磁懸浮線性電泵技術(shù)特點(diǎn)分析及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

殷 宏

（長(zhǎng)慶油田公司第六采油廠，陜西 西安 410200）

引言

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外在油田采油方面使用最多的是有桿采油設(shè)備，以游梁式抽油機(jī)為例：這種采油方式具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、容易制造、維修方便、可靠性好等特點(diǎn)，在采油領(lǐng)域已使用了上百年。但這種有桿采油方式設(shè)計(jì)初期由于受到技術(shù)條件的限制，存在很多的缺點(diǎn)：地上部分設(shè)備體型龐大、占地面積大、調(diào)整平衡困難、維護(hù)工作量大；地下部分管、桿偏磨嚴(yán)重，存在沖程損失、系統(tǒng)效率低、安全環(huán)保性能差等等[1]。

隨著線性電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到了采油設(shè)備方面，磁懸浮線性電泵采油設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，該設(shè)備把線性電機(jī)與長(zhǎng)壽命抽油泵直接連接，隨油管下到井下油層中，去掉抽油桿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無桿采油。這是一種無管、桿偏磨，占地面積小、節(jié)能降耗、安全環(huán)保、管理維護(hù)方便的先進(jìn)采油設(shè)備。

1 磁懸浮線性電泵采油工作原理

磁懸浮線性電泵采油設(shè)備由線性電機(jī)、電纜、驅(qū)動(dòng)控制器、GPRS 遠(yuǎn)程監(jiān)控器、傳感器、密封器和長(zhǎng)壽命抽油泵組成（見圖1）。

圖1 磁懸浮線性電泵采油設(shè)備原理

采用線性電機(jī)與長(zhǎng)壽命抽油泵對(duì)接，由油管下到設(shè)計(jì)泵深位置潛入到合適的井液中。電纜沿著油管外壁一端連接油層中的線性電機(jī)（見圖2），另一端連接地面的驅(qū)動(dòng)控制器。地面電源通過控制器將交流電變頻后通過電纜輸送到井下線性電機(jī)。線性電機(jī)主要由永磁動(dòng)子、定子繞組和機(jī)殼三部分組成。當(dāng)電流進(jìn)入定子繞組，其三相繞組中通入三相對(duì)稱正弦電流后，會(huì)產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似，當(dāng)三相電流隨時(shí)間變化時(shí)，氣隙磁場(chǎng)將按相序沿直線線性移動(dòng)，這個(gè)移動(dòng)的磁場(chǎng)，被稱為行波磁場(chǎng)。行波磁場(chǎng)移動(dòng)時(shí)，吸引永磁動(dòng)子上的固定磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)永磁動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)，從而使懸浮的永磁動(dòng)子帶動(dòng)長(zhǎng)壽命抽油泵柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將油井里的液體舉升到地面管道中[1]。

圖2 線性電機(jī)原理圖

2 磁懸浮線性電泵技術(shù)特點(diǎn)

2.1 可解決管桿偏磨問題

常規(guī)的油桿采油設(shè)備，即使在桿上加了扶正器，或使用HDPE 內(nèi)襯油管，也只能是減輕偏磨，只有不用抽油桿，才能徹底解決斜井、從式井、水平井的管桿偏磨難題，延長(zhǎng)油井的維修周期，節(jié)省大量鋼材投入、減少作業(yè)時(shí)間和成本。

2.2 節(jié)能效果好

動(dòng)力裝置與泵在井下直接連接，取消了傳統(tǒng)的從抽油機(jī)到泵之間的一切中間環(huán)節(jié)，沒有了抽油機(jī)平衡塊和抽油桿的無功損耗，沒有抽油桿及油管相互間產(chǎn)生的摩擦阻力，去掉了抽油桿的沖程損失，沒有油管的蠕動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了零傳動(dòng)或直接傳動(dòng)。因此舉升能耗低、損耗??；泵效可達(dá)90%以上；對(duì)低滲透間歇出油的油井，在油井不足時(shí)，設(shè)備的控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)井下傳感器傳來的信號(hào)，降低柱塞往復(fù)沖刺，減少排量，防止干抽造成的設(shè)備磨損與耗電，通過多次的油井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，與同等產(chǎn)液量的抽油機(jī)相比，耗電量減少40%以上。

