潜油直线电机柱塞泵的研究与应用

赵忠建，郝洪亮，吕 哲，张宏伟，赵汉良，张慧姝

（1.渤海装备辽河钻采装备公司，辽宁盘锦 124010；2.辽河石油勘探局有限公司石油化工分公司，辽宁盘锦 124010；3.华锦集团公司，辽宁盘锦 124010；4.宝石花物业公司，辽宁盘锦 124010）

0 引言

目前国内采油设备大部分为游梁式抽油机，其构成主要由抽油机、抽油杆、抽油泵组成，应用在深浅井、稠油稀油均可正常工作，弊端主要有抽油杆与油管偏磨、耗能高、泵效低、停机调参等[1]。为了克服这些弊端，对无杆采油技术原理进行研究，采用新技术设计了直线电机，取消抽油杆和抽油机，泵实现新举升方式的采油技术。并根据采油设备生产工艺流程，开发了人机界面应用软件，实现数据远程传输及监控；优化抽油泵体结构，实现上下行程往复做功、双向排油，节省设备功率耗能，解决油杆偏磨问题。

该技术适用于老油井薄差油层和低渗透油层原油开采，在中后期油井开采中适应性更好，及在低产井、斜井、丛式井、水平井和稠油井采用，应用于低液量及偏磨对抽油机运行效率与维修影响较大的采油井，更能发挥其节能优势[2-4]。

1 技术分析

直线电机泵采油系统由直线电机、抽油泵和地面控制系统三部分组成（图1）。潜油直线电机柱塞泵的工作原理：通过地面控制系统，地面电源将交流电经变频后用扁平动力电缆输送给井下直线电机，定子产生旋转磁场，使其动子在电磁感应作用下进行往复运动，推动抽油泵柱塞往复运动，进而将井液源源不断地举升到地面。

图1 潜油直线电机泵组成

电机与泵为一体，下放至井下。采油举升过程中，电机向上运动，进液口下凡尔打开吸油，下泵凡尔关闭，同时顶去上作用泵腔体体积油液推进油管做功；向下运动，进液口下凡尔关闭，下泵凡尔打开吸油，同时顶出上作用泵腔体体积油推液进油管做功，实现一次吸油上下两次排油、将原油提升至地面。

2 整体设计

2.1 直线电机设计

直线电机由定子和动子组成，其中：定子由环形的带槽的硅钢片组成，槽内安装三相定子绕组，绕组极距设计为45 mm，单节电机绕组长度810 mm（图2、图3）；动子是由径向环形充磁的N 极（灰色）、S 极（蓝色）和磁环组成，环内侧包围非导磁材料，中间是空心腔体流动井液（图4）。

图2 直线电机总成局部结构

图3 直线电机单节定子结构

图4 直线电机径向充磁动子总成

直线电机可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展开成直线，旋转电机的转子演变为直线电机的次级、定子演变为初级。直线电机结构设计采用长初级、短次级的方式，定子绕组槽、转子永磁体采用密封设计[5]。

2.2 抽油泵设计

在常规柱塞抽油泵结构基础上，将固定凡尔油泵的下端移至上端，其柱塞通过推杆与直线电机动子相接。另外在直线电机顶侧增加上作用泵，这样可以实现向下行程也能采油提升出井口[6]，实现直线电机向上下往复运动，均可做功排油。

2.3 控制系统设计

电气控制系统主要由变压器、变频器、PLC、触摸屏、物联网络模块等组成，实现对直线电机操作控制、参数调整、系统保护和数据传输等功能[7]。

控制流程如图5 所示：上电启动操作，检测电机运行的位置，根据检测结果通过变频器调速方式控制电机的速度和动子位置，使动子按向上、向下行程运动，当检测的电机数据超过额定值时停机保护；也可以通过互联网技术进行智能管理，实现远程启停和监视控制。

图5 电气控制流程

人机控制界面如图6 所示，利用触摸屏或智能移动设备可在软件界面上实现在线调参，通过人机物联网智能通信模块，实时远程监测运行数据[8-9]。

图6 人机控制界面

3 室内及现场试验

3.1 室内试验

潜油直线电机泵系统的样机制造完成后，在第三方检验机构进行室内试验。设备的主要技术参数有：直径38 mm 双向柱塞泵，冲程1.35 m，冲次1～15 冲；工作压力1～15 MPa，工作温度为室温至120 ℃；控制设备电压380 V，电流50 A。

试验中对直线电机一体化潜油泵在不同温度、不同压力下观察排量的变化，验证其能耗损失等功能，同时在90°直井和45°倾井进行模拟试验，分别改变冲次和压力，相关试验数据见表1 和表2。

表1 90°垂直井模拟试验数据

表2 45°斜井模拟试验数据

数据统计显示，测试压力稳定在15 MPa，相当于模拟1500 m井深；直线电机机泵一体化潜油泵系统实测耗电量为0.7～2.2 kW/h；室内实验实际排量3.90～12.15 m3，平均泵效83.3%。

3.2 现场试验

选用辽河油田某作业点区块进行现场试验，井号为T33-9-9，平原海拔20 m，井龄12 年，主要技术参数有：日产液量8 m3；泵挂井深1400 m，沉没度300 m，井下压力4 MPa，井下温度70 ℃；套压0.4 MPa，油压0.3 MPa。潜油直线电机泵的电缆为外挂安装，

其与游梁式抽油机在同一口油井测得的试验数据见表3。

表3 两种采油设备在T33-9-9 井的试验结果

通过数据对比，显示新设备日耗电量降低1/2，系统效率提高2 倍，经济增效明显。

综合室内与现场试验结果表明，该潜油电泵设计合理、安全可靠、运行平稳，具有明显的创新性和实用性，满足潜油无杆采油技术设计要求。

4 结论

通过无杆采油技术的研究应用对比，在技术性、安全性、能耗、环保、经济等方面具有重大改进[10]，具体结论如下：

（1）潜油直线电机泵取消抽油杆，彻底解决近百年无法解决管杆偏磨问题。没有抽油杆上下拉动，不存在盘根处漏油液，满足环保要求。

（2）无杆采油直线电机潜油泵是将直线电机动子与抽油泵内的柱塞相接，利用电缆传输电能给直线电机，电机动子直接驱动柱塞式抽油泵，上下往复完成举升运动。由于没有减速和换向机构，采用间歇供电，间歇时间不用电，达到节能的目的，考虑现场工况各种情况，节电可达70%。

（3）新设备采用智能物联技术、变频器控制，可在线调参（调冲次范围0.1～8.0 次/min）、调频率等各种工作参数、有安全保护及故障信号显示等功能，简单明晰，容易操作；另外在地面井口处，只有井口和电控柜，减少占地面积。

（4）由于没有抽油杆，对垂直井管杆偏磨严重油井，减少作业次数与作业时间、延长抽油管使用时间，降低成本明显，对垂直井泵挂深度1500～2000 m 的难采区块，该产品更显优势。

（5）新产品工作状态为断续，冲次范围0.1～8.0 次/min，目前低油价状态对各油田低产井、废弃低产油井，应用本产品，仍有较好经济价值。