潛油往復(fù)式抽油機(jī)舉升工藝研究及優(yōu)化

錢 坤，張鳳武，邵克勇，吳 寧，蔣召平

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318；2.大慶油田采油工程研究院，黑龍江大慶 163712）①

潛油往復(fù)式抽油機(jī)舉升工藝研究及優(yōu)化

錢 坤1，張鳳武2，邵克勇1，吳 寧2，蔣召平2

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318；2.大慶油田采油工程研究院，黑龍江大慶 163712）①

潛油往復(fù)式抽油機(jī)舉升工藝徹底解決了桿管偏磨問題，適用于“三低”油藏。在研究工藝運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了潛油直線電機(jī)動定子結(jié)構(gòu)及控制方式，并針對高揚(yáng)程大泵徑油井設(shè)計(jì)了新型柱塞式雙作用抽油泵，同時完善了工藝的主要配套技術(shù)。現(xiàn)場測試表明：新型工藝具有舉升力大、節(jié)能、自動化管理和系統(tǒng)效率高等特點(diǎn)，平均撿泵周期從224 d提高到452 d。

潛油往復(fù)式抽油機(jī)；優(yōu)化；配套技術(shù)；系統(tǒng)效率

油田生產(chǎn)中，常規(guī)采油機(jī)械分為2類：①有桿舉升系統(tǒng)，主要包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動的游梁式抽油機(jī)和螺桿泵；②無桿采油系統(tǒng)，主要包括離心式潛油電泵與水力噴射泵。目前，各大油田80%以上都采用有桿采油系統(tǒng)，且以游梁式為主。隨著多數(shù)油田開發(fā)進(jìn)入中后期，越來越多的“三低”油藏投入開發(fā)，其井況更加惡劣，存在彎曲井段，節(jié)能和穩(wěn)油控水要求不斷提高。應(yīng)用常規(guī)舉升方式一次性投資高、電能消耗大、系統(tǒng)效率和自動化程度低，限制了有桿采油系統(tǒng)的下泵深度，引起懸點(diǎn)載荷增加、桿管偏磨現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。為此，提出了潛油往復(fù)式抽油機(jī)舉升工藝，采用潛油直線電機(jī)取代旋轉(zhuǎn)電機(jī)，徹底解決了桿管偏磨問題。盡管在國內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用直線電機(jī)，但是將其應(yīng)用于井下作為往復(fù)泵的動力源還處于試驗(yàn)開發(fā)階段，對工藝本身的優(yōu)化研究及其配套技術(shù)的完善需要不斷探索。本文對前人研究成果進(jìn)行了深入學(xué)習(xí)，研究了工藝的運(yùn)行機(jī)理，針對以前應(yīng)用出現(xiàn)的不足，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和電加熱桿清防蠟工藝、故障診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程無線巡控系統(tǒng)等主要配套技術(shù)，現(xiàn)場試驗(yàn)效果較好。

1 工藝研究過程

隨著國內(nèi)直線電機(jī)技術(shù)的日益完善，使?jié)撚椭本€電機(jī)應(yīng)用于油田生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)。2004年，梁會珍［1］設(shè)想將直線電機(jī)作為井下泵動力系統(tǒng)，提出了一種新型的直線電機(jī)抽油泵系統(tǒng)，將常規(guī)抽油泵的上沖程排液改為下沖程排液，改進(jìn)后的工藝可以滿足生產(chǎn)的需要。2006年，付國太［2］研制了往復(fù)式磁力驅(qū)動柱塞泵及地面數(shù)控裝置，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)并獲得成功，同時開展了與其配套的工藝研究工作，預(yù)示著一個新興研究領(lǐng)域的興起。2007年，魏秦文［3-5］在現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對工藝關(guān)鍵技術(shù)不斷改進(jìn)，首次較為全面地完成了潛油往復(fù)式抽油機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)泵機(jī)一體化。2008年，周封和吳曉東［6-7］分別對工藝的電機(jī)選型問題和下泵深度設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，為工藝快速發(fā)展提供了支持。2010年，邱家友［8］對直線電機(jī)無桿采油工藝進(jìn)行了試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)了電纜破損嚴(yán)重、直線電機(jī)卡死、過載保護(hù)頻繁等問題，開展一系列的工藝改進(jìn)，解決了以上的問題，應(yīng)用效果較理想。2011—2013年，于德亮［9-11］采用支持向量機(jī)算法對工藝的沉沒度預(yù)測、潛油泵沖次優(yōu)化和工況診斷進(jìn)行了理論研究和仿真試驗(yàn)，對工藝的故障診斷及優(yōu)化控制等進(jìn)一步完善提供了理論支持。

