直线电机往复泵在海上低产低效油井的应用

彭可伟(中海石油(中国)湛江分公司，广东 湛江 524057)

0 引言

海上平台油井通常使用电潜泵举升方式进行生产，一些低产低效井在初期地层能量较足的情况下还能正常生产，后期随着地层能量下降产量不断递减，虽然通过提频、调整油嘴、降低套压的方式对个别油井可以短期恢复产出，但是不久又不同程度出现供液不足而欠载停机，甚至机组因为散热不足发生过热故障。而海上油田开采具有它特殊的性质，包括：安装空间、修井检泵周期、安全有效性、节能环保、作业费用等。传统往复泵由于体积大、运行不稳定而不被海上平台选用；杆驱螺杆泵举升方式因不符合海上石油开采最新的安全规范而停用；减速器电潜螺杆泵因减速机械尚不成熟致使故障率高、运转寿命短而被搁置。南海西部海上油田一些低产低效井因未找到合适的举升方式，长期处于关停状态。因此，探究一种适合这类低产、低效油井的直线电机往复泵采油技术，具有十分重要的意义。

1 直线电机往复泵采油技术

1.1 工作原理

直线电机往复泵是一种使用潜油式直线电机直接驱动潜油式往复泵进行采油的无杆采油设备。利用直线电机往复运动与管式泵柱塞运动方向一致的特点，由直线电机驱动柱塞做往复运动，采用电机下行程做功，倒置下拉抽油泵下行程出液的方式设计，将油液举升至地面。 而直线电机是通过控制电流的方向和交变频率，使定子产生周期交变的行波磁场，与动子的固定磁场相互作用，实现动子的直线往复运动。

1.2 系统组成

直线电机往复泵是一种由直线电机驱动的新型高效潜油电泵。系统组成如图1所示，包括地面专用控制柜、电缆专用井口、动力电缆、抽油泵及潜油直线电机组成。

图1 直线电机往复泵系统组成

1.3 特点

1.3.1 节能环保

采用的柱塞泵和永磁式直线电机配合使用，电机采用间歇式供电方式，只有在往复冲次约3秒时间内耗电，能耗较小；与多级离心泵相比，泵受径向分力较小，靠柱塞直接举升原油，泵效最高可达95%以上；井口完全密封，无盘根和抽油杆上下拉动，不会产生落地油，地面无机械传动，无噪音。

1.3.2 易于控制

可以随油井的储液高度调节泵的冲程、冲次，提高采收率。

1.3.3 防气锁

固定凡尔设计在泵腔上端，柱塞行程至上止点时，柱塞与固定球座之间的距离小于10mm。上冲程结束时，泵腔基本被排空，不会发生气锁。

1.3.4 防砂

柱塞上端设有下行收、上行涨的合金钢刮砂杯，能够将贴附在泵筒内壁上的砂、垢及时清除，落入沉砂筒。防砂、防卡效果明显。泵下端设有多刀刃刮砂器，与推杆紧密配合，防止砂粒落入电机定子和动子的间隙中。

1.3.5 检泵周期延长

由于去掉了抽油杆，有效解决了杆管磨檫及油管偏磨问题，有利于消除杆管磨檫及油管偏磨造成的系统失效，寿命得到了提高。

1.3.6 维护成本低

由于空间限制，取消了地面抽油机及其机械传动系统，可在线调整冲次和上、下行频率，减少了地面设备的维护节点和管理环节。大大减轻了操作人员的劳动强度。

2 现场应用实例

直线电机往复泵对地层流体适应性好，在陆地油田小排量油井、稠油井及高含气油井，都有过良好的应用效果。海上油田应用相对较少，南海西部海上油田应用该项技术尚属首次。

2.1 典型油井的选择

某平台A8井于2014年7月9日投产，电潜泵生产，机组参数50m3/1200m，开采层位ZJ1-3U，为低孔特低渗储层，储层物性差，地层疏松易出砂，原油中胶质沥青质含量较高。生产9个月以后产油量从最初的高峰45m3/d下降为4m3/d。表现为地层能量下降快，电泵举升能力不足。期间为了维持生产现场人员采取了一些列措施，具体包括：

(1)调整频率。考虑到该井地层供液不足，现场通过调小频率减少产量以期维持生产，但是当频率小于40Hz时，井口压力下降到小于地面管汇压力，井口不出液。

(2)调整油嘴开度。为了保持小排量生产，采取关小油嘴方式，当油嘴小于4.76mm时，油嘴发生堵塞现象，井口压力、产液量开始大幅波动，需要频繁活动油嘴解除堵塞。井口压力变化如图2所示。

