胥宗祥,劉曙光,鄧 巖

（西安工程大學 電子信息學院，陜西西安,710048）

直線電機往復泵采油控制技術的研究

胥宗祥,劉曙光,鄧 巖

（西安工程大學 電子信息學院，陜西西安,710048）

目前各油田的抽油設備多為游梁式抽油機，其存在的主要問題是能耗大、效率低。而直線電機抽油機采用直線電機驅動，舍棄了大部分變速傳動環節，將傳統的旋轉驅動變為直線往復驅動，使直線電機抽油機具有更加完善的運動性能、動力性能和平衡性能。論文首先探討了低滲透油田采油機理，進而分析了直線電機等效電路和機械特性，在此基礎上提出了直線電機往復泵采油工藝方案。試驗結果證明，該工藝解決了桿管偏磨問題，提高了能源利用率，延長了檢泵修井周期，是采油廠降本增效行之有效的采油工藝。

直線電機;往復泵;采油工藝

1 采油機理

低滲透油田流體滲流存在啟動壓力梯度，呈“非達西”滲流特征。由于存在啟動壓力梯度，將會降低油井生產能力，滲透率越低，井距越大，其影響程度越大。當存在啟動壓力時，油井產量的計算公式如下：

式中：Pe為供油邊界壓力，MPa；re為供油半徑，m；Pw為井底壓力，MPa；rw為井筒半徑，m；為流體屈服應力，Pa；h為油層厚度，m；K為滲透率為流體黏度，為孔隙度，%；Q為產量，m3/d。

式（1）說明通過不斷提高產液量保持油田穩產，應主要立足于兩項措施：一是盡可能不斷放大生產壓差；二是進行油藏改造，即通過壓裂酸化等措施盡量提高油層的滲流能力。國內許多油田儲層物性差，油藏改造效果差，應盡可能能不斷放大生產壓差，才能取得較好的開發效果。令Q=0，則有，得到，即在此壓差下生產，該層不動用。令，只有當Pe-Pw>C時，該層才動用。

地下抽油機可以改善近井地帶的滲流條件。大壓差生產提高了流體的滲流速度，且井壁周圍滲流速度更高，當地層流體速度達到一定值后，地層會發生剪切破壞，砂巖地層結構就會受到破壞，一些膠結物就會脫落，這有利于地層滲透率的增大，改善了近井地帶的滲流條件。因此，使用地下抽油機采油不僅降低了井底流壓，同時也改善了近井地帶滲流條件，這對于提高油井單井產量，充分發揮單井產能有著顯著的作用。

2 直線電機往復泵采油工作原理

3 直線電機采油工藝

直線電機采油系統組成如圖1所示，包括地面電控柜、電纜專用井口、動力電纜、倒置下拉抽油泵和細長筒交流永磁直線同步電機。系統采用電機下行程做功、倒置下拉抽油泵下行程出液的方式設計，電機次級行程與頻次無級可調。由地面電氣控制柜對工作參數（沖程、沖次）進行調節，對電機溫度、電流、電壓和功率進行監測。

圖1 直線電機采油系統組成Fig.1 Components of linear motor oil production system

圖2 往復泵結構示意圖Fig.2 The structural diagram of reciprocating pump

圓筒直線電機次級中心管與上下柱塞相連并驅動做上下往復運動，上行程：下泵游動閥關閉，固定閥打開，柱塞下端腔室體積增大、壓力減少，完成進液；同時上固定閥關閉，游動閥打開，這時將上泵游動閥上端的液體置換進來，同時下泵游動閥上端至上泵固定閥下端的腔室變小壓力升高，液體沿出液通道擠出上端單流閥，完成出液。下行程：上泵游動閥關閉，固定閥打開，柱塞上端腔室體積增大、壓力減小，完成進液，同時下泵固定閥關閉，游動閥打開，這時將下泵游動閥下端的液體置換進來，同時上泵固定閥關閉，游動閥打開，這時將下泵游動閥下端的液體置換進來，同時上泵游動閥下端至下泵固定閥上端的腔室體積變小壓力升高，液體沿出液通道擠出上端單流閥，這樣循環往復，將井液源源不斷地舉升到地面，完成整個采油過程。

3.2 往復泵工作原理

為了防止電機轉子受壓失穩，采用下拉做功方式設計工作狀態，因此抽油泵工作狀態與常規抽油泵相反，結構如圖2所示。倒置下拉泵基本工作原理為：泵上行程時，游動進油閥開啟，出油閥關閉，井液由篩管進入橋式外管，經過游動進油閥流入下泵筒，完成進液；泵下行程時，游動進油閥關閉，出油閥開啟，井液由下泵筒進入橋式內管，經過出油閥完成出液。

3.3 電氣控制要求

采油系統的配電和直線電機的控制由地面的智能控制柜完成。控制柜的核心部件是變頻器和控制器。控制器有程序控制，設定沖程、沖次、頻率、電流反饋，自動降頻、降沖次，采用變頻控制形式進行調速，在最大排量內隨意在線調節沖次，控制產液量。調整沖次范圍：0.1～8次/min。此外，電控柜在遇到蠟卡、停電等異常工況時，具有過載保護和自動啟停功能，方便生產管理。