2.3 環(huán)境污染小

不用抽油桿和光桿，井口無盤根，不會(huì)出現(xiàn)地面井口光桿密封器密封不嚴(yán)的泄露問題，不產(chǎn)生落地油。另外一臺(tái)常規(guī)的抽油機(jī)需要近20 t 鋼材，這些鋼材從生產(chǎn)、運(yùn)輸、切割、焊接、噴砂除銹、噴漆等環(huán)節(jié)都間接地對(duì)地區(qū)的環(huán)境造成污染，如果不用油井或少用抽油機(jī)則可減少環(huán)境污染。

2.4 便于遠(yuǎn)程控制集中管理

通過GPRS 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控油井的生產(chǎn)狀況，生產(chǎn)制度調(diào)整智能化，調(diào)整幅度更精密、更精確，解決偏遠(yuǎn)井的管理難題，能讓管理人員在辦公室的計(jì)算機(jī)上隨時(shí)掌握每個(gè)井場(chǎng)各個(gè)油井抽油設(shè)備的運(yùn)行情況，對(duì)停井及出故障的設(shè)備報(bào)警并及時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，保證油井正常生產(chǎn)（見圖3）。

圖3 油井遠(yuǎn)程監(jiān)控示意圖

2.5 防砂卡、氣鎖

本設(shè)備特殊設(shè)計(jì)了足夠的沉沙口袋，避免長(zhǎng)時(shí)間停井管注井液中的沙粒沙埋抽油泵柱塞現(xiàn)象，適用于低滲透、間歇出油的油井，另外本設(shè)備增加了抽油泵吸入口的過油面積，采油激光割縫管進(jìn)行防砂處理（見圖4）。

圖4 抽油泵原理

線性電機(jī)的動(dòng)子運(yùn)行精度很高，能使抽油泵的緩沖距控制到3～12 mm 以內(nèi)，泵的柱塞運(yùn)行時(shí)基本能達(dá)到上、下兩死點(diǎn)，氣體在泵腔中沒有存在的空間，能防止氣鎖現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.6 運(yùn)行泵效高

沒有抽油桿的彈性變形、沒有油管的蠕動(dòng)、緩沖距極小、運(yùn)行參數(shù)優(yōu)越、線性電機(jī)在油層中工作時(shí)產(chǎn)生熱量，加熱稀釋周圍油液，使油層液體加速活動(dòng)，容易開采，提高供液能力。

2.7 使用壽命長(zhǎng)

線性電機(jī)工作時(shí)動(dòng)子基本上懸浮在線性電機(jī)定子腔中運(yùn)行，磨損很小，長(zhǎng)壽命抽油泵泵筒表面采用碳氮硼三元復(fù)合滲工藝，表面硬度大于油層中的石英砂硬度，不會(huì)刮傷泵筒，防腐性能也很好，柱塞表面采用合金粉沫噴焊工藝，閥福采用硬質(zhì)合金材料，各種閥罩采用不銹鋼材料，易磨損斷裂位置采用合金材料焊接，此種工藝裝配的設(shè)備正常情況下3 年內(nèi)不會(huì)出問題。

2.8 可隨時(shí)監(jiān)控井下油層參數(shù)

設(shè)備在線性電機(jī)上設(shè)計(jì)了載波傳感器，每隔幾秒鐘會(huì)把油層中的線性電機(jī)溫度、油層溫度、承受壓力、動(dòng)子運(yùn)行情況等參數(shù)以載波形式通過動(dòng)力電纜傳給地面控制器的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過JPRS 傳給生產(chǎn)監(jiān)控室。生產(chǎn)制度調(diào)整智能化，調(diào)整幅度更精密、更精確，與油田的四化管理能緊密連接，可實(shí)現(xiàn)油井現(xiàn)場(chǎng)無人值守。

