井下直線電動(dòng)機(jī)采油技術(shù)試驗(yàn)研究

李 明，楊海濤，羅慶梅，辛 宏，甘慶明，劉天宇

（1.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018；2.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018；3.長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西延安716000）①

井下直線電動(dòng)機(jī)采油技術(shù)試驗(yàn)研究

李 明1，2，楊海濤1，2，羅慶梅3，辛 宏1，2，甘慶明1，2，劉天宇1，2

（1.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018；2.長(zhǎng)慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018；3.長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西延安716000）①

針對(duì)常規(guī)抽油機(jī)井桿管偏磨的問(wèn)題，結(jié)合細(xì)長(zhǎng)筒狀直線電動(dòng)機(jī)，研究設(shè)計(jì)了一種利用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)桿采油技術(shù)。完成了采油工藝方法的設(shè)計(jì)，確定了抽油泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)了配套的單向作用管式抽油泵。在室內(nèi)對(duì)直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了耐壓性能測(cè)試，結(jié)果顯示該電動(dòng)機(jī)耐壓達(dá)到25 MPa；對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了溫升測(cè)試，電機(jī)在空載運(yùn)行情況下，其溫穩(wěn)定值為35 K，滿足了現(xiàn)場(chǎng)的要求。對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的推力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示推力達(dá)到20 k N。在地面模擬井內(nèi)對(duì)該采油系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為井口回壓15 MPa情況下機(jī)組正常工作500 h，電動(dòng)機(jī)可靠性較好，達(dá)到了進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的要求。

直線電機(jī)；無(wú)桿采油；管式抽油泵；耐壓；溫升；推力

國(guó)內(nèi)大多數(shù)油田已經(jīng)進(jìn)入中高含水期，油井液量逐漸降低，泵掛逐漸加深，這直接導(dǎo)致了抽油機(jī)井桿管柱偏磨的加劇［1］。國(guó)內(nèi)各油田及研究機(jī)構(gòu)對(duì)桿管柱的偏磨問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)久而深入的研究，主要的解決方法是進(jìn)行抽油桿柱的優(yōu)化、新型扶正器的設(shè)計(jì)等。無(wú)桿采油技術(shù)能較好地解決桿管柱的偏磨問(wèn)題，但是只針對(duì)部分液量較高的井有成熟的技術(shù)，對(duì)于液量低、揚(yáng)程高的井，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成成熟的無(wú)桿采油技術(shù)［2-4］。直線電動(dòng)機(jī)以其特有的技術(shù)特點(diǎn)，在各行業(yè)的應(yīng)用逐漸增多，近幾年在石油開(kāi)采方面也進(jìn)行了研究與試驗(yàn)。目前，直線電動(dòng)機(jī)在石油領(lǐng)域的應(yīng)用主要在2方面：①用直線電動(dòng)機(jī)代替抽油機(jī)常規(guī)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而形成直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的機(jī)采技術(shù)；②通過(guò)制造線長(zhǎng)圓筒狀直線電動(dòng)機(jī)并配套井下往復(fù)式抽油泵，電動(dòng)機(jī)與抽油泵直接連接置于井下，形成無(wú)桿采油技術(shù)，該技術(shù)能夠滿足較低液量、較大井深的井況要求。直線電動(dòng)機(jī)在石油領(lǐng)域的應(yīng)用均處于研究階段，國(guó)內(nèi)部分油田開(kāi)展了少量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［5-10］。

1 直線電動(dòng)機(jī)采油工藝方法

1.1 直線電動(dòng)機(jī)基本原理

直線電動(dòng)機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活、低噪聲、低成本、高速度、高可靠性、耐腐蝕、防潮等優(yōu)點(diǎn)。直線電動(dòng)機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，可以看作是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開(kāi)，然后將電動(dòng)機(jī)的圓周展成直線形成。直線電動(dòng)機(jī)一般可以分為平板形、管形（圓筒形）、弧形、盤形等。受油井井身結(jié)構(gòu)限制，在井下使用的直線電動(dòng)機(jī)內(nèi)只能采用管形結(jié)構(gòu)。管形直線電動(dòng)機(jī)可以看作是將平板形直線電動(dòng)機(jī)原邊卷起形成圓筒狀，如圖1所示。直線電動(dòng)機(jī)工作基本原理與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相似，都遵循電機(jī)學(xué)的基本原理［11］。

