井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵技術(shù)研究進(jìn)展

張 琴 胡祺豪 張慢來 周志宏 謝麗芳

（1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2 中國人民解放軍91746 部隊(duì)，中國 北京 100000）

0 引言

井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵技術(shù)是將柱塞式抽油泵與直線電機(jī)結(jié)合為一體的新型無桿采油方式[1]。直線電機(jī)置于井下，其動子與抽油泵的柱塞直接或通過接箍相連，電機(jī)通電后，通過電機(jī)動子的往復(fù)直線運(yùn)動帶動柱塞在抽油泵泵筒內(nèi)上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)舉升抽油的功能。該技術(shù)可以提高采油效率，降低采油成本，因而受到國內(nèi)石油行業(yè)的普遍關(guān)注。

1 特點(diǎn)

與傳統(tǒng)有桿抽油方式相比，井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵技術(shù)主要具有以下特點(diǎn)：

（1）高效節(jié)能。用直線電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，雖然直線電機(jī)的功率因素較低[2]，但由于直線電機(jī)直接驅(qū)動抽油泵，省去了抽油桿、抽油機(jī)等中間傳動機(jī)構(gòu)，能量損失減小，系統(tǒng)總效率大大提高。

（2）可靠性高，維護(hù)費(fèi)用低。用柱塞式抽油泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的抽油機(jī)，井口和抽油泵之間無抽油桿，從根本上杜絕了桿管偏磨等一系列問題的發(fā)生，提高了采油系統(tǒng)壽命，使檢泵周期大大延長。

盡管直線電機(jī)在國內(nèi)已經(jīng)有二、三十年的發(fā)展歷史，但將直線電機(jī)用于井下采油尚存在諸多不完善的地方，需要進(jìn)一步探索系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性，目前，主要存在以下幾個(gè)方面的問題：

（1）由于井底空間限制，直線電機(jī)必須設(shè)計(jì)成細(xì)長結(jié)構(gòu)，對直線電機(jī)的剛度和強(qiáng)度要求較高。

（2）井下溫度高、散熱條件差、腐蝕大[3]，對直線電機(jī)的耐溫性能、耐腐蝕性能、潤滑性能和密封性能等要求苛刻，設(shè)計(jì)難度較大。

（3）電源電壓波動對直線電機(jī)的啟動推力影響較大，需要采取相關(guān)措施保證電壓的穩(wěn)定。

（4）直線電機(jī)的推力與電機(jī)體積成正比，泵掛深度受到電機(jī)長度的限制。

（5）井下泵送參數(shù)的傳輸誤差和控制精度的處理。

鑒于以上問題，井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵技術(shù)的應(yīng)用受到一定的限制，比較適合低產(chǎn)低效油井，適用于小排量、低行程、低沖次以及頻繁換向采油工作。

2 研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，運(yùn)用直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵進(jìn)行采油還處于試驗(yàn)開發(fā)階段，專用抽油泵多為專利產(chǎn)品。陳明磊于2001年發(fā)明了一臺直線電機(jī)往復(fù)泵[4]，泵與直線電機(jī)直聯(lián)，柱塞采用永磁體，配有控制閥，通過控制器改變柱塞往復(fù)運(yùn)動的頻率、行程和速度以實(shí)現(xiàn)變流量泵送的功能，但此泵并不適合長期處于井下高溫高壓的惡劣環(huán)境中。2004年，山東科技大學(xué)和華北油田公司提出井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵的設(shè)想[5]。2005年，西南石油大學(xué)張茂和魏秦文等人設(shè)計(jì)了一種直線電機(jī)采油泵[6]，此泵可以在最大井斜超過85°的低產(chǎn)油井和稠油井中穩(wěn)定運(yùn)行。大慶油田于2005年進(jìn)行了井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵的現(xiàn)場試驗(yàn)并獲得了成功，與普通抽油泵相比，更加節(jié)電，泵效和系統(tǒng)效率均大大提升[7]。