2.9 其他優(yōu)點(diǎn)

除了以上優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)外，系統(tǒng)在地面只有控制器，無任何聲音；適合在生活區(qū)、商務(wù)區(qū)的油井采油，不擾民、無噪聲污染。同時(shí)占地面積小，地面控制器，占地面積1 m2、質(zhì)量150 kg。適合海上采油，減少海上平臺(tái)的負(fù)擔(dān)。此外，由于取消了地面抽油機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，地面設(shè)備只有控制柜，維護(hù)簡(jiǎn)單，免去了以往維護(hù)抽油機(jī)的各種繁雜工作，大大減少維護(hù)工作量。

由于以上種種優(yōu)點(diǎn)，適合于在3 000 m 以內(nèi)采油的油井。適合斜井、叢式井、水平井、海上低產(chǎn)油井、居民生活區(qū)、商務(wù)區(qū)、旅游景點(diǎn)等油井的采油生產(chǎn)。

3 磁懸浮線性電泵常見問題及解決方案

根據(jù)十多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，以往設(shè)備出現(xiàn)的主要問題是電機(jī)短路（電機(jī)的絕緣、密封失效，電機(jī)內(nèi)保護(hù)管磨透進(jìn)水）、動(dòng)子磁鐵的退磁、擊穿動(dòng)力電纜使電纜無絕緣、抽油泵沙卡及壽命短等；線性電機(jī)振動(dòng)大，引起動(dòng)子與連桿脫扣；泵上油管扣松動(dòng)漏油等。針對(duì)不同部件出現(xiàn)的問題，進(jìn)行了分析、研究，分別制定出了應(yīng)對(duì)措施。

3.1 電機(jī)定子上出現(xiàn)的問題

3.1.1 密封問題

1）電機(jī)頭與機(jī)體的密封采用常規(guī)的密封圈，造成密封性能不穩(wěn)定。

解決辦法：電機(jī)頭與機(jī)體的密封采用焊接工藝，徹底解決密封性能不穩(wěn)定問題。

2）上電機(jī)頭3 根動(dòng)力電纜引出部位，僅采用密封圈密封，密封性能不穩(wěn)定。

解決辦法：電機(jī)頭外面引出電纜采用外套不銹鋼管縮孔擠壓電纜外徑，再把縮好孔的不銹鋼管焊接到電機(jī)頭上，電機(jī)頭內(nèi)側(cè)電纜采用特殊膠充填及擠壓密封圈密封的辦法徹底解決密封問題。

3.1.2 電磁線的絕緣等級(jí)及絕緣層的耐溫問題

針對(duì)常規(guī)的電磁線耐溫低及絕緣等級(jí)差的問題，采用在電磁線外圓上再纏繞一層絕緣等級(jí)高且耐高溫的亞胺帶，把線圈纏繞成型后進(jìn)烘箱烘烤，亞胺帶上的自粘膠與電磁線緊緊粘在一起，這樣制成的線圈絕緣達(dá)到H 級(jí)，耐溫380 ℃以上。檢測(cè)線圈的絕緣性能采用把線圈放到水里進(jìn)行檢測(cè)，這樣即使在使用過程中定子腔進(jìn)水，線圈也能正常工作。

3.1.3 定子內(nèi)管的耐磨問題

定子內(nèi)管是保護(hù)電機(jī)線圈的，一旦磨破，水就會(huì)進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，電機(jī)的絕緣就會(huì)失效。