2 工藝運(yùn)行機(jī)理及優(yōu)化

潛油往復(fù)式抽油機(jī)舉升工藝由潛油直線電機(jī)、柱塞式抽油泵、變頻控制柜、專用鎧裝電纜（小扁和大扁）、專用變壓器及與機(jī)組配套的電纜保護(hù)器、泄油閥、防砂管和扶正器等組成。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要可給機(jī)組配備電加熱桿清防蠟工藝、故障診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程無線巡控系統(tǒng)等。

該工藝是將潛油直線電機(jī)與抽油泵相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)泵機(jī)一體化的一種新型的無桿采油系統(tǒng)。其中：潛油直線電機(jī)在下，抽油泵在上；電機(jī)定子與油管連接，動子與抽油泵柱塞連接；智能控制柜將交流電變頻后，用專用電纜輸送給電機(jī)；動子在電磁感應(yīng)作用下沿軸向往復(fù)運(yùn)動，從而推動柱塞往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)油液舉升。通過設(shè)置地面控制系統(tǒng)的參數(shù)，控制動子單位時間往復(fù)的次數(shù)、上下行頻率來調(diào)節(jié)排量和舉升力。工藝原理如圖1所示。

圖1 潛油往復(fù)式抽油機(jī)舉升工藝原理

2.1 潛油直線電機(jī)

潛油直線電機(jī)是1種能夠利用電能直接驅(qū)動負(fù)載作直線運(yùn)動的電磁裝置，不需要中間傳動機(jī)械。它屬于圓筒型永磁直線電機(jī)，是永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一種演變，即把永磁旋轉(zhuǎn)電機(jī)的動子和轉(zhuǎn)子沿柱面展開，得到扁平型永磁直線電機(jī)，將扁平型直線電機(jī)沿著與直線運(yùn)動相垂直的方向卷成筒形即可。潛油直線電機(jī)主要由初級（定子）和次級（動子）2部分構(gòu)成，根據(jù)實(shí)際的需要及井下條件，工藝中直線電機(jī)設(shè)計(jì)為短初級長次級結(jié)構(gòu)（如圖2所示），定子為N、S交互式，由外筒、線圈、硅鋼片、內(nèi)筒組成；動子由永磁體磁墩、隔環(huán)鐵墩和撐桿組成。當(dāng)初級三相繞組內(nèi)通入三相對稱正弦交流電后，產(chǎn)生直線前進(jìn)的行波磁場，其與次級永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場相互作用便產(chǎn)生電磁推力。

早期動子永磁體直接與井液接觸，在井下腐蝕性井液中永磁體被逐漸腐蝕、破碎，小粉末逐漸堆集，擴(kuò)大了動子外徑，導(dǎo)致動子抗壓能力差，甚至無法運(yùn)行；定子線圈易腐蝕，抗磨性能差，為了提高電機(jī)在井下復(fù)雜環(huán)境的連續(xù)工作性能，對電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 潛油直線電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1.1 動子同軸度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對電機(jī)運(yùn)行時動子磁鋼及隔環(huán)時常發(fā)生轉(zhuǎn)動，相對于中心連桿同軸度變差，造成定子內(nèi)筒磨漏等現(xiàn)象，進(jìn)行了防轉(zhuǎn)動設(shè)計(jì)。動子撐桿材質(zhì)選擇1Cr18Ni9Ti，隔環(huán)和永磁體緊密配合后激光焊接為一體，保證外體和撐桿同時受力，增大撐桿的直徑，對中心撐桿銑鍵槽，對應(yīng)永磁體加工鍵，裝配后增強(qiáng)定位精度，防止徑向轉(zhuǎn)動。

