直線電機(jī)往復(fù)泵采油控制技術(shù)的研究

胥宗祥,劉曙光,鄧 巖

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西西安,710048）

直線電機(jī)往復(fù)泵采油控制技術(shù)的研究

胥宗祥,劉曙光,鄧 巖

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西西安,710048）

目前各油田的抽油設(shè)備多為游梁式抽油機(jī)，其存在的主要問(wèn)題是能耗大、效率低。而直線電機(jī)抽油機(jī)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，舍棄了大部分變速傳動(dòng)環(huán)節(jié)，將傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)變?yōu)橹本€往復(fù)驅(qū)動(dòng)，使直線電機(jī)抽油機(jī)具有更加完善的運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)力性能和平衡性能。論文首先探討了低滲透油田采油機(jī)理，進(jìn)而分析了直線電機(jī)等效電路和機(jī)械特性，在此基礎(chǔ)上提出了直線電機(jī)往復(fù)泵采油工藝方案。試驗(yàn)結(jié)果證明，該工藝解決了桿管偏磨問(wèn)題，提高了能源利用率，延長(zhǎng)了檢泵修井周期，是采油廠降本增效行之有效的采油工藝。

直線電機(jī);往復(fù)泵;采油工藝

1 采油機(jī)理

低滲透油田流體滲流存在啟動(dòng)壓力梯度，呈“非達(dá)西”滲流特征。由于存在啟動(dòng)壓力梯度，將會(huì)降低油井生產(chǎn)能力，滲透率越低，井距越大，其影響程度越大。當(dāng)存在啟動(dòng)壓力時(shí)，油井產(chǎn)量的計(jì)算公式如下：

式中：Pe為供油邊界壓力，MPa；re為供油半徑，m；Pw為井底壓力，MPa；rw為井筒半徑，m；為流體屈服應(yīng)力，Pa；h為油層厚度，m；K為滲透率為流體黏度，為孔隙度，%；Q為產(chǎn)量，m3/d。

式（1）說(shuō)明通過(guò)不斷提高產(chǎn)液量保持油田穩(wěn)產(chǎn)，應(yīng)主要立足于兩項(xiàng)措施：一是盡可能不斷放大生產(chǎn)壓差；二是進(jìn)行油藏改造，即通過(guò)壓裂酸化等措施盡量提高油層的滲流能力。國(guó)內(nèi)許多油田儲(chǔ)層物性差，油藏改造效果差，應(yīng)盡可能能不斷放大生產(chǎn)壓差，才能取得較好的開(kāi)發(fā)效果。令Q=0，則有，得到，即在此壓差下生產(chǎn)，該層不動(dòng)用。令，只有當(dāng)Pe-Pw>C時(shí)，該層才動(dòng)用。

地下抽油機(jī)可以改善近井地帶的滲流條件。大壓差生產(chǎn)提高了流體的滲流速度，且井壁周?chē)鷿B流速度更高，當(dāng)?shù)貙恿黧w速度達(dá)到一定值后，地層會(huì)發(fā)生剪切破壞，砂巖地層結(jié)構(gòu)就會(huì)受到破壞，一些膠結(jié)物就會(huì)脫落，這有利于地層滲透率的增大，改善了近井地帶的滲流條件。因此，使用地下抽油機(jī)采油不僅降低了井底流壓，同時(shí)也改善了近井地帶滲流條件，這對(duì)于提高油井單井產(chǎn)量，充分發(fā)揮單井產(chǎn)能有著顯著的作用。

2 直線電機(jī)往復(fù)泵采油工作原理

3 直線電機(jī)采油工藝

直線電機(jī)采油系統(tǒng)組成如圖1所示，包括地面電控柜、電纜專(zhuān)用井口、動(dòng)力電纜、倒置下拉抽油泵和細(xì)長(zhǎng)筒交流永磁直線同步電機(jī)。系統(tǒng)采用電機(jī)下行程做功、倒置下拉抽油泵下行程出液的方式設(shè)計(jì)，電機(jī)次級(jí)行程與頻次無(wú)級(jí)可調(diào)。由地面電氣控制柜對(duì)工作參數(shù)（沖程、沖次）進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)電機(jī)溫度、電流、電壓和功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 直線電機(jī)采油系統(tǒng)組成Fig.1 Components of linear motor oil production system

圖2 往復(fù)泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structural diagram of reciprocating pump

