井下直线电机驱动抽油泵技术研究进展

2015-04-23胡祺豪张慢来周志宏谢丽芳

科技视界 2015年10期

张琴胡祺豪张慢来周志宏谢丽芳

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州 434023；2 中国人民解放军91746 部队，中国北京 100000）

0 引言

井下直线电机驱动抽油泵技术是将柱塞式抽油泵与直线电机结合为一体的新型无杆采油方式[1]。直线电机置于井下，其动子与抽油泵的柱塞直接或通过接箍相连，电机通电后，通过电机动子的往复直线运动带动柱塞在抽油泵泵筒内上下运动，实现举升抽油的功能。该技术可以提高采油效率，降低采油成本，因而受到国内石油行业的普遍关注。

1 特点

与传统有杆抽油方式相比，井下直线电机驱动抽油泵技术主要具有以下特点：

（1）高效节能。用直线电机代替传统的旋转电机，虽然直线电机的功率因素较低[2]，但由于直线电机直接驱动抽油泵，省去了抽油杆、抽油机等中间传动机构，能量损失减小，系统总效率大大提高。

（2）可靠性高，维护费用低。用柱塞式抽油泵代替传统的抽油机，井口和抽油泵之间无抽油杆，从根本上杜绝了杆管偏磨等一系列问题的发生，提高了采油系统寿命，使检泵周期大大延长。

尽管直线电机在国内已经有二、三十年的发展历史，但将直线电机用于井下采油尚存在诸多不完善的地方，需要进一步探索系统设计方案的合理性，目前，主要存在以下几个方面的问题：

（1）由于井底空间限制，直线电机必须设计成细长结构，对直线电机的刚度和强度要求较高。

（2）井下温度高、散热条件差、腐蚀大[3]，对直线电机的耐温性能、耐腐蚀性能、润滑性能和密封性能等要求苛刻，设计难度较大。

（3）电源电压波动对直线电机的启动推力影响较大，需要采取相关措施保证电压的稳定。

（4）直线电机的推力与电机体积成正比，泵挂深度受到电机长度的限制。

（5）井下泵送参数的传输误差和控制精度的处理。

鉴于以上问题，井下直线电机驱动抽油泵技术的应用受到一定的限制，比较适合低产低效油井，适用于小排量、低行程、低冲次以及频繁换向采油工作。

2 研究和应用现状

目前，运用直线电机驱动抽油泵进行采油还处于试验开发阶段，专用抽油泵多为专利产品。陈明磊于2001年发明了一台直线电机往复泵[4]，泵与直线电机直联，柱塞采用永磁体，配有控制阀，通过控制器改变柱塞往复运动的频率、行程和速度以实现变流量泵送的功能，但此泵并不适合长期处于井下高温高压的恶劣环境中。2004年，山东科技大学和华北油田公司提出井下直线电机驱动抽油泵的设想[5]。2005年，西南石油大学张茂和魏秦文等人设计了一种直线电机采油泵[6]，此泵可以在最大井斜超过85°的低产油井和稠油井中稳定运行。大庆油田于2005年进行了井下直线电机驱动抽油泵的现场试验并获得了成功，与普通抽油泵相比，更加节电，泵效和系统效率均大大提升[7]。

从2007年开始，长庆油田第一采油厂在安塞油田进行了井下直线电机驱动抽油泵试验。2007 至2008 两年间，筛选了四口油井进行前期试验，出现电缆严重破损、直线电机生锈卡死、频繁结蜡过载保护等问题。为避免上述问题的发生，于2008年进行工艺技术改进，使系统的稳定性大大提高。截止2010年，已在十九口井试验成功，实施效果较好[8]。辽河油田同样应用了井下直线电机驱动抽油泵技术，截至2010年5月，沈阳采油厂前部分油井已平稳生产十一天，产液560吨，出原油12.1 吨[9]。自从2010年，在苏北油田的侧苏149 号井应用了井下直线电机驱动抽油泵技术之后，与之前的抽油机相比，免修期大大延长，节电量也大幅度提高。随着直线电机驱动抽油泵技术的发展，苏北油田对直线电机采油参数进行了优化[2]。

