井下直線電機抽油泵結構改進

鄧學峰，王　薇

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術研究院，鄭州 450006)①

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井下直線電機抽油泵結構改進

鄧學峰，王薇

(中石化華北油氣分公司 石油工程技術研究院，鄭州 450006)①

在傳統(tǒng)的井下直線電機無桿舉升系統(tǒng)中，抽油泵的結構設計不合理，在上下行程中載荷相差大，導致直線電機的換向電流相差大，使系統(tǒng)的沖擊載荷增大。改進了抽油泵的結構，將常規(guī)直線電機抽油泵由上沖程排液改為下沖程排液，減小了上下沖程極限載荷的差值，改善了整體受力，降低了直線電機換向電流沖擊。在模擬井中與常規(guī)直線電機抽油泵進行對比試驗，新型抽油泵的最大載荷減小了11.3%，最小載荷增大了17%，電流變化范圍縮小了12.4%，減小了對電網(wǎng)的沖擊，提高了舉升系統(tǒng)的可靠性。

直線電機；無桿采油；抽油泵；載荷；電流

井下直線電機無桿舉升系統(tǒng)是近年發(fā)展起來的一種新型采油系統(tǒng)，其主要由地面數(shù)控裝置、潛油直線電機和抽油泵3部分組成。直線電機與抽油泵直接相連，帶動抽油泵進行往復運動，將井內(nèi)液體舉升到地面[1-5]。該工藝與傳統(tǒng)游梁式抽油機舉升工藝相比具有2方面優(yōu)勢：

1)電機與抽油泵相連，直接驅動抽油泵，不存在抽油桿，徹底消除管桿偏磨問題，延長檢泵周期。

2)采用底部驅動，將電能直接轉換成舉升原油的動力，省去了皮帶、四連桿、減速箱等中間傳動環(huán)節(jié)，具有系統(tǒng)能耗低的特點。

目前常用的直線電機抽油泵在井下呈倒置狀，固定閥位于泵筒上部，游動閥位于柱塞內(nèi)部。上行程過程中游動閥關閉，固定閥開啟，原油被舉升至地面。下行程過程中游動閥開啟，固定閥關閉，油流由井筒經(jīng)柱塞內(nèi)腔進入泵柱塞讓出的泵筒空間[6-7]。這種結構導致上下沖程的載荷值相差較大，直線電機的換向電流波動大，對電網(wǎng)的沖擊大，并影響抽油系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

針對這一問題，研制了新型的抽油泵。通過改變泵的結構，將常規(guī)直線電機抽油泵上沖程排液變?yōu)橄聸_程排液，減小了上下沖程極限載荷的差值，改善了整體受力，降低了直線電機換向電流沖擊。在室內(nèi)模擬井中測試表明，與常規(guī)直線電機抽油泵進行比較，新型抽油泵的最大載荷減小了11.3%，最小載荷增大了17%，電流變化范圍縮小了12.4%，有效減小上下沖程載荷及電流變化，減小了對電網(wǎng)的沖擊，提高了舉升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1　抽油泵結構改進

傳統(tǒng)的直線電機抽油泵在井筒內(nèi)呈倒置狀，即固定閥位于泵筒上部，如圖1。上沖程時，直線電機動子通過拉桿推動抽油泵柱塞向上運動，游動閥關閉，固定閥打開，使泵腔內(nèi)的液體進入油管，泵柱塞與拉桿承受油管內(nèi)液體載荷，即承受較大壓縮載荷；下沖程時，柱塞上的游動閥在沉沒壓力下打開，固定閥關閉，井內(nèi)液體進入泵腔，泵柱塞與拉桿基本不

承受其他載荷。由于抽油泵柱塞在上下行程中所受載荷相差大，導致直線電機換向電流差別大，系統(tǒng)沖擊載荷大，影響舉升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1　常規(guī)直線電機抽油泵示意

針對抽油泵柱塞與拉桿上行受較大壓縮載荷，下行載荷小的特點，對抽油泵結構進行重新設計與優(yōu)化，減小直線電機在上下沖程換向過程中的剛性沖擊力。

新型抽油泵結構如圖2所示。直線電機置于抽油泵的下面，直線電機動子上端通過連接總成與拉桿下端將直線電機和抽油泵連成一個整體。新型抽油泵在井下呈倒置狀，固定閥位于泵筒上部，游動閥位于柱塞內(nèi)部。

新型抽油泵通過改變泵的結構，將常規(guī)直線電機抽油泵上沖程排液變?yōu)橄聸_程排液。由于將排液時柱塞上行改為柱塞下行，直線電機動子所受重力成為動力的一部分，中間拉桿受力由推力改變?yōu)槔Γ瑴p小了上下沖程極限載荷差異，改善了整體受力，降低了對電網(wǎng)的沖擊。同時，提高了拉桿的承載能力，延長其使用壽命。從而在受限的井下空間中，可以充分利用現(xiàn)有直線電機的動力，滿足實際生產(chǎn)中更低能耗、更大下泵深度的要求。新型抽油泵進液原理如圖3，排液原理如圖4。

圖3　新型直線電機抽油泵進液原理

圖4　新型直線電機抽油泵排液原理

2　柱塞運行速度優(yōu)化

直線電機驅動抽油泵，在上下沖程中，其活塞運動依次分為3個階段：第1階段為加速段；第2階段為勻速段；第3階段為減速段。加速段和減速段的速度用正弦曲線表示。其上下沖程中速度方程[8-9]分別為式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：b為電機運動系數(shù)，m/s；t0為加速或減速時間，s；ω為圓頻率，rad/s，ω=2π/T；T為周期，s。