2.1.2 電機(jī)全密封設(shè)計(jì)

將定子內(nèi)筒進(jìn)行封閉焊接，保證定子線圈與井液隔離，內(nèi)筒中間部位噴焊鎳合金粉沫，厚度0.1～0.2 mm；在動子表面整體鍍鉻，二者表面硬度達(dá)到60 HRC，增強(qiáng)了抗磨性，并研究動子永磁體整體封閉工藝，保證永磁體與井液完全隔離。

對12節(jié)直線電機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明：優(yōu)化后動子在40 k N徑向力作用下不變形；電機(jī)外徑由?110 mm擴(kuò)大到?114 mm，定子磁場強(qiáng)度增加20%；電機(jī)氣隙由原來的0.05 mm優(yōu)化為0.30 mm，避免了動子膨脹而導(dǎo)致的電機(jī)卡死現(xiàn)象；舉升力從25 k N提高到40 k N，擴(kuò)大了工藝的適用范圍。優(yōu)化前后電機(jī)性能對比如表1所示。

表1 電機(jī)優(yōu)化前后性能對比

2.2 柱塞式抽油泵

為了避免電機(jī)動子受大載荷作用而松動，及在電機(jī)上設(shè)計(jì)過流通道影響套管空間和電機(jī)性能，因此將抽油泵固定閥設(shè)計(jì)在泵頂部，油液由柱塞泵下部的篩管進(jìn)入泵筒，游動閥在柱塞內(nèi)部，所有閥球向上單項(xiàng)開啟，舉液時電機(jī)動子受軸向壓力，空載時受拉力。柱塞沖程1.23 m，運(yùn)行時每個沖次分為蓄能、上行程、卸能和下行程4個過程。

對于需要高揚(yáng)程、大泵徑的油井，目前的舉升方式很容易造成柱塞推桿失穩(wěn)，導(dǎo)致柱塞運(yùn)行受阻或卡泵，為此設(shè)計(jì)了新型柱塞式雙作用抽油泵。其上、下泵筒采用扶正器，保證了泵筒應(yīng)有的同軸度；上柱塞截面積是下柱塞的2倍，柱塞上、下沖程都出液且載荷相等，既提高了工作效率又減少了動子的受力和電機(jī)振動。當(dāng)柱塞處在上死點(diǎn)或下死點(diǎn)時，防漏閥關(guān)閉，有效防止泵的漏失，保證泵的充滿度，泵體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 柱塞式雙作用抽油泵

2.3 柔性控制系統(tǒng)

目前，工藝控制系統(tǒng)主要是開環(huán)控制方式，屬于恒定的剛性驅(qū)動，遇到載荷超出電機(jī)的輸出能力時，動子就會跟不上同步驅(qū)動磁場的速度，產(chǎn)生丟步現(xiàn)象，更不能隨載荷的變化作出常規(guī)響應(yīng)。為此，提出了閉環(huán)控制方式的柔性控制技術(shù)，其驅(qū)動算法要求實(shí)時獲得電機(jī)動子的位置與速度，并依此能夠?qū)d荷的變化作出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)柔性驅(qū)動，減小振動，延長工作壽命。

柔性控制系統(tǒng)主要由變頻器、單片機(jī)、變壓器、整流器、開關(guān)管、檢測元件、存儲模塊及濾波電容等組成。在具有整流、調(diào)頻、調(diào)相、工藝運(yùn)行參數(shù)采集、工藝保護(hù)和控制機(jī)組沖程、沖次等功能的同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)非沖擊性啟停，控制動子速度和舉升力輸出，杜絕堵轉(zhuǎn)、過載，并控制電流按載荷的需要供給，減輕電機(jī)發(fā)熱量，同時將控制系統(tǒng)與工藝配套技術(shù)的控制有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工藝整體的自動控制與管理。

3 主要配套技術(shù)

3.1 遠(yuǎn)程無線巡控系統(tǒng)