圓筒直線電機(jī)次級(jí)中心管與上下柱塞相連并驅(qū)動(dòng)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上行程：下泵游動(dòng)閥關(guān)閉，固定閥打開(kāi)，柱塞下端腔室體積增大、壓力減少，完成進(jìn)液；同時(shí)上固定閥關(guān)閉，游動(dòng)閥打開(kāi)，這時(shí)將上泵游動(dòng)閥上端的液體置換進(jìn)來(lái)，同時(shí)下泵游動(dòng)閥上端至上泵固定閥下端的腔室變小壓力升高，液體沿出液通道擠出上端單流閥，完成出液。下行程：上泵游動(dòng)閥關(guān)閉，固定閥打開(kāi)，柱塞上端腔室體積增大、壓力減小，完成進(jìn)液，同時(shí)下泵固定閥關(guān)閉，游動(dòng)閥打開(kāi)，這時(shí)將下泵游動(dòng)閥下端的液體置換進(jìn)來(lái)，同時(shí)上泵固定閥關(guān)閉，游動(dòng)閥打開(kāi)，這時(shí)將下泵游動(dòng)閥下端的液體置換進(jìn)來(lái)，同時(shí)上泵游動(dòng)閥下端至下泵固定閥上端的腔室體積變小壓力升高，液體沿出液通道擠出上端單流閥，這樣循環(huán)往復(fù)，將井液源源不斷地舉升到地面，完成整個(gè)采油過(guò)程。

3.2 往復(fù)泵工作原理

為了防止電機(jī)轉(zhuǎn)子受壓失穩(wěn)，采用下拉做功方式設(shè)計(jì)工作狀態(tài)，因此抽油泵工作狀態(tài)與常規(guī)抽油泵相反，結(jié)構(gòu)如圖2所示。倒置下拉泵基本工作原理為：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；泵下行程時(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。

3.3 電氣控制要求

采油系統(tǒng)的配電和直線電機(jī)的控制由地面的智能控制柜完成。控制柜的核心部件是變頻器和控制器。控制器有程序控制，設(shè)定沖程、沖次、頻率、電流反饋，自動(dòng)降頻、降沖次，采用變頻控制形式進(jìn)行調(diào)速，在最大排量?jī)?nèi)隨意在線調(diào)節(jié)沖次，控制產(chǎn)液量。調(diào)整沖次范圍：0.1～8次/min。此外，電控柜在遇到蠟卡、停電等異常工況時(shí)，具有過(guò)載保護(hù)和自動(dòng)啟停功能，方便生產(chǎn)管理。

4 直線電機(jī)等效電路與機(jī)械特性

4.1 等效阻值與功率損耗

定子鐵心的每相每極的初級(jí)匝數(shù)為N1p，當(dāng)沿鐵心長(zhǎng)度范圍中心區(qū)域的繞組和邊端區(qū)域繞組結(jié)構(gòu)相同時(shí)，可求出換算到初級(jí)的每相電阻值。

式中：Re為邊端效應(yīng)消耗功率的等效電阻初級(jí)換算值，Ω；Rf為邊端作用有效部分功率等效電阻初級(jí)換算值，Ω；R1為邊端作用無(wú)效部分功率等效電阻初級(jí)換算值，Ω；Pe為進(jìn)入邊端的邊端效應(yīng)消耗功率，kW；P’e為離開(kāi)邊端的邊端效應(yīng)消耗功率，kW；E1為初級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；p為極對(duì)數(shù)；0.2~0.4；為初級(jí)鐵心疊片厚度，m；，Kr為橫向邊端效應(yīng)系數(shù)；為次級(jí)電導(dǎo)率為次級(jí)導(dǎo)體厚度，m；；s為轉(zhuǎn)差率，且波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子內(nèi)圓表面上的同步速度為電機(jī)工作頻率，Hz； v為次級(jí)移動(dòng)速度，

進(jìn)入邊端的輸出功率Pf和離開(kāi)邊端的輸出功率P’f為

進(jìn)入邊端的邊端效應(yīng)損耗P1和離開(kāi)邊端的邊端效應(yīng)損耗P’為

式中：Bm為邊端效應(yīng)磁通密度最大值，Wb/m2。

4.2 初級(jí)電流

初級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1和端電壓U1之間的關(guān)系為

圖3 直線電機(jī)等效電路Fig.3 Linear motor equivalent circuit

初級(jí)電流I1可由下式求出

式中，U1為初級(jí)每相端電壓有效值，V；E1為初級(jí)每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，V；r2為次級(jí)每相繞組電阻，Ω；b0為勵(lì)磁電抗，Ω。且

