直線電動機抽油機技術在油田應用的研究

張波 （西安石油大學機械工程學院，中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

直線電動機抽油機技術在油田應用的研究

張波 （西安石油大學機械工程學院，中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

針對油田生產實際應用的直線電動機抽油機的情況，分析了直線電動機結構特點及工作原理。直線電動機動子在通入變頻控制器輸出的低頻電流后，沿主板上安裝的導軌上下運動，并通過扁鋼絲繩直接與抽油桿連接（經過承載桁架的頂部轉向輪換向）帶動抽油桿抽油。根據現場監測分析并得到相關重要結論：直線電動機抽油機取消了復雜的能量傳遞環節，提高了傳動效率，結果達到比原先更換前普通游梁式抽油機節能40%以上的效果。

直線電動機抽油機；系統效率；電參數；節能

目前國內油田大量應用的游梁式抽油機長期存在著能量傳遞效率低、電動機能量利用率低、沖程不能大幅度提高等缺點或不足，采用直線電動機抽油機的動力設備，利用直線往復運動帶動抽油桿上下運動舉升井內液體，可以較好地實現解決傳統游梁式抽油機存在的問題，達到了提高整機系統效率、節能降耗的目的。

1 設備構造

直線電動機抽油機的主要承載與轉向系統包括天輪、翻轉輪和桁架。桁架由管材、型鋼焊接而成，包括梯子和安裝無觸點限位器的夾板等；桁架的外部有防護罩，用于防雨、灰塵和通風散熱；天輪是2個直徑1.2 m左右的焊接輪，用于扁鋼絲繩的轉向和承載；翻轉輪是2個直徑0.8 m左右的焊接輪，用于油井作業修井時翻轉到側面，為通井機留出作業空間。

直線電動機部分主要包括電動機定子（表面粘貼永磁體的鋼板）、電動機動子（雙邊初級線圈）、動子導向輪和以鋼軌為材料的導軌。電動機定子有厚度30～35 mm的鋼板，粘貼永磁體；兩側安裝鋼軌電動機動子，由硅鋼片鐵芯、銅線繞組和動子導向輪組成。動子的背部安裝電磁剎車裝置、平衡箱和磁感應板等。

平衡及其他輔助系統主要有動子背部的平衡箱、拖動抽油桿的扁鋼絲繩、懸繩器、防撞器、無觸點限位器和電磁剎車等。

直線電動機抽油機驅動與控制系統包括專用變頻器、控制面板和控制保護裝置。工作原理是直線電動機動子在通入變頻控制器輸出的低頻電流后，沿主板上安裝的導軌上下往復運動，并通過扁鋼絲繩直接與抽油桿連接（經過承載桁架的頂部轉向輪換向）帶動抽油桿往復抽油。具體構造見圖1。

圖1 直線電動機抽油機構造

2 直線電動機抽油機性能特點

2.1懸點運動規律

直線電動機抽油機控制系統在線可調獨立設定動子每個運行方向中的停滯換向時間、加減速時間、勻速運行時間，實現抽油桿往返運動過程中的上快下慢，上慢下快，上下同速運行，短時間停滯運行抽油模式。速度值的改變可通過調節輸入頻率和極距來實現，而不同階段的時間是可以調整。根據油井實際工況，在沖程一定的情況下，調節加減速、停滯換向及勻速運動時間，可實現對沖速進行優化。

2.2控制系統

直線電動機抽油機閉環控制系統可根據井況自動調節相關參數，其信號采集系統可以實現直線電動機抽油機和油井各參數的即時采集和傳輸，還可進行直線電動機抽油機的遠程檢測和控制。控制系統主要由專用變頻控制器、可編程控制器（PLC）和檢測系統組成（圖2）。

圖2 直線電動機抽油機控制系統

1）專用變頻控制器在低頻（0～10 Hz）范圍區間對直線電動機的換向和往返運行速度進行連續可調式控制，設定運行參數，使得直線電動機工作電流的大小與抽油機的負荷大小相匹配，保證直線電動機產生的推（拉）力在最佳功效下運行。

