直線電機在油田抽油機上的應用

張英勛

直線電機在油田抽油機上的應用

張英勛

（哈爾濱泰富電氣有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

介紹了一種圓筒型永磁直線電機的結構形式、工作原理、密封方式，著重闡述了其在油田井下抽油機中的應用。

圓筒型永磁直線電機；密封；潛油電纜；常規(guī)型游梁式抽油機；直線電機驅動式抽油機

1 前言

常規(guī)型游梁式抽油機具有結構簡單、使用可靠、操作維護方便等優(yōu)點，在油田采油中得到廣泛的應用;同時它還具有體積大、消耗鋼材多、人工調整平衡工作量大、存在抽油桿偏磨斷裂現象、能耗過高等先天缺陷。

通過分析現有常規(guī)型游梁式抽油機經濟壽命和運行現狀可知，更新改造抽油機還有較大的空間和潛力，因此，順應抽油機節(jié)能改造發(fā)展趨勢，適時抓住有利時機，對老化嚴重的抽油機進行更新換代顯得尤為必要。

針對以上情況，研制與開發(fā)應用于油井地下抽油的直線電機將解決以上的缺陷。

2 產品結構及工作原理

直線電機驅動抽油機是由井下部分（直線電機、潛油電纜）和井上部分（控制系統(tǒng)）兩部分構成。

2.1井下部分

（1）直線電機是本產品的核心技術，設計上可采用圓筒型永磁直線電機。

直線電機是一種能將電信號直接轉換成為直線位移的電機。由于它無需轉換機構即可直接獲得直線運動，沒有傳動機械的磨損，所以傳遞效率高，且噪音低、結構簡單、操作維護方便。

圓筒型永磁直線電機又稱管型永磁直線電機，它的推進原理是：當初級（定子）線圈接通電流后，產生行波磁場，與次級（動子）本身的磁場作用，產生電磁力，使初級和次級間產生相對直線運動。

以下是從旋轉電機到圓筒型直線電機的演化過程。圖 1是旋轉電機；定子與轉子展開后，即為圖 2扁平型直線電機；將扁平型直線電機沿著和直線運動相垂直的方向卷成筒型，就成為了圖3的圓筒型直線電機。

圖1 旋轉電機

圖2 扁平型直線電機

圖3 圓筒型直線電機

圖4 井下用直線電機驅動抽油機結構

在油井下工作的直線電機，其初級內部繞組不能滲入水、油等雜物，因此初級的密封性能是產品的關鍵點。

設計上可采用封閉初級內孔和外表面方案來使繞組與外部隔絕。內孔封閉是將初級鐵心加工出防水槽，采用油田專用密封圈密封防水槽。外表面封閉是將初級套整體機殼焊接密封。

（2）潛油電纜是連接井上控制系統(tǒng)與井下直線電機的重要部件，它是將控制系統(tǒng)電能輸送給井下直線電機的一種特殊密封式電纜。由于井下空間限制，設計可采用油田專用潛油扁電纜，它具有良好的機械強度、抗腐蝕性、密封性、耐溫耐壓性等優(yōu)點。

2.2井上部分

井上部分即控制系統(tǒng)，可采用開環(huán)矢量控制方案。它的特點是運行參數調節(jié)控制簡捷，制動及故障保護安全可靠，可實現沖程與換向控制、沖次控制、運行狀態(tài)控制、制動與故障保護控制功能。調試時，采用變頻形式進行調速，在最大排量內任意調節(jié)沖次控制產液量。

工作原理：將直線電機初級（定子）固定在抽油泵筒上，次級（動子）直接與抽油泵活塞連接，同油管一起下入到油井套管油層中，地面電源通過電控柜和專用潛油電纜將電能輸送給井下直線電機，通過直線電機將電能轉化為機械能，直線電機推動抽油泵柱塞往復運動，將油液推向地表進入輸油管道流入儲油罐中，完成抽油過程。井下用直線電機驅動抽油機結構見圖 4所示。

3 技術優(yōu)勢

本產品方案的技術核心是當今電工領域的高新技術——直線電動機，由它直接驅動抽油泵往復抽油，具體優(yōu)點如下：

（1）節(jié)約能源。直線電機主要是次級（動子）在初級（定子）內作直線運動，結構簡單，系統(tǒng)效率相對傳統(tǒng)系統(tǒng)高，因此節(jié)能；由于沒有長的抽油桿、齒輪減速和游梁等，系統(tǒng)效率大大增強，節(jié)省了大量能源。

（2）可靠性高。由于沒有長的抽油桿，也就沒有了偏磨問題，由于偏磨而導致的嚴重后果也隨之消失，使系統(tǒng)的可靠性大大增強。

（3）耗材少占地面積小。本產品地面龐雜的機械裝置部分完全被取消，只有井口（采油樹）、控制柜，占地5m2左右。

（4）系統(tǒng)簡單。系統(tǒng)主要模塊將直線電機與潛油泵組裝成一體，協(xié)調性很好。采用變頻器控制，可在線調節(jié)參數，簡單明晰，容易操作。

（5）冷卻方式先進。通過井下油液循環(huán)冷卻，使電機上下往復運行時產生熱量，會對套管周圍油液加熱、稀釋，輔助提高采液環(huán)境，解決卡泵等問題。

（6）維護成本低。產品潛入井下，地面沒有機械設備維修，只需要對電控柜進行維護和保養(yǎng)。

（7）環(huán)保。由于電機在地下，地面部分無噪音；在海上采油時由于沒有外漏，不會造成原油對海洋的污染。

（8）應用范圍廣。本產品可廣泛應用于斜井、水平井、潛海油井等領域。

4 結束語

節(jié)能減排是我國的一項基本國策，也是打造綠色油田的現實需要。

新型高效直線電機驅動抽油機取代常規(guī)型游梁式抽油機，將成為二十一世紀油田舉升設備的革命性產品，既大大降低了采油成本，又順應了國家的節(jié)能政策。

（編輯：王立新）

Application of linear motor on pumping unit of oil feld

（Harbin Tech.full Electric Co.,Ltd.,Harbin 150060, China）

This article introduced the structure, working principle, sealing type of tubular permanent magnet linear motor, and emphasized on discussing its application on downhole oil-pumping machine.

tubular permanent magnet linear motor; sealing; oil submersible cable; conventional beam pumping unit; linear motor drive type oil pumping machine

TM359.4

B

1672-4852（2015）01-0049-02

2015-02-05.

張英勛（1979-），男， 工程師，項目負責人.