1.2 井下驅(qū)動(dòng)直線電動(dòng)機(jī)基本性能參數(shù)要求

在采油井井下使用的管形直線電動(dòng)機(jī)，副邊采用永磁體結(jié)構(gòu)并且較主邊稍長(zhǎng)。電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)必須滿足油田基本要求：

1） 為了使電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，電動(dòng)機(jī)副邊采用永磁體結(jié)構(gòu)。

2） 電動(dòng)機(jī)在?139.7 mm（51/2英寸）井眼內(nèi)正常起下。

3） 電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度滿足油井井眼曲率3.5°／30 m的要求。

4） 電動(dòng)機(jī)絕緣等級(jí)滿足150℃要求。

5） 電動(dòng)機(jī)防護(hù)等級(jí)滿足潛水要求。

6） 電動(dòng)機(jī)及井下電纜密封達(dá)到2 000 m深的要求。

7） 電動(dòng)機(jī)推力達(dá)到井深2 000 m以上要求，并留有30%的余量。

8） 配套抽油泵與電動(dòng)機(jī)抽汲參數(shù)配合，能夠滿足液量2～20 m2／d的要求。

根據(jù)上述要求設(shè)計(jì)選用的直線電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)如表1所示。

圖1 管形直線永磁同步電動(dòng)機(jī)

表1 選用直線電動(dòng)機(jī)基本性能參數(shù)

1.3 井下直線電動(dòng)機(jī)采油工藝管柱

潛油電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的采油方法一般有3類管柱結(jié)構(gòu)［12-13］：倒置殼裝結(jié)構(gòu)、倒置環(huán)空出液結(jié)構(gòu)、正置結(jié)構(gòu)，采油管柱如圖2所示。直線電動(dòng)機(jī)采油工藝采用正置管柱結(jié)構(gòu)，由單作用管式抽油泵、潛油直線電動(dòng)機(jī)、油管、潛油動(dòng)力電纜組成。采油系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)副邊下行程時(shí)出力做功，采用斷續(xù)方式工作，電源用油田通用380 V電網(wǎng)供電。

圖2 潛油電動(dòng)機(jī)采油管柱結(jié)構(gòu)

1.4 井下直線電動(dòng)機(jī)地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)主要功能包括電動(dòng)機(jī)供電、運(yùn)行控制、運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)、機(jī)組系統(tǒng)保護(hù)。

1） 電動(dòng)機(jī)供電 通過(guò)“交—直—交”的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)電源向直線電動(dòng)機(jī)的供電。

2） 運(yùn)行控制 直線電動(dòng)機(jī)在井下是一個(gè)“起動(dòng)、穩(wěn)速運(yùn)行、制動(dòng)減速，反向起動(dòng)、穩(wěn)速運(yùn)行、制動(dòng)減速，停止一小段時(shí)間后又正向起動(dòng)”的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，控制器通過(guò)內(nèi)部“三相電流采集—內(nèi)部運(yùn)算—控制指令”，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)相電流與動(dòng)子位置的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3） 運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié) 通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行位置、運(yùn)行周期，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)參數(shù)沖程、沖次的調(diào)節(jié)。

4） 機(jī)組系統(tǒng)保護(hù) 欠壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、PWM脈沖保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、上電緩沖保護(hù)和泄放保護(hù)。

2 單向作用管式抽油泵結(jié)構(gòu)