油田生產(chǎn)中，由于巡井不及時，造成資料錄取不完全，故障無法準(zhǔn)確判斷，不能及時調(diào)整機(jī)組運(yùn)行參數(shù)或第1時間發(fā)現(xiàn)停機(jī)，制約了工藝運(yùn)轉(zhuǎn)周期。遠(yuǎn)程無線巡控系統(tǒng)的研制實(shí)現(xiàn)了工藝自動化管理，其主要由井口遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)RTU、中心接收單元和控制中心組成，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程無線巡控系統(tǒng)

RTU與控制柜結(jié)合，采集液面、動子上下電流、運(yùn)行頻率及沖次等生產(chǎn)參數(shù)，通過GSM網(wǎng)絡(luò)接受數(shù)據(jù)并傳送給控制中心，實(shí)現(xiàn)工藝狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲及實(shí)時報(bào)警功能，以便電量、產(chǎn)量計(jì)量和參數(shù)調(diào)整。其中，對液面和產(chǎn)量的監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)尤為主要。表2為系統(tǒng)自動計(jì)產(chǎn)與罐車量油計(jì)產(chǎn)結(jié)果對比情況，體現(xiàn)了系統(tǒng)良好的應(yīng)用效果。

表2 系統(tǒng)自動計(jì)產(chǎn)與罐車量油計(jì)產(chǎn)對比

3.2 故障診斷系統(tǒng)

潛油往復(fù)式抽油機(jī)在深井中工作環(huán)境惡劣，極易帶故障運(yùn)行。因此，尋求1種在機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重故障前進(jìn)行故障監(jiān)測及早期診斷的方法，對油田生產(chǎn)具有實(shí)際意義。其電機(jī)動子舉升力與實(shí)時位移的測量需要在井底安裝傳感器實(shí)現(xiàn)，不便于深井中潛油電泵的采油生產(chǎn)。因此，提出了以功率信號為故障信息，將機(jī)械故障診斷方法與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用虛擬儀器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析和處理功能，建立了實(shí)時的故障診斷系統(tǒng)。

故障診斷系統(tǒng)是以虛擬儀器為基礎(chǔ)開發(fā)的，系統(tǒng)分為硬件和軟件2部分。硬件系統(tǒng)即是下位機(jī)，主要由電壓互感器、電流互感器、USB-6008數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，是以計(jì)算機(jī)為控制中樞，工作核心是電壓電流信號的分通道采集、采樣參數(shù)配置和信號調(diào)理，然后向上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)。軟件平臺的開發(fā)是整個診斷系統(tǒng)的核心，應(yīng)用模塊化的編程思想，通過虛擬儀器直觀的圖形化人機(jī)界面對功率信號進(jìn)行采集，并在虛擬儀器中使用Matlab Script節(jié)點(diǎn)技術(shù)，調(diào)用Matlab中小波去噪程序?qū)胄盘栠M(jìn)行降噪處理。故障診斷系統(tǒng)流程如圖5所示，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求設(shè)計(jì)了參數(shù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示4大模塊。

圖5 故障診斷系統(tǒng)流程

3.3 電加熱桿清防蠟工藝

潛油往復(fù)式抽油機(jī)工作時無桿柱攪動，容易發(fā)生油管結(jié)蠟，處理不及時易形成死油柱，無循環(huán)通道，解堵困難。電加熱桿清防蠟工藝的應(yīng)用有效地解決了這一問題，其由地面變頻控制柜、井下絕緣短節(jié)、井下連通器、加熱桿、扶正器、空心桿、電纜密封器組成，如圖6所示。工作時，由加熱桿和油管構(gòu)成回路，在加熱桿中通入變頻后的交流電，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽訜嵊凸軆?nèi)的原油。電加熱桿清防蠟工藝能夠清蠟解堵，也可提高溫度，減少液流阻力，保持液體流動暢通。使用前要清楚油田油藏平均地層溫度、地溫梯度和原油凝固溫度，計(jì)算需要加熱井段。工藝運(yùn)行后，須對該井的電流、不同功率條件下的井口出液溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，摸索出合理加熱制度，通過控制系統(tǒng)的時間繼電器實(shí)現(xiàn)加熱時間的有效控制。