解決辦法：在電機(jī)的定子內(nèi)管內(nèi)表面增加耐磨層，每隔1 m 加一個(gè)內(nèi)孔帶氮化鈦涂層的硬質(zhì)合金耐磨環(huán)，這樣就能保證電機(jī)在正常情況下，10 年內(nèi)不會(huì)磨透定子內(nèi)管。

3.2 電機(jī)動(dòng)子上出現(xiàn)的問題

3.2.1 磁鐵遇高溫退磁與易碎問題

常規(guī)磁鐵的矯頑力低，當(dāng)溫度升高到一定值后，剩磁下降很快，出現(xiàn)丟磁現(xiàn)象，造成線性電機(jī)推力下降很多。永磁體含有大量的鐵和釹，因此比較容易銹蝕，化學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)較差，磁鐵極易腐蝕，易丟磁。材料質(zhì)地硬而脆，易碎。

解決辦法：選用耐溫高達(dá)340 ℃的釤鈷磁鐵（SmCo32）；在線性電機(jī)[2]里面加裝溫度傳感器，溫度上升到一定值（150 ℃），驅(qū)動(dòng)器控制線性電機(jī)自動(dòng)進(jìn)行降低沖次或者停機(jī)保護(hù)；動(dòng)子外圓加1 層保護(hù)套，不受外力，與外界液體隔離。

3.2.2 磁鐵的剩磁（BR）及耐磨問題

磁鐵的剩磁小，電機(jī)的推力就小，磁鐵是不耐磨的。

解決辦法：選用剩磁大的牌號(hào)（SmCo32），另外在2 個(gè)磁鐵中間加1 個(gè)外徑大于磁鐵外徑的耐磨環(huán)（導(dǎo)磁環(huán)），保護(hù)磁鐵。

3.3 電機(jī)動(dòng)子及定子之間的氣隙值及防沙密封問題、呼吸問題

3.3.1 氣隙值問題

動(dòng)子與定子之間的氣隙與電機(jī)的推力成指數(shù)關(guān)系，氣隙過小摩擦力會(huì)增大。要選一個(gè)合理的氣隙值。

解決辦法：經(jīng)仿真優(yōu)化后，氣隙值取2.3 mm。

3.3.2 容積出現(xiàn)變化問題

動(dòng)子在運(yùn)行時(shí)，定子內(nèi)的容積會(huì)發(fā)生變化，會(huì)對(duì)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙。

解決辦法：加呼吸器；動(dòng)子外徑與密封防沙推桿直徑尺寸一樣，減小容積變化；在電機(jī)頭兩端加防沙器。

3.4 電機(jī)的溫度保護(hù)及智能控制問題

線性電機(jī)在運(yùn)行時(shí)溫度會(huì)升高，如果遇到供液不足時(shí)，液體不能及時(shí)給電機(jī)冷卻，電機(jī)溫度會(huì)很高，這樣電機(jī)的絕緣、密封會(huì)被破壞，磁鐵達(dá)到一定溫度會(huì)丟磁。

解決辦法：加裝溫度傳感器，溫度上升到一定值，驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)自動(dòng)進(jìn)行降低沖次或者停機(jī)保護(hù)。

3.5 電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的問題

線性電機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大，原因是多方面的，如電機(jī)內(nèi)孔與動(dòng)子外圓的加工裝配同軸度與直線度差；電機(jī)定子線圈的節(jié)距與動(dòng)子上的磁鋼節(jié)距不對(duì)應(yīng)；驅(qū)動(dòng)器是開環(huán)控制，對(duì)電機(jī)因參數(shù)設(shè)計(jì)不合理出現(xiàn)丟步后不能診斷等都會(huì)引起振動(dòng)。

解決辦法：嚴(yán)格控制線性電機(jī)配件的加工精度，提高裝配精度，保證線性電機(jī)的定子節(jié)距與動(dòng)子節(jié)距完全吻合，采用半閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)器，合理選擇運(yùn)行參數(shù)，嚴(yán)格監(jiān)控線性電機(jī)的運(yùn)行情況，出現(xiàn)丟步現(xiàn)象立即調(diào)整參數(shù)消除；確保線性電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

