直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)技術(shù)在油田應(yīng)用的研究

張波 （西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠）

直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)技術(shù)在油田應(yīng)用的研究

張波 （西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠）

針對(duì)油田生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)的情況，分析了直線電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理。直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)子在通入變頻控制器輸出的低頻電流后，沿主板上安裝的導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)扁鋼絲繩直接與抽油桿連接（經(jīng)過(guò)承載桁架的頂部轉(zhuǎn)向輪換向）帶動(dòng)抽油桿抽油。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析并得到相關(guān)重要結(jié)論：直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)取消了復(fù)雜的能量傳遞環(huán)節(jié)，提高了傳動(dòng)效率，結(jié)果達(dá)到比原先更換前普通游梁式抽油機(jī)節(jié)能40%以上的效果。

直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)；系統(tǒng)效率；電參數(shù)；節(jié)能

目前國(guó)內(nèi)油田大量應(yīng)用的游梁式抽油機(jī)長(zhǎng)期存在著能量傳遞效率低、電動(dòng)機(jī)能量利用率低、沖程不能大幅度提高等缺點(diǎn)或不足，采用直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)的動(dòng)力設(shè)備，利用直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)抽油桿上下運(yùn)動(dòng)舉升井內(nèi)液體，可以較好地實(shí)現(xiàn)解決傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)存在的問(wèn)題，達(dá)到了提高整機(jī)系統(tǒng)效率、節(jié)能降耗的目的。

1 設(shè)備構(gòu)造

直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)的主要承載與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括天輪、翻轉(zhuǎn)輪和桁架。桁架由管材、型鋼焊接而成，包括梯子和安裝無(wú)觸點(diǎn)限位器的夾板等；桁架的外部有防護(hù)罩，用于防雨、灰塵和通風(fēng)散熱；天輪是2個(gè)直徑1.2 m左右的焊接輪，用于扁鋼絲繩的轉(zhuǎn)向和承載；翻轉(zhuǎn)輪是2個(gè)直徑0.8 m左右的焊接輪，用于油井作業(yè)修井時(shí)翻轉(zhuǎn)到側(cè)面，為通井機(jī)留出作業(yè)空間。

直線電動(dòng)機(jī)部分主要包括電動(dòng)機(jī)定子（表面粘貼永磁體的鋼板）、電動(dòng)機(jī)動(dòng)子（雙邊初級(jí)線圈）、動(dòng)子導(dǎo)向輪和以鋼軌為材料的導(dǎo)軌。電動(dòng)機(jī)定子有厚度30～35 mm的鋼板，粘貼永磁體；兩側(cè)安裝鋼軌電動(dòng)機(jī)動(dòng)子，由硅鋼片鐵芯、銅線繞組和動(dòng)子導(dǎo)向輪組成。動(dòng)子的背部安裝電磁剎車(chē)裝置、平衡箱和磁感應(yīng)板等。

平衡及其他輔助系統(tǒng)主要有動(dòng)子背部的平衡箱、拖動(dòng)抽油桿的扁鋼絲繩、懸繩器、防撞器、無(wú)觸點(diǎn)限位器和電磁剎車(chē)等。

直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)包括專(zhuān)用變頻器、控制面板和控制保護(hù)裝置。工作原理是直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)子在通入變頻控制器輸出的低頻電流后，沿主板上安裝的導(dǎo)軌上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)扁鋼絲繩直接與抽油桿連接（經(jīng)過(guò)承載桁架的頂部轉(zhuǎn)向輪換向）帶動(dòng)抽油桿往復(fù)抽油。具體構(gòu)造見(jiàn)圖1。

圖1 直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)構(gòu)造

2 直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)性能特點(diǎn)

2.1懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)控制系統(tǒng)在線可調(diào)獨(dú)立設(shè)定動(dòng)子每個(gè)運(yùn)行方向中的停滯換向時(shí)間、加減速時(shí)間、勻速運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)抽油桿往返運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的上快下慢，上慢下快，上下同速運(yùn)行，短時(shí)間停滯運(yùn)行抽油模式。速度值的改變可通過(guò)調(diào)節(jié)輸入頻率和極距來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不同階段的時(shí)間是可以調(diào)整。根據(jù)油井實(shí)際工況，在沖程一定的情況下，調(diào)節(jié)加減速、停滯換向及勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)對(duì)沖速進(jìn)行優(yōu)化。

2.2控制系統(tǒng)

直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)可根據(jù)井況自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，其信號(hào)采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)和油井各參數(shù)的即時(shí)采集和傳輸，還可進(jìn)行直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)的遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制?？刂葡到y(tǒng)主要由專(zhuān)用變頻控制器、可編程控制器（PLC）和檢測(cè)系統(tǒng)組成（圖2）。

圖2 直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)控制系統(tǒng)

1）專(zhuān)用變頻控制器在低頻（0～10 Hz）范圍區(qū)間對(duì)直線電動(dòng)機(jī)的換向和往返運(yùn)行速度進(jìn)行連續(xù)可調(diào)式控制，設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，使得直線電動(dòng)機(jī)工作電流的大小與抽油機(jī)的負(fù)荷大小相匹配，保證直線電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推（拉）力在最佳功效下運(yùn)行。

