傳統油井和常規油井的現場試驗數據包括425馬力、6000桶/日、9,500英尺設定深度和 235°F（112.8℃）流體溫度。試驗結果顯示，性能一致、可靠，沒有發生可記錄的安全事故。
 
改變現狀
 
    降低與傳統PMMs相關的風險，為加速采用打開了大門。在北美常規和非傳統油井施工中，在一系列操作環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，結果表明，與安全模塊相結合的一體化的PMMs，可以安全地應用于石油和天然氣開發行業，這種設備能提供更高的功率密度，達到更低的功耗，還能降低碳排放，從而實現更清潔、更高效的油氣生產。