潛油直線電機(jī)柱塞泵的研究與應(yīng)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(tuán)公司，遼寧盤錦 124010；4.寶石花物業(yè)公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)采油設(shè)備大部分為游梁式抽油機(jī)，其構(gòu)成主要由抽油機(jī)、抽油桿、抽油泵組成，應(yīng)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(jī)調(diào)參等[1]。為了克服這些弊端，對(duì)無桿采油技術(shù)原理進(jìn)行研究，采用新技術(shù)設(shè)計(jì)了直線電機(jī)，取消抽油桿和抽油機(jī)，泵實(shí)現(xiàn)新舉升方式的采油技術(shù)。并根據(jù)采油設(shè)備生產(chǎn)工藝流程，開發(fā)了人機(jī)界面應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及監(jiān)控；優(yōu)化抽油泵體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)上下行程往復(fù)做功、雙向排油，節(jié)省設(shè)備功率耗能，解決油桿偏磨問題。

該技術(shù)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(yīng)性更好，及在低產(chǎn)井、斜井、叢式井、水平井和稠油井采用，應(yīng)用于低液量及偏磨對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行效率與維修影響較大的采油井，更能發(fā)揮其節(jié)能優(yōu)勢(shì)[2-4]。

1 技術(shù)分析

直線電機(jī)泵采油系統(tǒng)由直線電機(jī)、抽油泵和地面控制系統(tǒng)三部分組成（圖1）。潛油直線電機(jī)柱塞泵的工作原理：通過地面控制系統(tǒng)，地面電源將交流電經(jīng)變頻后用扁平動(dòng)力電纜輸送給井下直線電機(jī)，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使其動(dòng)子在電磁感應(yīng)作用下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)抽油泵柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將井液源源不斷地舉升到地面。

圖1 潛油直線電機(jī)泵組成

電機(jī)與泵為一體，下放至井下。采油舉升過程中，電機(jī)向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)液口下凡爾打開吸油，下泵凡爾關(guān)閉，同時(shí)頂去上作用泵腔體體積油液推進(jìn)油管做功；向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)液口下凡爾關(guān)閉，下泵凡爾打開吸油，同時(shí)頂出上作用泵腔體體積油推液進(jìn)油管做功，實(shí)現(xiàn)一次吸油上下兩次排油、將原油提升至地面。

2 整體設(shè)計(jì)

2.1 直線電機(jī)設(shè)計(jì)

直線電機(jī)由定子和動(dòng)子組成，其中：定子由環(huán)形的帶槽的硅鋼片組成，槽內(nèi)安裝三相定子繞組，繞組極距設(shè)計(jì)為45 mm，單節(jié)電機(jī)繞組長(zhǎng)度810 mm（圖2、圖3）；動(dòng)子是由徑向環(huán)形充磁的N 極（灰色）、S 極（藍(lán)色）和磁環(huán)組成，環(huán)內(nèi)側(cè)包圍非導(dǎo)磁材料，中間是空心腔體流動(dòng)井液（圖4）。

圖2 直線電機(jī)總成局部結(jié)構(gòu)

圖3 直線電機(jī)單節(jié)定子結(jié)構(gòu)

圖4 直線電機(jī)徑向充磁動(dòng)子總成

直線電機(jī)可以看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將電機(jī)的圓周展開成直線，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子演變?yōu)橹本€電機(jī)的次級(jí)、定子演變?yōu)槌跫?jí)。直線電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)初級(jí)、短次級(jí)的方式，定子繞組槽、轉(zhuǎn)子永磁體采用密封設(shè)計(jì)[5]。

2.2 抽油泵設(shè)計(jì)

在常規(guī)柱塞抽油泵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(jī)動(dòng)子相接。另外在直線電機(jī)頂側(cè)增加上作用泵，這樣可以實(shí)現(xiàn)向下行程也能采油提升出井口[6]，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)向上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，均可做功排油。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)主要由變壓器、變頻器、PLC、觸摸屏、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模塊等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)操作控制、參數(shù)調(diào)整、系統(tǒng)保護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘7]。