式中，r1為初級(jí)每相繞組電阻，Ω；x1為初級(jí)每相漏電抗，Ω。

4.3 驅(qū)動(dòng)力

令Fc為中心區(qū)域驅(qū)動(dòng)力（N），F(xiàn)e為邊端區(qū)域驅(qū)動(dòng)力（N），直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力為中心區(qū)域驅(qū)動(dòng)力和邊端區(qū)域驅(qū)動(dòng)力之和，總驅(qū)動(dòng)力F為

因此，總驅(qū)動(dòng)力F可用次級(jí)端電壓U1表示為

設(shè)Sfm為最大值時(shí)的轉(zhuǎn)差率，則因此，最大驅(qū)動(dòng)力Fm為

s=1時(shí)，則啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)力

圖4 不同電機(jī)功率、泵徑對(duì)應(yīng)采油系統(tǒng)揚(yáng)程Fig.4 The lift of oil production system with different motor power，pump diameters

在不考慮邊端效應(yīng)的情況下，圓筒型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的推力Fst為

且有

4.4 直線電機(jī)參數(shù)確定

5 工程應(yīng)用

試驗(yàn)用采油系統(tǒng)基本性能參數(shù)為：揚(yáng)程1151～6741m，液量0.4～18.2m3/d，沖程：0～1.4m，沖次0～8/min，動(dòng)液面＞50m，電壓380、660V，井溫120℃。系統(tǒng)揚(yáng)程由配套的直線電機(jī)功率和抽油泵直徑共同決定。電機(jī)功率、抽油泵直徑與電機(jī)揚(yáng)程的關(guān)系如圖3所示。

直線電機(jī)基本性能參數(shù)為：額定電流35A，額定電壓380V，額定功率10kW，推力20kN，整體耐壓25MPa，外徑114mm，長(zhǎng)度4800mm，絕緣等級(jí)H，防護(hù)等級(jí)IP58。

試驗(yàn)井選用了某油田的3口井，最大井深1659m，最小液量2.33m3/d，平均液量3.14m3/d，平均泵掛1016m，平均沉沒(méi)度176m。通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)3口井試驗(yàn)前、后效果對(duì)比如表1所示。從試驗(yàn)結(jié)果看，平均系統(tǒng)效率達(dá)到24.6%，平均泵效達(dá)到80.6%，平均節(jié)電率29.0%。

6 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)今石油工業(yè)生產(chǎn)中，寬廣遼闊的地形、復(fù)雜多樣的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及高昂的成本費(fèi)用使得潛油電泵系統(tǒng)需要在滿足生產(chǎn)目的的同時(shí)要能夠有高效率和高實(shí)用性。直線潛油電泵舉升工藝技術(shù)作為一種擁有強(qiáng)大的耐磨性、耐腐蝕性以及耐壓性的先進(jìn)技術(shù)，無(wú)論是在海上采油平臺(tái)還是灘海陸岸人工島都有著廣闊的應(yīng)用前景。

表1 試驗(yàn)井試驗(yàn)前、后效果Tab.1 The performance before and after testing in the test well

[1] 王祥立，司高鋒. 直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的大排量潛油抽油泵及其應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2012，40(1): 78-80.

[2] 李振寧，劉海靜，曲雯穎. 新型水力潛油泵的研究與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2011，39(9): 84-86.

[3] 梁會(huì)珍，段寶玉，陳庭舉，等. 直線電機(jī)作為井下泵動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)想[J]. 石油鉆采工藝，2004，26(3): 75-77.

Research on Downhole Linear Motor Reciprocating Pump

Xu Zongxiang,Liu Shuguang,Deng Yan
(School of Electronic and Information Eng.,Xi’an Polytechnic University,Shaanxi,Xian,710048)

At present the pumping units are used widely in oil fields, their main problems are wasting energy,low efficiency.While a linear motor pumping unit removes many shift gears structures,turn the traditional circum rotary drive into linear reciprocation drive,which made the units have more perfect motion performance,dynamic performance,and balance performance.The low permeability oil field’s production mechanism is discussed, the equivalent circuit and mechanical properties of the linear motor is also analysed,furthermore the linear motor reciprocating pump production technology scheme is proposed in this paper.The test results prove that the oil production technology is effective to improve efficiency for oil production plant because it can solve the problems of side wearing,improve energy utilization rate, extend inspection pump and repair well cycle.

Linear motor;reciprocating pump;oil production technology

TE922

A

胥宗祥（1991-），男，周口市人，碩士研究生，西安工程大學(xué)。主要研究方向?yàn)槭豌@采一體化成套電控系統(tǒng)。