潛油直線電機柱塞泵的研究與應用

趙忠建，郝洪亮，呂 哲，張宏偉，趙漢良，張慧姝

（1.渤海裝備遼河鉆采裝備公司，遼寧盤錦 124010；2.遼河石油勘探局有限公司石油化工分公司，遼寧盤錦 124010；3.華錦集團公司，遼寧盤錦 124010；4.寶石花物業公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

目前國內采油設備大部分為游梁式抽油機，其構成主要由抽油機、抽油桿、抽油泵組成，應用在深淺井、稠油稀油均可正常工作，弊端主要有抽油桿與油管偏磨、耗能高、泵效低、停機調參等[1]。為了克服這些弊端，對無桿采油技術原理進行研究，采用新技術設計了直線電機，取消抽油桿和抽油機，泵實現新舉升方式的采油技術。并根據采油設備生產工藝流程，開發了人機界面應用軟件，實現數據遠程傳輸及監控；優化抽油泵體結構，實現上下行程往復做功、雙向排油，節省設備功率耗能，解決油桿偏磨問題。

該技術適用于老油井薄差油層和低滲透油層原油開采，在中后期油井開采中適應性更好，及在低產井、斜井、叢式井、水平井和稠油井采用，應用于低液量及偏磨對抽油機運行效率與維修影響較大的采油井，更能發揮其節能優勢[2-4]。

1 技術分析

直線電機泵采油系統由直線電機、抽油泵和地面控制系統三部分組成（圖1）。潛油直線電機柱塞泵的工作原理：通過地面控制系統，地面電源將交流電經變頻后用扁平動力電纜輸送給井下直線電機，定子產生旋轉磁場，使其動子在電磁感應作用下進行往復運動，推動抽油泵柱塞往復運動，進而將井液源源不斷地舉升到地面。

圖1 潛油直線電機泵組成

電機與泵為一體，下放至井下。采油舉升過程中，電機向上運動，進液口下凡爾打開吸油，下泵凡爾關閉，同時頂去上作用泵腔體體積油液推進油管做功；向下運動，進液口下凡爾關閉，下泵凡爾打開吸油，同時頂出上作用泵腔體體積油推液進油管做功，實現一次吸油上下兩次排油、將原油提升至地面。

2 整體設計

2.1 直線電機設計

直線電機由定子和動子組成，其中：定子由環形的帶槽的硅鋼片組成，槽內安裝三相定子繞組，繞組極距設計為45 mm，單節電機繞組長度810 mm（圖2、圖3）；動子是由徑向環形充磁的N 極（灰色）、S 極（藍色）和磁環組成，環內側包圍非導磁材料，中間是空心腔體流動井液（圖4）。

圖2 直線電機總成局部結構

圖3 直線電機單節定子結構

圖4 直線電機徑向充磁動子總成

直線電機可以看作是將一臺旋轉電機沿徑向剖開，然后將電機的圓周展開成直線，旋轉電機的轉子演變為直線電機的次級、定子演變為初級。直線電機結構設計采用長初級、短次級的方式，定子繞組槽、轉子永磁體采用密封設計[5]。

2.2 抽油泵設計

在常規柱塞抽油泵結構基礎上，將固定凡爾油泵的下端移至上端，其柱塞通過推桿與直線電機動子相接。另外在直線電機頂側增加上作用泵，這樣可以實現向下行程也能采油提升出井口[6]，實現直線電機向上下往復運動，均可做功排油。

2.3 控制系統設計

電氣控制系統主要由變壓器、變頻器、PLC、觸摸屏、物聯網絡模塊等組成，實現對直線電機操作控制、參數調整、系統保護和數據傳輸等功能[7]。

控制流程如圖5 所示：上電啟動操作，檢測電機運行的位置，根據檢測結果通過變頻器調速方式控制電機的速度和動子位置，使動子按向上、向下行程運動，當檢測的電機數據超過額定值時停機保護；也可以通過互聯網技術進行智能管理，實現遠程啟停和監視控制。

圖5 電氣控制流程

人機控制界面如圖6 所示，利用觸摸屏或智能移動設備可在軟件界面上實現在線調參，通過人機物聯網智能通信模塊，實時遠程監測運行數據[8-9]。

圖6 人機控制界面

3 室內及現場試驗

3.1 室內試驗

潛油直線電機泵系統的樣機制造完成后，在第三方檢驗機構進行室內試驗。設備的主要技術參數有：直徑38 mm 雙向柱塞泵，沖程1.35 m，沖次1～15 沖；工作壓力1～15 MPa，工作溫度為室溫至120 ℃；控制設備電壓380 V，電流50 A。

試驗中對直線電機一體化潛油泵在不同溫度、不同壓力下觀察排量的變化，驗證其能耗損失等功能，同時在90°直井和45°傾井進行模擬試驗，分別改變沖次和壓力，相關試驗數據見表1 和表2。

表1 90°垂直井模擬試驗數據

表2 45°斜井模擬試驗數據

數據統計顯示，測試壓力穩定在15 MPa，相當于模擬1500 m井深；直線電機機泵一體化潛油泵系統實測耗電量為0.7～2.2 kW/h；室內實驗實際排量3.90～12.15 m3，平均泵效83.3%。

3.2 現場試驗

選用遼河油田某作業點區塊進行現場試驗，井號為T33-9-9，平原海拔20 m，井齡12 年，主要技術參數有：日產液量8 m3；泵掛井深1400 m，沉沒度300 m，井下壓力4 MPa，井下溫度70 ℃；套壓0.4 MPa，油壓0.3 MPa。潛油直線電機泵的電纜為外掛安裝，

其與游梁式抽油機在同一口油井測得的試驗數據見表3。

表3 兩種采油設備在T33-9-9 井的試驗結果

通過數據對比，顯示新設備日耗電量降低1/2，系統效率提高2 倍，經濟增效明顯。

綜合室內與現場試驗結果表明，該潛油電泵設計合理、安全可靠、運行平穩，具有明顯的創新性和實用性，滿足潛油無桿采油技術設計要求。

4 結論

通過無桿采油技術的研究應用對比，在技術性、安全性、能耗、環保、經濟等方面具有重大改進[10]，具體結論如下：

（1）潛油直線電機泵取消抽油桿，徹底解決近百年無法解決管桿偏磨問題。沒有抽油桿上下拉動，不存在盤根處漏油液，滿足環保要求。

（2）無桿采油直線電機潛油泵是將直線電機動子與抽油泵內的柱塞相接，利用電纜傳輸電能給直線電機，電機動子直接驅動柱塞式抽油泵，上下往復完成舉升運動。由于沒有減速和換向機構，采用間歇供電，間歇時間不用電，達到節能的目的，考慮現場工況各種情況，節電可達70%。

（3）新設備采用智能物聯技術、變頻器控制，可在線調參（調沖次范圍0.1～8.0 次/min）、調頻率等各種工作參數、有安全保護及故障信號顯示等功能，簡單明晰，容易操作；另外在地面井口處，只有井口和電控柜，減少占地面積。

（4）由于沒有抽油桿，對垂直井管桿偏磨嚴重油井，減少作業次數與作業時間、延長抽油管使用時間，降低成本明顯，對垂直井泵掛深度1500～2000 m 的難采區塊，該產品更顯優勢。

（5）新產品工作狀態為斷續，沖次范圍0.1～8.0 次/min，目前低油價狀態對各油田低產井、廢棄低產油井，應用本產品，仍有較好經濟價值。