從2007年開始，長慶油田第一采油廠在安塞油田進(jìn)行了井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵試驗(yàn)。2007 至2008 兩年間，篩選了四口油井進(jìn)行前期試驗(yàn)，出現(xiàn)電纜嚴(yán)重破損、直線電機(jī)生銹卡死、頻繁結(jié)蠟過載保護(hù)等問題。為避免上述問題的發(fā)生，于2008年進(jìn)行工藝技術(shù)改進(jìn)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高。截止2010年，已在十九口井試驗(yàn)成功，實(shí)施效果較好[8]。遼河油田同樣應(yīng)用了井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵技術(shù)，截至2010年5月，沈陽采油廠前部分油井已平穩(wěn)生產(chǎn)十一天，產(chǎn)液560噸，出原油12.1 噸[9]。自從2010年，在蘇北油田的側(cè)蘇149 號井應(yīng)用了井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵技術(shù)之后，與之前的抽油機(jī)相比，免修期大大延長，節(jié)電量也大幅度提高。隨著直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵技術(shù)的發(fā)展，蘇北油田對直線電機(jī)采油參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[2]。

在直線電機(jī)抽油泵設(shè)計(jì)方面，關(guān)鍵是提高泵閥在一定油井參數(shù)、沖程和沖次工況下的工作性能。2010年，中國石油大學(xué)、中國石油天然氣管道科研院和西南石油大學(xué)等單位運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)方法（CFD）對自行設(shè)計(jì)的直線電機(jī)抽油泵的固定閥進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到閥球的運(yùn)動規(guī)律和最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)[10]。2011 至2012年，東北石油大學(xué)姜民政教授設(shè)計(jì)了一種井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵系統(tǒng)，采用圓筒型的永磁式直線同步電機(jī)，建立了直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵系統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)臺裝置，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在嚴(yán)重的發(fā)熱現(xiàn)象，并得到了系統(tǒng)性能的變化規(guī)律和影響因素[11-12]。

3 系統(tǒng)方案

根據(jù)柱塞數(shù)目以及電機(jī)與柱塞的位置關(guān)系，直線電機(jī)抽油系統(tǒng)方案大體可分為以下三種。

3.1 方案一

井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵系統(tǒng)主要由圓筒型直線電機(jī)、柱塞式抽油泵、進(jìn)出液旁通管、進(jìn)出液旁通閥、保持系統(tǒng)平衡的油管、游動閥和密封環(huán)組成，直線電機(jī)位于柱塞式抽油泵上方，直線電機(jī)動子和平衡油管外分別形成兩個(gè)環(huán)形空腔。此方案的工作原理為：當(dāng)直線電機(jī)向上運(yùn)動時(shí)，抽油泵的柱塞和平衡油管在直線電機(jī)動子的帶動下亦向上運(yùn)動，使直線電機(jī)動子外的環(huán)形空腔內(nèi)液體壓力增加，推開游動閥，進(jìn)入平衡油管外的環(huán)形空腔，實(shí)現(xiàn)進(jìn)液過程；當(dāng)直線電機(jī)向下運(yùn)動時(shí)，抽油泵的柱塞和平衡油管在直線電機(jī)動子的帶動下亦向下運(yùn)動，使直線電機(jī)動子外的環(huán)形空腔內(nèi)液體壓力減小，游動閥自行關(guān)閉，平衡油管外的環(huán)形空腔內(nèi)液體壓力升高，升高到一定值時(shí)推開出液旁通閥，流進(jìn)出液旁通管，實(shí)現(xiàn)排液過程。通過直線電機(jī)不停地上下運(yùn)動，使進(jìn)液和排液過程不斷地重復(fù)，從而將井內(nèi)液體源源不斷地泵送至地面[5]。此方案是山東科技大學(xué)和華北油田公司在2004年利用井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵的設(shè)想時(shí)提出的，但一直未進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 方案二