2）PLC控制器與專用變頻控制器和檢測系統構成安全智能執行體系，由于PLC的故障率很低且有完善的自診斷和顯示功能。當控制直線電動機的輸入裝置和執行機構發生故障時，可以根據編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，迅速地排除故障。采用閉環控制，直線電動機抽油機沖程、沖速無級可調，可實現抽油桿上快下慢、上慢下快、上下同速、運行—短時間停滯—運行等。

3）檢測系統的檢測點包括直線電動機動子的位置、抽油機懸點負荷和直線電動機的工作狀態，監控抽油機狀態運行。

2.3安全保護和報警

直線電動機抽油機電源控制系統具有電源缺相、電流過大、電壓異常、抽油桿載荷突變、電動機溫升過高、抽油機故障等保護功能，不僅可以保護抽油機不被損傷，而且保護抽油桿不會因泵卡而拉斷。對直線電動機進行工作電流、動子運行狀態的雙重監控，實時辨識懸點載荷的異常變化。當抽油機系統欠載或過載、抽油桿斷脫或卡阻時，可實現自動停機、剎車。

3 現場實測效果分析

近期在H8-3井上開展試驗[1-2]，安裝了直線電動機抽油機替代原先普通游梁式抽油機，實際運行中直線電動機抽油機上下沖程運行平穩、噪音低。

目前直線電動機抽油機的工作正常，節能實測分析詳細結果見表1。

表1 抽油機井節能測試分析結果

與換前的常規抽油機相比，直線電動機抽油機減小了最大負荷，增加了最小負荷。直線電動機抽油機運行過程中，整個沖程的80%為勻速運動，最高速度低，加速度小，運動平穩，動載荷及慣性載荷小，能耗低。主要原因是由于直線電動機抽油機運行時懸點的慣性載荷相對較小，抽油機在運行、換向時比較平穩，振動載荷也比較小，沖程損失小，其振動載荷和摩擦載荷比游梁式抽油機小。

從節能效果上看，試驗井更換抽油機后節能效果明顯。由于直線電動機抽油機啟動轉矩大，采用調速控制系統后，功率因數顯著提高，變頻調速可以實現電動機軟啟、軟停和電動機的無沖擊換向，取消了復雜的換向機構,啟動電流低，把對電網的沖擊減到最小；同時不需要常規抽油機平衡塊，節省了平衡旋轉驅動力，進一步減少功耗。直線電動機抽油機長沖程、變沖速，沖程和沖速無級可調，不但有利于增加抽油機、抽油泵、整體桿柱的運行壽命,且提高了系統效率和可靠性，有效提高了抽油機經濟運行狀態。

4 結論

1）直線電動機通過扁鋼絲繩直接與抽油桿連接，帶動井下抽油泵做往復直線運動，取消了常規抽油機減速箱、曲柄、連桿、游梁，以及電動機與減速箱連接的皮帶等機構，減少了運動部件，降低了維護成本。

2）直線電動機抽油機取消了復雜的能量傳遞環節，能量傳遞更加合理，降低了抽油機運行產生的噪音，由控制系統執行，提高了抽油機運行的可靠性安全性，其彈性緩沖作用可減小換向沖擊，減小機械磨損。

3）直線電動機提高了傳動效率，減少作用于軸上轉矩和變化幅度，比普通游梁式抽油機節能40%以上。

[1]中國石油集團天然氣公司油田節能監測中心.油企業節能產品節能效果測定:SY/T6422—2008[S].北京：石油工業出版社，2008：5-6.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.三相異步電動機經濟運行：GB/T 12497—2006[S].北京：中國標準出版社出版，2006：3-4.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.011

2016-05-18

（編輯 王艷）

張波，工程師，2016年碩士畢業于西安石油大學（機械采油專業），從事油田節能技術管理工作，E-mail：xaute@126.com，地址：陜西延安河莊坪第一采油廠，716000。