在直线电机抽油泵设计方面，关键是提高泵阀在一定油井参数、冲程和冲次工况下的工作性能。2010年，中国石油大学、中国石油天然气管道科研院和西南石油大学等单位运用计算流体动力学方法（CFD）对自行设计的直线电机抽油泵的固定阀进行了数值模拟，得到阀球的运动规律和最佳的设计参数[10]。2011 至2012年，东北石油大学姜民政教授设计了一种井下直线电机驱动抽油泵系统，采用圆筒型的永磁式直线同步电机，建立了直线电机驱动抽油泵系统室内试验台装置，通过试验发现系统运行时存在严重的发热现象，并得到了系统性能的变化规律和影响因素[11-12]。

3 系统方案

根据柱塞数目以及电机与柱塞的位置关系，直线电机抽油系统方案大体可分为以下三种。

3.1 方案一

井下直线电机驱动抽油泵系统主要由圆筒型直线电机、柱塞式抽油泵、进出液旁通管、进出液旁通阀、保持系统平衡的油管、游动阀和密封环组成，直线电机位于柱塞式抽油泵上方，直线电机动子和平衡油管外分别形成两个环形空腔。此方案的工作原理为：当直线电机向上运动时，抽油泵的柱塞和平衡油管在直线电机动子的带动下亦向上运动，使直线电机动子外的环形空腔内液体压力增加，推开游动阀，进入平衡油管外的环形空腔，实现进液过程；当直线电机向下运动时，抽油泵的柱塞和平衡油管在直线电机动子的带动下亦向下运动，使直线电机动子外的环形空腔内液体压力减小，游动阀自行关闭，平衡油管外的环形空腔内液体压力升高，升高到一定值时推开出液旁通阀，流进出液旁通管，实现排液过程。通过直线电机不停地上下运动，使进液和排液过程不断地重复，从而将井内液体源源不断地泵送至地面[5]。此方案是山东科技大学和华北油田公司在2004年利用井下直线电机驱动抽油泵的设想时提出的，但一直未进行试验。

3.2 方案二

此方案与方案一显著不同的是直线电机位于柱塞式抽油泵下方，固定阀位于两个游动阀上方，系统结构得以简化。直线电机带动柱塞向下运动时，容积腔体积增大，压力减小，游动阀开启，固定阀关闭，液体通过柱塞杆与泵筒之间的环形间隙以及柱塞杆上的通孔，流入游动阀阀腔，进而进入容积腔；直线电机带动柱塞向上运动时，容积腔内液体被挤压，压力增大，游动阀的阀球自动关闭，固定阀的阀球在压差作用下脱离阀座，使固定阀开启，容积腔中的液体通过阀座内孔进入阀罩，经阀球与阀罩内壁之间空隙流向阀罩出口继而被举升至地面。柱塞上行程结束，阀球落入阀座关闭[13]。安塞油田、西南石油大学和中国石油大学采用此方案进行了实验，并获得了相关实验数据。

3.3 方案三

井下直线电机驱动抽油泵系统主要由直线电机、上下柱塞式抽油泵、尾管、油管、筛管组成。上行程时，下容积腔体积增大、压力减小，下游动阀关闭，下固定阀开启，开始进液；与此同时，上容积腔体积减小、压力增大，上游动阀关闭，上固定阀开启，开始排液。柱塞下行程时，情况刚好相反。此方案与前两个方案最大的不同在于采用了两个柱塞的双作用结构，电机位于两柱塞中间，系统工作时，电机同时驱动上下柱塞往复运动[2]。苏北油田采用此方案进行了试验，试验效果较好。

4 亟待解决的关键问题

虽然有些油田及科研单位已对直线电机无杆采油技术和配套工艺进行了研究，设计了抽油泵的专利产品，但作为一种新技术，要得到广泛的应用，还需要在直线电机、泵阀总成方面进行相关研究。

4.1 研发低能耗、大推力的直线电机

目前，井下直线电机驱动抽油泵技术均采用电机动子直接带动抽油泵柱塞运动，对电机推力要求较大。未达磁饱和时增大电压可以提高电机推力，但饱和后推力增加不明显。相反，电流的增加会使电机升温，更易烧损电机。因此，研发大推力的直线电机迫在眉睫。甚至可以从改变直线电机的相关特性入手，以减小或消除电源电压波动对直线电机启动推力的影响。