此方案與方案一顯著不同的是直線電機(jī)位于柱塞式抽油泵下方，固定閥位于兩個(gè)游動閥上方，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡化。直線電機(jī)帶動柱塞向下運(yùn)動時(shí)，容積腔體積增大，壓力減小，游動閥開啟，固定閥關(guān)閉，液體通過柱塞桿與泵筒之間的環(huán)形間隙以及柱塞桿上的通孔，流入游動閥閥腔，進(jìn)而進(jìn)入容積腔；直線電機(jī)帶動柱塞向上運(yùn)動時(shí)，容積腔內(nèi)液體被擠壓，壓力增大，游動閥的閥球自動關(guān)閉，固定閥的閥球在壓差作用下脫離閥座，使固定閥開啟，容積腔中的液體通過閥座內(nèi)孔進(jìn)入閥罩，經(jīng)閥球與閥罩內(nèi)壁之間空隙流向閥罩出口繼而被舉升至地面。柱塞上行程結(jié)束，閥球落入閥座關(guān)閉[13]。安塞油田、西南石油大學(xué)和中國石油大學(xué)采用此方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并獲得了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 方案三

井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵系統(tǒng)主要由直線電機(jī)、上下柱塞式抽油泵、尾管、油管、篩管組成。上行程時(shí)，下容積腔體積增大、壓力減小，下游動閥關(guān)閉，下固定閥開啟，開始進(jìn)液；與此同時(shí)，上容積腔體積減小、壓力增大，上游動閥關(guān)閉，上固定閥開啟，開始排液。柱塞下行程時(shí)，情況剛好相反。此方案與前兩個(gè)方案最大的不同在于采用了兩個(gè)柱塞的雙作用結(jié)構(gòu)，電機(jī)位于兩柱塞中間，系統(tǒng)工作時(shí)，電機(jī)同時(shí)驅(qū)動上下柱塞往復(fù)運(yùn)動[2]。蘇北油田采用此方案進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)效果較好。

4 亟待解決的關(guān)鍵問題

雖然有些油田及科研單位已對直線電機(jī)無桿采油技術(shù)和配套工藝進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了抽油泵的專利產(chǎn)品，但作為一種新技術(shù)，要得到廣泛的應(yīng)用，還需要在直線電機(jī)、泵閥總成方面進(jìn)行相關(guān)研究。

4.1 研發(fā)低能耗、大推力的直線電機(jī)

目前，井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵技術(shù)均采用電機(jī)動子直接帶動抽油泵柱塞運(yùn)動，對電機(jī)推力要求較大。未達(dá)磁飽和時(shí)增大電壓可以提高電機(jī)推力，但飽和后推力增加不明顯。相反，電流的增加會使電機(jī)升溫，更易燒損電機(jī)。因此，研發(fā)大推力的直線電機(jī)迫在眉睫。甚至可以從改變直線電機(jī)的相關(guān)特性入手，以減小或消除電源電壓波動對直線電機(jī)啟動推力的影響。

4.2 提高相關(guān)設(shè)備的密封、散熱和防腐蝕性能

直線電機(jī)長期處于高溫高壓井底中，尤其是泵掛深度較大時(shí)，需要進(jìn)一步提高電機(jī)的密封性能、散熱性能和防腐蝕性能。同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸線和電纜的密封耐壓絕緣效果也需增強(qiáng)。

4.3 柱塞式抽油泵泵閥的改進(jìn)

柱塞式抽油泵的固定閥和游動閥是井下直線電機(jī)驅(qū)動抽油泵系統(tǒng)的重要部件之一，起著控制液體進(jìn)出的作用，其結(jié)構(gòu)直接影響直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)的工作性能[14]。泵閥作為易損件，閥球的磨損會造成密封失效、泵效降低、檢泵周期縮短等一系列問題，因此改進(jìn)泵閥結(jié)構(gòu)，對泵閥總成進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是保證泵閥工作穩(wěn)定的關(guān)鍵。

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