直线电机双向抽油泵的设计研究

吕新青

摘 要：对直线电机抽油系统进行了简单介绍，对系统以往配装的单向抽油泵之不足进行了分析，对适合该系统的双向抽油泵从理论到实践进行了论述。双向泵可大大缓解直线电机系统推力不足的问题，在排量和井深相同的情况下，使用双向泵可减小电机的推拉力，降低能耗，实践证明，双向泵同以往的单向泵相比，优势非常明显。

关键词：直线电机 抽油泵 双向 受力分析

中图分类号：TE933 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（b）-0031-03

目前，各油田的机械采油大都使用传统的抽油机、抽油杆和抽油泵（以下简称三抽）设备，三抽设备存在诸多弊端，如，设备十分笨重、体积庞大、造价高、耗能大，而且在抽油过程中难免出现油杆和油管偏磨问题。为解决上述问题，近些年開发出了直线电机抽油系统。该系统省去了抽油机和抽油杆，彻底解决了杆管偏磨问题，且可实现远程控制、智能化采油。经过进一步完善，对于小排量的油井来说，它将是对三抽设备的一场革命。该系统的不足之处是目前研制的直线电机推力都比较小，一般为1.5～2.0 t。该系统的结构是把圆筒式直线电机同抽油泵一起下入油井，直线电机在抽油泵的下面，直线电机的定子与抽油泵的泵筒相连，直线电机的动子与柱塞相连。工作时，电机动子带动柱塞上下往复运动，实现抽油。该文所探讨的双向抽油泵替代以往的单向抽油泵， 改善了上述不足。

1 常用的结构形式与不足

常规的结构形式都是单向冲程举升油液，如图1所示，由电机动子通过推拉杆驱动柱塞，柱塞推拉杆为空心杆，下端有进油孔，当柱塞下冲程时，固定阀关闭，游动阀打开，油液经进油孔进入柱塞上面的泵筒内，下冲程不排出油液。当柱塞上冲程时，游动阀关闭，固定阀打开，柱塞上面泵筒内的油液被排出。

（1）单向泵一次往复冲程的理论排量。

如图1所示，当柱塞上冲程时，容积R缩小，R中的油液被排出，设其冲程为H，泵径为D，理论排量用Q表示：

（2）单向泵所需电机的上推力应克服以下3种力。

① 柱塞上面油液的总压力F。

式中： p为上冲程时柱塞上面的油液压力，参照流体力学的相关理论[1]，该文只做定性探讨，不做定量运算。p主要由4部分组成：p1为井口压力；p2为井深所构成的单位面积液柱压力；p3为油液流过固定阀等管口处的压力损失；p4为油液沿油管流动所产生的沿程压力损失。

p=p1+p2+p3+p4

②柱塞与泵筒的半干摩擦力F1。

③柱塞总成、推杆及电机动子的重量之和F2。

在上述3种力中，F为主要因素，以下的研讨中，F1和F2暂忽略不计，故而可认为，直线电机单向抽油泵所需的上推力为 ，而下冲程时不举升油液，电机处于空跑浪费状态。

2 双向抽油泵的设计研究

制约直线电机采油系统推广应用的主要原因之一，就是目前直线电机的推力都比较小，一般为1.5～2.0 t，而要开发研制大推力的直线电机，尚需攻克许多技术难关。

该文所探讨双向抽油泵替代以往的单向抽油泵，会大大改善上述不足，双向泵的具体结构和工作原理如下。

如图2所示，双向抽油泵是由双泵筒和双柱塞按特定方式组装而成，其大泵筒为长泵筒，大柱塞为短柱塞，小泵筒为短泵筒，小柱塞为长柱塞。大、小泵筒串联在一起，大、小柱塞串联在一起，小柱塞下端连接直线电机动子上端的推拉杆。大泵筒下部有双向油孔K1，小柱塞下部有进油孔K2，大柱塞上面的大泵筒内有圆柱形容积R1，大泵筒与小柱塞之间有环筒形容积R2。

2.1 双向泵一次往复冲程的理论排量

（1）当柱塞下冲程时，K1增大，固定阀关闭，游动阀打开，油液通过K2，流过柱塞内孔，进入K1 ，同时K2缩小，K2中的油液通过K1排出。下冲程时的排量用Q下表示：

（2）当柱塞上冲程时，R1缩小，游动阀关闭，固定阀打开，同时R2增大，从R1排出的油液，一部分充填R2，多余部分的油液排出，上冲程时的排量用Q上表示：

（3）一次往复的总排量[2]。

可见，若单向泵的泵径与双向泵的大泵径相同，冲程也相同，则双向泵中上、下冲程的排量之和等于单向泵的排量。

2.2 双向泵所需电机输出的推拉力

（1）当柱塞下冲程时，电机的推拉杆受拉力。

设工作时，柱塞所受的油压为p，大柱塞外径为D，小柱塞外径为d，大柱塞的截面积为A=πD2/4，小柱塞的截面积为a=πd2/4，环形容积的截面积为：

A环=A-a （5）

下冲程时，大柱塞上面的容积R1增大，该处没压力，所以推拉杆的拉力只需克服环形容积内的压力，即：

（2）当柱塞上冲程时，电机的推拉杆受推力。

此时R1和R2中的油压相同，均为p，推拉杆需克服的推力为

R1中的总压力减去R2中的总压力，即：

2.3 单向泵与双向泵比较

（1）当排量相同（即单向泵的泵径与双向泵的大泵径相同）、井下油压p相同的情况下，按国标[3]规定的泵径系列，选择适当的双向泵中的小泵径，则双向泵所需直线电机的推拉力要比单向泵所需的推力小得多，以φ44泵为例（见表1），用双向泵φ44/φ32的推力仅为单向泵的0.51。

（2）如果直线电机的功率相同，则用双向泵可比单向泵获得更大的排量[4]，见表1，当用直线电机驱动φ44单向泵时，需提供 15.52p 的推力，而驱动双向泵（φ57/φ38）时，仅需提供14.25p 的下拉力和11.40p 的上推力，也就是说，15.52p 的力若驱动单向泵，只能获得2.234 6 m3/d的理论排量，而驱动双向泵，仅需14.25p 的力，便能获得3.693 9 m3/d的理论排量。

3 现场应用

该文研究探讨的直线电机双向抽油泵已由深圳大族激光科技股份有限公司、常州市冠腾石油装备有限公司及日照原野机械制造有限公司等多个直线电机的厂家配装直线电机采油系统，并在油田成功用于采油生产。

4 结论

（1）双向泵可大大缓解直线电机系统推力不足的问题，在电机功率相同的情况下，使用双向泵可获得更大的排量，或下入更深的油井。

（2）双向泵可节能。在排量和井深相同的情况下，使用双向泵可减小电机的推拉力，降低能耗。

（3）设计研究和现场应用实践证明，双向泵同以往的单向泵相比，优势非常明显。

参考文献

[1]闻邦椿.机械设计手册：第四卷[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]沈迪成.有杆抽油设备与技术：抽油泵[M].北京：石油工业出版社，1994.