圖6 電加熱桿清防蠟工藝

4 現(xiàn)場應(yīng)用

工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化和配套技術(shù)完善后，提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性，延長了使用壽命。在某油田現(xiàn)場應(yīng)用5口井，工藝系統(tǒng)效率平均提高25.2%，節(jié)能效果較好，平均撿泵周期從224 d提高到452 d；電機(jī)舉升力增大到40 k N，擴(kuò)大了機(jī)組排量，適用范圍從15 m3／d以下提高到50 m3／d，并實(shí)現(xiàn)了自動化管理，提高了工作效率，現(xiàn)場試驗(yàn)前后效果對比如表3。

表3 試驗(yàn)前后情況對比

應(yīng)用故障診斷系統(tǒng)，針對潛油往復(fù)式抽油機(jī)卡泵和油管結(jié)蠟2種典型故障進(jìn)行監(jiān)測及診斷分析，典型故障功率波形如圖7所示。當(dāng)發(fā)生卡泵現(xiàn)象時，動子電流會在卡泵位置突然變大，動子運(yùn)行不平穩(wěn)，導(dǎo)致功率波形發(fā)生明顯變化，上行程在第281個采樣點(diǎn)附近發(fā)生卡泵，功率變大；下行程在同一位置出現(xiàn)卡泵現(xiàn)象，功率波形變化更加明顯，如圖7a。在發(fā)生油管結(jié)蠟現(xiàn)象時，動子在往復(fù)運(yùn)行過程中，井液內(nèi)析出堆積的蠟會縮小油流通道，增大油流阻力，使動子載荷在整個過程中都超過了最大理論值，功率波形表現(xiàn)出明顯的“肥胖”特征，同時增加了下行程的振動載荷，如圖7b。

圖7 典型故障功率波形

5 結(jié)論

1） 與有桿舉升工藝相比，潛油往復(fù)式抽油機(jī)更適用于“三低”油藏，優(yōu)化后的工藝具有舉升力大、節(jié)能、自動化管理和系統(tǒng)效率高等優(yōu)勢，平均撿泵周期從224 d提高到452 d。

2） 新型柱塞式雙作用抽油泵和柔性控制系統(tǒng)減弱了機(jī)組運(yùn)行過程的振動，在增強(qiáng)節(jié)能穩(wěn)產(chǎn)的同時，提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性，延長了機(jī)組的使用壽命?？刂葡到y(tǒng)與遠(yuǎn)程無線巡控系統(tǒng)配合使用，可對機(jī)組生產(chǎn)參數(shù)及時調(diào)整，便于生產(chǎn)管理。

3） 以功率信號作為故障信息建立的故障診斷系統(tǒng)在地面采集數(shù)據(jù)，便于生產(chǎn)使用，能夠做到故障預(yù)警。與電加熱桿清防蠟工藝結(jié)合使用可以摸索出合理的加熱清蠟制度，保證了工藝的連續(xù)使用。

4） 潛油往復(fù)式抽油機(jī)舉升工藝的不斷優(yōu)化和配套技術(shù)的完善，為其深入研究和規(guī)模應(yīng)用提供了技術(shù)保證，對油田舉升工藝技術(shù)水平和中后期高含水油田開發(fā)效益的提高具有實(shí)際意義。

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Research of Submersible Plunger Pump and Its Optimization

The eccentric wear problem of rod and tubing was completely solved by using submersible plunger pump，which is suitable for“three low”reservoir.Based on research the operating principle of process，stator，mover and control mode of submersible linear motor optimized，and design of new pump of plunger and double-acting for wells of high-lift and large pump diameter，the main supporting technologies of process were improved.Field test showed that the new process has apparent characteristics of large Lifting force，energy saving，automation management and high system efficiency and so on，the average pump inspection cycle increased from 224 days to 452 days.

submersible plunger pump；optimization；supporting technologies；system efficiency

TE933.1

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.024

1001-3482（2014）09-0088-06

2014-03-05

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目（12521057）

錢 坤（1988-），黑龍江大慶人，碩士研究生，主要從事采油工藝及其故障診斷、節(jié)能控制和信號處理技術(shù)研究，E-mail：qk13836956215＠163.com。