2）PLC控制器與專(zhuān)用變頻控制器和檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成安全智能執(zhí)行體系，由于PLC的故障率很低且有完善的自診斷和顯示功能。當(dāng)控制直線電動(dòng)機(jī)的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，可以根據(jù)編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，迅速地排除故障。采用閉環(huán)控制，直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)沖程、沖速無(wú)級(jí)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)抽油桿上快下慢、上慢下快、上下同速、運(yùn)行—短時(shí)間停滯—運(yùn)行等。

3）檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)點(diǎn)包括直線電動(dòng)機(jī)動(dòng)子的位置、抽油機(jī)懸點(diǎn)負(fù)荷和直線電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，監(jiān)控抽油機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。

2.3安全保護(hù)和報(bào)警

直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)電源控制系統(tǒng)具有電源缺相、電流過(guò)大、電壓異常、抽油桿載荷突變、電動(dòng)機(jī)溫升過(guò)高、抽油機(jī)故障等保護(hù)功能，不僅可以保護(hù)抽油機(jī)不被損傷，而且保護(hù)抽油桿不會(huì)因泵卡而拉斷。對(duì)直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作電流、動(dòng)子運(yùn)行狀態(tài)的雙重監(jiān)控，實(shí)時(shí)辨識(shí)懸點(diǎn)載荷的異常變化。當(dāng)抽油機(jī)系統(tǒng)欠載或過(guò)載、抽油桿斷脫或卡阻時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)、剎車(chē)。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效果分析

近期在H8-3井上開(kāi)展試驗(yàn)[1-2]，安裝了直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)替代原先普通游梁式抽油機(jī)，實(shí)際運(yùn)行中直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)上下沖程運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低。

目前直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)的工作正常，節(jié)能實(shí)測(cè)分析詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 抽油機(jī)井節(jié)能測(cè)試分析結(jié)果

與換前的常規(guī)抽油機(jī)相比，直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)減小了最大負(fù)荷，增加了最小負(fù)荷。直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，整個(gè)沖程的80%為勻速運(yùn)動(dòng)，最高速度低，加速度小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)載荷及慣性載荷小，能耗低。主要原因是由于直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)懸點(diǎn)的慣性載荷相對(duì)較小，抽油機(jī)在運(yùn)行、換向時(shí)比較平穩(wěn)，振動(dòng)載荷也比較小，沖程損失小，其振動(dòng)載荷和摩擦載荷比游梁式抽油機(jī)小。

從節(jié)能效果上看，試驗(yàn)井更換抽油機(jī)后節(jié)能效果明顯。由于直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，采用調(diào)速控制系統(tǒng)后，功率因數(shù)顯著提高，變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟、軟停和電動(dòng)機(jī)的無(wú)沖擊換向，取消了復(fù)雜的換向機(jī)構(gòu),啟動(dòng)電流低，把對(duì)電網(wǎng)的沖擊減到最小；同時(shí)不需要常規(guī)抽油機(jī)平衡塊，節(jié)省了平衡旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)一步減少功耗。直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)長(zhǎng)沖程、變沖速，沖程和沖速無(wú)級(jí)可調(diào)，不但有利于增加抽油機(jī)、抽油泵、整體桿柱的運(yùn)行壽命,且提高了系統(tǒng)效率和可靠性，有效提高了抽油機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

1）直線電動(dòng)機(jī)通過(guò)扁鋼絲繩直接與抽油桿連接，帶動(dòng)井下抽油泵做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，取消了常規(guī)抽油機(jī)減速箱、曲柄、連桿、游梁，以及電動(dòng)機(jī)與減速箱連接的皮帶等機(jī)構(gòu)，減少了運(yùn)動(dòng)部件，降低了維護(hù)成本。

2）直線電動(dòng)機(jī)抽油機(jī)取消了復(fù)雜的能量傳遞環(huán)節(jié)，能量傳遞更加合理，降低了抽油機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的噪音，由控制系統(tǒng)執(zhí)行，提高了抽油機(jī)運(yùn)行的可靠性安全性，其彈性緩沖作用可減小換向沖擊，減小機(jī)械磨損。

3）直線電動(dòng)機(jī)提高了傳動(dòng)效率，減少作用于軸上轉(zhuǎn)矩和變化幅度，比普通游梁式抽油機(jī)節(jié)能40%以上。

[1]中國(guó)石油集團(tuán)天然氣公司油田節(jié)能監(jiān)測(cè)中心.油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測(cè)定:SY/T6422—2008[S].北京：石油工業(yè)出版社，2008：5-6.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行：GB/T 12497—2006[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版，2006：3-4.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.011

2016-05-18

（編輯 王艷）

張波，工程師，2016年碩士畢業(yè)于西安石油大學(xué)（機(jī)械采油專(zhuān)業(yè)），從事油田節(jié)能技術(shù)管理工作，E-mail：xaute@126.com，地址：陜西延安河莊坪第一采油廠，716000。