4 直線電機等效電路與機械特性

4.1 等效阻值與功率損耗

定子鐵心的每相每極的初級匝數為N1p，當沿鐵心長度范圍中心區域的繞組和邊端區域繞組結構相同時，可求出換算到初級的每相電阻值。

式中：Re為邊端效應消耗功率的等效電阻初級換算值，Ω；Rf為邊端作用有效部分功率等效電阻初級換算值，Ω；R1為邊端作用無效部分功率等效電阻初級換算值，Ω；Pe為進入邊端的邊端效應消耗功率，kW；P’e為離開邊端的邊端效應消耗功率，kW；E1為初級感應電動勢，V；p為極對數；0.2~0.4；為初級鐵心疊片厚度，m；，Kr為橫向邊端效應系數；為次級電導率為次級導體厚度，m；；s為轉差率，且波磁場的移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上的同步速度為電機工作頻率，Hz； v為次級移動速度，

進入邊端的輸出功率Pf和離開邊端的輸出功率P’f為

進入邊端的邊端效應損耗P1和離開邊端的邊端效應損耗P’為

式中：Bm為邊端效應磁通密度最大值，Wb/m2。

4.2 初級電流

初級感應電動勢E1和端電壓U1之間的關系為

圖3 直線電機等效電路Fig.3 Linear motor equivalent circuit

初級電流I1可由下式求出

式中，U1為初級每相端電壓有效值，V；E1為初級每相感應電動勢有效值，V；r2為次級每相繞組電阻，Ω；b0為勵磁電抗，Ω。且

式中，r1為初級每相繞組電阻，Ω；x1為初級每相漏電抗，Ω。

4.3 驅動力

令Fc為中心區域驅動力（N），Fe為邊端區域驅動力（N），直線感應電動機的驅動力為中心區域驅動力和邊端區域驅動力之和，總驅動力F為

因此，總驅動力F可用次級端電壓U1表示為

設Sfm為最大值時的轉差率，則因此，最大驅動力Fm為

s=1時，則啟動時驅動力

圖4 不同電機功率、泵徑對應采油系統揚程Fig.4 The lift of oil production system with different motor power，pump diameters

在不考慮邊端效應的情況下，圓筒型感應電動機的推力Fst為

且有

4.4 直線電機參數確定

5 工程應用

試驗用采油系統基本性能參數為：揚程1151～6741m，液量0.4～18.2m3/d，沖程：0～1.4m，沖次0～8/min，動液面＞50m，電壓380、660V，井溫120℃。系統揚程由配套的直線電機功率和抽油泵直徑共同決定。電機功率、抽油泵直徑與電機揚程的關系如圖3所示。

直線電機基本性能參數為：額定電流35A，額定電壓380V，額定功率10kW，推力20kN，整體耐壓25MPa，外徑114mm，長度4800mm，絕緣等級H，防護等級IP58。

試驗井選用了某油田的3口井，最大井深1659m，最小液量2.33m3/d，平均液量3.14m3/d，平均泵掛1016m，平均沉沒度176m。通過試驗，對3口井試驗前、后效果對比如表1所示。從試驗結果看，平均系統效率達到24.6%，平均泵效達到80.6%，平均節電率29.0%。

6 結束語

在當今石油工業生產中，寬廣遼闊的地形、復雜多樣的地質結構以及高昂的成本費用使得潛油電泵系統需要在滿足生產目的的同時要能夠有高效率和高實用性。直線潛油電泵舉升工藝技術作為一種擁有強大的耐磨性、耐腐蝕性以及耐壓性的先進技術，無論是在海上采油平臺還是灘海陸岸人工島都有著廣闊的應用前景。

表1 試驗井試驗前、后效果Tab.1 The performance before and after testing in the test well

[1] 王祥立，司高鋒. 直線電動機驅動的大排量潛油抽油泵及其應用[J].石油機械，2012，40(1): 78-80.

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Research on Downhole Linear Motor Reciprocating Pump

Xu Zongxiang,Liu Shuguang,Deng Yan
(School of Electronic and Information Eng.,Xi’an Polytechnic University,Shaanxi,Xian,710048)

At present the pumping units are used widely in oil fields, their main problems are wasting energy,low efficiency.While a linear motor pumping unit removes many shift gears structures,turn the traditional circum rotary drive into linear reciprocation drive,which made the units have more perfect motion performance,dynamic performance,and balance performance.The low permeability oil field’s production mechanism is discussed, the equivalent circuit and mechanical properties of the linear motor is also analysed,furthermore the linear motor reciprocating pump production technology scheme is proposed in this paper.The test results prove that the oil production technology is effective to improve efficiency for oil production plant because it can solve the problems of side wearing,improve energy utilization rate, extend inspection pump and repair well cycle.

Linear motor;reciprocating pump;oil production technology

TE922

A

胥宗祥（1991-），男，周口市人，碩士研究生，西安工程大學。主要研究方向為石油鉆采一體化成套電控系統。