控制流程如圖5 所示：上電啟動(dòng)操作，檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行的位置，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果通過變頻器調(diào)速方式控制電機(jī)的速度和動(dòng)子位置，使動(dòng)子按向上、向下行程運(yùn)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)的電機(jī)數(shù)據(jù)超過額定值時(shí)停機(jī)保護(hù)；也可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行智能管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停和監(jiān)視控制。

圖5 電氣控制流程

人機(jī)控制界面如圖6 所示，利用觸摸屏或智能移動(dòng)設(shè)備可在軟件界面上實(shí)現(xiàn)在線調(diào)參，通過人機(jī)物聯(lián)網(wǎng)智能通信模塊，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)[8-9]。

圖6 人機(jī)控制界面

3 室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

潛油直線電機(jī)泵系統(tǒng)的樣機(jī)制造完成后，在第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)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(shè)備電壓380 V，電流50 A。

試驗(yàn)中對(duì)直線電機(jī)一體化潛油泵在不同溫度、不同壓力下觀察排量的變化，驗(yàn)證其能耗損失等功能，同時(shí)在90°直井和45°傾井進(jìn)行模擬試驗(yàn)，分別改變沖次和壓力，相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1 和表2。

表1 90°垂直井模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 45°斜井模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，測(cè)試壓力穩(wěn)定在15 MPa，相當(dāng)于模擬1500 m井深；直線電機(jī)機(jī)泵一體化潛油泵系統(tǒng)實(shí)測(cè)耗電量為0.7～2.2 kW/h；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)實(shí)際排量3.90～12.15 m3，平均泵效83.3%。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

選用遼河油田某作業(yè)點(diǎn)區(qū)塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，井號(hào)為T33-9-9，平原海拔20 m，井齡12 年，主要技術(shù)參數(shù)有：日產(chǎn)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(jī)泵的電纜為外掛安裝，

其與游梁式抽油機(jī)在同一口油井測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 兩種采油設(shè)備在T33-9-9 井的試驗(yàn)結(jié)果

通過數(shù)據(jù)對(duì)比，顯示新設(shè)備日耗電量降低1/2，系統(tǒng)效率提高2 倍，經(jīng)濟(jì)增效明顯。

綜合室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該潛油電泵設(shè)計(jì)合理、安全可靠、運(yùn)行平穩(wěn)，具有明顯的創(chuàng)新性和實(shí)用性，滿足潛油無桿采油技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過無桿采油技術(shù)的研究應(yīng)用對(duì)比，在技術(shù)性、安全性、能耗、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等方面具有重大改進(jìn)[10]，具體結(jié)論如下：

（1）潛油直線電機(jī)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(dòng)，不存在盤根處漏油液，滿足環(huán)保要求。

（2）無桿采油直線電機(jī)潛油泵是將直線電機(jī)動(dòng)子與抽油泵內(nèi)的柱塞相接，利用電纜傳輸電能給直線電機(jī)，電機(jī)動(dòng)子直接驅(qū)動(dòng)柱塞式抽油泵，上下往復(fù)完成舉升運(yùn)動(dòng)。由于沒有減速和換向機(jī)構(gòu)，采用間歇供電，間歇時(shí)間不用電，達(dá)到節(jié)能的目的，考慮現(xiàn)場(chǎng)工況各種情況，節(jié)電可達(dá)70%。

（3）新設(shè)備采用智能物聯(lián)技術(shù)、變頻器控制，可在線調(diào)參（調(diào)沖次范圍0.1～8.0 次/min）、調(diào)頻率等各種工作參數(shù)、有安全保護(hù)及故障信號(hào)顯示等功能，簡(jiǎn)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(duì)垂直井管桿偏磨嚴(yán)重油井，減少作業(yè)次數(shù)與作業(yè)時(shí)間、延長(zhǎng)抽油管使用時(shí)間，降低成本明顯，對(duì)垂直井泵掛深度1500～2000 m 的難采區(qū)塊，該產(chǎn)品更顯優(yōu)勢(shì)。

（5）新產(chǎn)品工作狀態(tài)為斷續(xù)，沖次范圍0.1～8.0 次/min，目前低油價(jià)狀態(tài)對(duì)各油田低產(chǎn)井、廢棄低產(chǎn)油井，應(yīng)用本產(chǎn)品，仍有較好經(jīng)濟(jì)價(jià)值。