4 磁懸浮線性電泵使用要求

要保證磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備在油田油井中正常運(yùn)行，首先要解決設(shè)備在以往的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，延長(zhǎng)設(shè)備在井下的運(yùn)行時(shí)間，滿足油田對(duì)采油設(shè)備的使用要求，油田對(duì)采油設(shè)備的使用要求一般有系統(tǒng)的壽命要求，滿足油井正常的產(chǎn)量要求，售后服務(wù)等。

4.1 系統(tǒng)的壽命要求

磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備主要包括：線性電機(jī)、長(zhǎng)壽命抽油泵、專用電纜、控制器，任何一項(xiàng)出故障，整個(gè)設(shè)備都不能運(yùn)行，要保證整個(gè)設(shè)備正常工作，各組成部分必須在限定的時(shí)間內(nèi)不出問題：線性電機(jī)的壽命要求大于10 年，長(zhǎng)壽命抽油泵的壽命要求大于700 d，地面控制柜的壽命要求大于5 年，電纜的壽命要求大于5 年。

電纜損壞主要由以下原因引起：

1）下井作業(yè)過程中損傷電纜；尤其是在斜井中，電纜在造斜點(diǎn)處容易損傷。

措施：首先嚴(yán)格按照電泵井下工藝進(jìn)行作業(yè)，其次采用新工藝，先下磁懸浮線性電機(jī)、壽命抽油泵油管，等作業(yè)完成后再把電纜從油管內(nèi)孔中下入井下，電纜插頭在井下自動(dòng)與電機(jī)對(duì)接[4]。

2）瞬間高沖擊電流容易損傷電纜。

措施：在驅(qū)動(dòng)器上設(shè)定最大安全電流、在驅(qū)動(dòng)器輸出端加裝正玄波濾波器、清除電流波形的毛刺，保護(hù)電機(jī)、電纜不被峰值電纜擊穿絕緣

3）腐蝕損壞電纜。

措施：對(duì)礦化度高的油井選用耐腐蝕能力高的電纜。

設(shè)備配套的長(zhǎng)壽命抽油泵[3]經(jīng)過幾千次的井下使用證明使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于700 d（設(shè)計(jì)壽命2～3年）?？刂乒衲壳笆褂玫尿?qū)動(dòng)器技術(shù)比較成熟，具有出色的電流環(huán)，速度環(huán)以及位置環(huán)控制功能，可實(shí)現(xiàn)有位置反饋和無位置反饋的精確控制，在無位置反饋應(yīng)用中，有著無以倫比的卓越特性，具有響應(yīng)速度快，定位誤差小的特點(diǎn)：

1）獨(dú)特的位置控制模式，可精確控制移動(dòng)距離以及移動(dòng)速度。

2）獨(dú)特的溫度算法，能準(zhǔn)確得知電機(jī)溫度，從而有效的保護(hù)電機(jī)。

3）具備遠(yuǎn)程GPRS 功能，使管理人員不在現(xiàn)場(chǎng)也能知道設(shè)備的數(shù)據(jù)，方便管理。

4）超強(qiáng)的電壓適應(yīng)能力，使驅(qū)動(dòng)器能適應(yīng)野外工作能力，在電壓波動(dòng)的情況下，依然能保持強(qiáng)大的輸出能力。自適應(yīng)的電壓功能，能保證電機(jī)正常工作，同時(shí)具備防雷擊功能，保證設(shè)備24 h 正常工作。

5）完善的保護(hù)功能，保證驅(qū)動(dòng)器在各種異常狀態(tài)下，能迅速啟動(dòng)保護(hù)功能，保證設(shè)備安全。同時(shí)，簡(jiǎn)捷的參數(shù)設(shè)置大大提高客戶的使用效率。