图2 A8井井口压力变化曲线

(3)间歇生产。关停一段时间后井底流压恢复到6.72MPa，启井后压力迅速降低到2.62MPa，直到不出液。

通过上述方式断断续续维持生产到2015年8月1日该井故障躺井，后处于长期关停状态，是一口典型的低产、低效油井。

2.2 机组选型

直线电机往复泵采油要统筹考虑油井的油藏特性、井身结构、生产管柱、井液流体的性质、配产来选择合适的电泵机组及地面控制柜，而井下泵的选择和直线电机的设计是其关键环节。

根据A8井的实际情况采用先进的大直径直线电机往复泵，并且在机组减震、控制柜优化设计等方面也进行了改进。具体包括：

表1 直线电机往复泵技术参数

表2 控制柜技术参数

表3 冲次和排量对应表

(1)选择143系列直线电机，将电机功率增大到80kW，举升吨力增加到6t，以满足井深、液量所需的大举升力要求，配备PPC200型控制柜，设置冲次为8次/分钟。

(2)考虑到机组震动对运行寿命的影响，在上、下行程末端对控制程序进行优化，降低往复运动时机组的振动幅度。

(3)对电缆连接进行优化，将电机引出线延长到泵顶端以上，减少一次电缆连接，增强了电缆的可靠性，使用寿命大大延长。A8井直线电机往复泵选型及参数配置如表4所示。

美国视听教育家爱德加·戴尔1946 年写了一本书《视听教学法》（Audio-Visual Methods in Teaching），其中提出了”经验之塔”（cone of experience）的理论，如图2 所示。

表4 A8井直线电机往复泵参数

2.3 操作控制

直线电机往复泵操作控制在上位机控制面板进行，如图3所示：包括改变频率和冲次、短路和欠过载保护的设置，也可以实时监控泵的运行电压和电流，查询历史数据和报警记录等。

图3 直线电机往复泵上位机控制面板

在实际运行中，频率和冲次的调整可以通过两种操作模式来完成，提高了泵的可靠性和安全性。(1)手动模式调整频率和冲次的操作，即在线调整上行频率和下行频率改变力矩，调整冲次改变排量，来满足直线电机往复泵扬程及油井沉没度的要求。(2)自动模式调整频率和冲次的操作，即当上行电流连续三个冲次大于过载保护设定值时，变频柜自动降低频率1Hz和1冲次，报警显示超荷但不会停机；当上行电流又连续三个冲次大于降低频率后的过载保护值时，变频柜自动降低频率1Hz和1冲次，报警显示超荷但不会停机；当上行电流在一个冲次后任然大于降低频率后的过载保护值时，变频柜过载停机。常规电潜泵两次启机间隔时间要求30分钟，而直线电机往复泵无需等待时间，在解决故障后进行复位以后，直接点击启动即可。

2.4 应用效果

某平台A8井修井作业下入直线电机往复泵恢复生产。截止目前运行稳定，达到了增产的目的：

2.4.1 运行更加平稳

图4所示为A8井使用直线电机往复泵前后开采曲线。

图4 A8井电潜泵开采曲线

从曲线可以看出，该井在使用电潜泵生产期间，电泵在40Hz工作制度下的产油量波动很大，短短几个月产量就从26m3/d下降到13m3/d左右，只能通过调整频率和油嘴来保持一定的产量。而使用直线电机往复泵生产后机组运行更加稳定，油嘴全开避免了结蜡堵塞，通过改变冲次和频率来调整产量，在冲次为8次/分钟的情况下，产油保持28.4m3/d左右，达到了该泵的额定排量。

2.4.2 经济效益显著

通过下入直线电机往复泵，保障了A8井的正常不间断生产。该井每天生产原油Q=28m3，按同期60美元/桶原油计算，折合人民币M：M=Q×6.293×60=10572(美元)即，由于使用直线电机往复泵复产后，每天来带的经济效益就高达10572美元。

2.4.3 推广应用价值

直线电机往复泵具有流量和压力波动小、工作寿命长、安装维护方便等优点。对海上低产、低效、出砂油井具有很强的适用价值，值得推广。

3 结语

南海西部海上低产低效油井使用直线电机往复泵技术采油应用非常成功。即减少了频繁调整工作制度、间歇生产的人为干预次数，延长了油井的检泵周期，又保证了油井的连续生产，增油效果明显。