根據(jù)井下直線電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，配套設(shè)計(jì)了一種柱塞下行程時(shí)出液的管式抽油泵，如圖3所示。抽油泵基本參數(shù)如表2所示，其工作原理為：該泵上行程時(shí)，游動(dòng)進(jìn)油閥開(kāi)啟，出油閥關(guān)閉，井液由篩管進(jìn)入橋式外管，經(jīng)過(guò)游動(dòng)進(jìn)油閥流入下泵筒，完成進(jìn)液；下行程時(shí)，游動(dòng)進(jìn)油閥關(guān)閉，出油閥開(kāi)啟，井液由下泵筒進(jìn)入橋式內(nèi)管，經(jīng)過(guò)出油閥，完成出液。

圖3 單向作用管式抽油泵結(jié)構(gòu)

表2 單作用管式抽油泵設(shè)計(jì)參數(shù)

3 室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)潛油直線電動(dòng)機(jī)工況基本要求，對(duì)電動(dòng)機(jī)的拉力、耐壓和及工作可靠性進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)試。共進(jìn)行了3個(gè)方面5項(xiàng)內(nèi)容的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。由測(cè)試結(jié)果可知：電動(dòng)機(jī)溫升達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，單節(jié)拉力達(dá)到4 000 N以上，當(dāng)采用6節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)拉力可以達(dá)到20 k N以上；電動(dòng)機(jī)耐壓達(dá)到25 MPa，室內(nèi)試驗(yàn)井測(cè)試顯示機(jī)組工作平穩(wěn)，可靠性較好。

表3 室內(nèi)測(cè)試結(jié)果分析

4 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)的直線電動(dòng)機(jī)采油工藝對(duì)低液量、高揚(yáng)程井具有較好的適應(yīng)性，能夠滿足20 m3／d以內(nèi)、2 000 m井的工況要求。

2） 配套抽油泵室內(nèi)測(cè)試表明，能夠滿足機(jī)組工作要求。

3） 室內(nèi)測(cè)試表明，直線電動(dòng)機(jī)采油機(jī)組耐壓達(dá)到25 MPa，工作可靠性較好，最大拉力可達(dá)到20 k N。

4） 設(shè)計(jì)的直線電動(dòng)機(jī)采油機(jī)組可以進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)試其工作特性及可靠性。

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Experimental Study of Down Hole Linear Motor Pump

LI Ming1，2，YANG Hai-tao1，2，LUO Qing-mei3，XIN Hong1，2，GAN Qing-ming1，2，LIU Tian-yu1，2
（1.National Engineering Laboratory of Tight Oil&Gas Field Exploration and Development，Xi’an 710018，China；2.Oil&Gas Technology Research Institute，Changing Oilfield Company，Xi’an 710018，China；3.No.1 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Yanan 716000，China）

Aiming at the problem of worn-out between rod and pipe，binding linear motor，a new technology of linear motor pump was designed for production system without rod.The engineering was completed and certain work parameters were decided to design the single acting tube pump.A series of testing were proceeded，including pressure，temperature rise test，and working energy.When the linear motor works，the maximum pressurization is 25 MPa，supreme temperature of motor is 35 K，the system fulfilled the condition of experiment.Motor testing of ener gydemonstrate，the maximum tension is 20 k N.The experiment of linear motor dependability is developed in imitation well.After worked for 500 h，the linear motor production system is good，and it can be used in oilfield.

linear motor；rodless pump；tube pump；withstand pressure；temperature rise test；thrust force

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.011

1001-3482（2014）07-0041-04

2014-01-17

中石油專項(xiàng)基金“長(zhǎng)慶油田油氣當(dāng)量上產(chǎn)5000萬(wàn)噸關(guān)鍵技術(shù)研究”（2011E-1307）

李 明（1978-），男，黑龍江安達(dá)人，工程師，碩士，主要從事采油工藝技術(shù)、井下工具設(shè)計(jì)、水平井采油技術(shù)方面的研究，E-mail：liming_cq＠petrochina.com.cn。