4.2 滿足油井正常的產(chǎn)量要求

根據(jù)油井的參數(shù)要求，進(jìn)行科學(xué)合理的油井作業(yè)工藝設(shè)計(jì)，選取相應(yīng)的磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備。

4.3 售后服務(wù)要求

嚴(yán)格參照石油行業(yè)對(duì)石油裝備的售后服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合油田的要求制定相應(yīng)的售后服務(wù)內(nèi)容，并嚴(yán)格執(zhí)行。

通過以上措施生產(chǎn)出的磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備，設(shè)備的壽命、油井正常的產(chǎn)量都能達(dá)到油田客戶要求，與現(xiàn)有常規(guī)采油設(shè)備相比有明顯優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行成本低，售后服務(wù)有保障。

磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備是常規(guī)采用方式的一個(gè)補(bǔ)充，設(shè)計(jì)之初就是從解決管、桿偏磨，節(jié)能、安全環(huán)保、管理方便尤其是解決偏遠(yuǎn)油井管理困難入手的；現(xiàn)在各油田的大斜度井、水平井、從式井很多，常規(guī)有桿采油肯定出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象；海上、家屬區(qū)、景點(diǎn)、商務(wù)區(qū)等存在的油井，對(duì)地面的安全環(huán)保、占地面積等都有影響，而磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備的應(yīng)用，在這些地區(qū)便能很好地解決這些問題。

5 磁懸浮線性電泵應(yīng)用推廣情況

磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備自問世以來的10 多年里，在長(zhǎng)慶、大慶、勝利等油田前后經(jīng)過幾百次的井下應(yīng)用，大慶油田最早使用磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備，到目前也是使用最多的油田，完全解決了偏磨問題，每口油井使用后比以往節(jié)能40%以上，有的節(jié)能達(dá)到60%，降低了地面維護(hù)費(fèi)用和運(yùn)行成本[4]。

勝利油田石油開發(fā)中心，在延伸到海里的墾東12 人工島4 個(gè)島上有油井近100 口，全是從式井，相鄰油井之間的距離很近，普通的抽油機(jī)擺放不開，油井井身的走勢(shì)全是大斜度井。從2008 年陸續(xù)安裝了磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備約50 臺(tái)，有效解決了在海上大密度、大斜度油井不能用常規(guī)設(shè)備采油的難題，管桿偏磨、地面安全環(huán)保問題得以解決。

2008 年，長(zhǎng)慶油田陸續(xù)安裝了一些磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備，該油田老井比較多，油井套管變形大，井身軌跡拐點(diǎn)多，斜度大；有很多油井泵掛深（多數(shù)在1 850 m），排量大且間歇出油，多數(shù)油井都在偏遠(yuǎn)的山上，管理困難。經(jīng)過多年的運(yùn)行，很好地解決了以往使用常規(guī)有桿采油設(shè)備出現(xiàn)的管桿偏、耗能大、地面安全環(huán)保差、運(yùn)行成本高、油井管理困難等難題。

2013 年，勝利油田勝機(jī)公司在長(zhǎng)慶油田采油三廠92-39 油井安裝了一臺(tái)磁懸浮線性電機(jī)采油設(shè)備，泵掛1 850 m，排量10 m3/d，與以往使用抽油機(jī)相比，每天節(jié)電50%，正常運(yùn)行到2017 年1 月，因油井周圍需再打新井而把設(shè)備提出，前后運(yùn)行近4 年，只需要通過GPRS 在公司的辦公室里對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，很少出現(xiàn)故障。

該設(shè)備的推廣應(yīng)用，為國(guó)家節(jié)省了大量的鋼材，針對(duì)油田修井對(duì)環(huán)境造成的傷害有很大程度改善。該設(shè)備的應(yīng)用，能提升我國(guó)石油機(jī)械采油工藝水平，實(shí)現(xiàn)智能采油，與油田目前的“四化”建設(shè)能很好地結(jié)合在一起。