(3)

式中：S為沖程，m；N為沖次，min-1。

通過控制換向時電流的減小方式，對換向速度進行優(yōu)化。優(yōu)化前后速度變化如圖5，速度曲線從剛性形態(tài)變化為一定程度的柔性形態(tài)。

圖5　系統(tǒng)優(yōu)化前后抽油泵柱塞速度對比

3　室內(nèi)試驗

通過對?32 mm新型直線電機抽油泵和14節(jié)660 V直線電機進行模擬井試驗，驗證該系統(tǒng)的相關工作參數(shù)及工作可靠性。整個試驗過程，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，具體試驗結果如表1。

表1　新型直線電機舉升系統(tǒng)的模擬井試驗數(shù)據(jù)

選取新型和常規(guī)型?32 mm直線電機抽油泵進行對比試驗，模擬井下1 800 m井深條件(井口限壓閥壓力表18 MPa)，沖程1.23 m，沖次8 min-1。運行時上行程工作電流頻率20 Hz、下行程工作電流頻率12 Hz。對比試驗數(shù)據(jù)如表2。

表2　兩種?32 mm抽油泵在模擬井的對比試驗數(shù)據(jù)

在相同試驗條件下，與目前常規(guī)的直線電機抽油泵進行比較，新型直線電機抽油泵的最大載荷減小了11.3%，最小載荷增大了17%，電流變化范圍縮小了12.4%，有效減小了上下沖程載荷及電流變化，減小了對電網(wǎng)的沖擊，舉升系統(tǒng)的效率與能耗均得到了改善。另外，與常規(guī)直線電機抽油泵相比，新型直線電機抽油泵系統(tǒng)最大載荷發(fā)生在下行程，改變了抽油泵柱塞與拉桿的受力狀態(tài)，有效降低了設備承受的壓縮載荷，能夠延長設備的使用壽命。

4　結論

1)針對常規(guī)直線電機抽油泵結構設計的不足，優(yōu)化設計了新型的直線電機抽油泵，將抽油泵上沖程排液變?yōu)橄聸_程排液，減小了上下沖程極限載荷差異，改善整體受力。

2)室內(nèi)試驗表明，新型直線電機抽油泵系統(tǒng)能夠降低上下行程極限載荷差異，電流表的變化范圍縮小了12.4%，并且最大載荷出現(xiàn)在下行程，有效改善系統(tǒng)受力狀態(tài)。

[1]趙磊，楊學云，曲占慶，等.井下電潛式往復泵舉升系統(tǒng)設計[J].石油礦場機械，2008，37(2)：37-39.

[2]付國太，張柏，任懷豐，等.往復式磁力驅動柱塞泵舉升工藝技術研究[J].石油學報，2006，27(4)：122-124.

[3]王順華，趙洪濤，尚慶軍，等.直線潛油電泵舉升工藝技術及應用[J].石油鉆探技術，2010，38(3)：95-94.

[4]梁會珍，段寶玉，陳庭舉，等.直線電機作為井下泵動力系統(tǒng)的設想[J].石油鉆采工藝，2004，26(3)：75-77.

[5]魏秦文，劉健，侯勇俊，等.直線電機在采油設備中的應用[J].石油礦場機械，2007，36(8)：54-57.

[6]魏秦文，張留昌，郭詠梅，等.新型直線電機采油泵及其關鍵技術[J].石油礦場機械，2007，36(5)：5-9.

[7]魏秦文，張茂，楊斌，等.直線電機采油泵存在的問題及改進措施[J].石油礦場機械，2007，36(6)：10-13.

[8]曲海，梁政，魏秦文.直線電機采油泵球閥運動規(guī)律研究[J].流體機械，2007，35(11)：37-41.

[9]董世民，姚春冬，劉春忠，等.抽油泵球閥運動規(guī)律的計算仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2000，12(2)：116-119.

Improvement and Perfection of Down Hole Linear Motor Pump

DENG Xuefeng，WANG Wei

(ResearchInstituteofPetroleumEngineeringandTechnology，SinopecNorthChinaBranchCompany，Zhengzhou450006，China)

In the traditional downhole linear motor pumping systems，the pump structure design is not reasonable.Affected by the structure of the pump，loading is different between the pumping unit up stroke and down stroke，resulting to a large difference in the commutated current of the linear motor.Because of large impact load，the lifting systems long term stability is affected.A new pump is designed.By changing the structure of the pump，the cleanup of conventional pump is changed from up stroke to down stroke.This structure can reduces collapsing strength in up stroke to down stroke and improve overall stress and reduce commutated current.In wellbore hole simulator testing，comparison with conventional linear motor pump，the maximum loading of new linear motor pump is reduced by seventeen percent，the minimum loading of new linear motor pump is reducing twelve point four percent.The new linear motor pump can effectively reduce the loading and current changes and system stability.

linear motor；rodless lifting；pump；loading；current

1001-3482(2016)09-0053-04

2016-03-18

“十三五”國家重大專項“低豐度致密低滲油氣藏開發(fā)關鍵技術”( 2016ZX05048)

鄧學峰(1980-)，男，湖南邵陽人，工程師，碩士，2006年畢業(yè)于中國石油大學(華東)油氣田開發(fā)專業(yè)，現(xiàn)從事采油工程研究工作，E-mail：redapple6602@126.com。

TE933.303

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.012