直線電機雙向抽油泵的設計研究

呂新青

摘 要：對直線電機抽油系統進行了簡單介紹，對系統以往配裝的單向抽油泵之不足進行了分析，對適合該系統的雙向抽油泵從理論到實踐進行了論述。雙向泵可大大緩解直線電機系統推力不足的問題，在排量和井深相同的情況下，使用雙向泵可減小電機的推拉力，降低能耗，實踐證明，雙向泵同以往的單向泵相比，優勢非常明顯。

關鍵詞：直線電機 抽油泵 雙向 受力分析

中圖分類號：TE933 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（b）-0031-03

目前，各油田的機械采油大都使用傳統的抽油機、抽油桿和抽油泵（以下簡稱三抽）設備，三抽設備存在諸多弊端，如，設備十分笨重、體積龐大、造價高、耗能大，而且在抽油過程中難免出現油桿和油管偏磨問題。為解決上述問題，近些年開發出了直線電機抽油系統。該系統省去了抽油機和抽油桿，徹底解決了桿管偏磨問題，且可實現遠程控制、智能化采油。經過進一步完善，對于小排量的油井來說，它將是對三抽設備的一場革命。該系統的不足之處是目前研制的直線電機推力都比較小，一般為1.5～2.0 t。該系統的結構是把圓筒式直線電機同抽油泵一起下入油井，直線電機在抽油泵的下面，直線電機的定子與抽油泵的泵筒相連，直線電機的動子與柱塞相連。工作時，電機動子帶動柱塞上下往復運動，實現抽油。該文所探討的雙向抽油泵替代以往的單向抽油泵， 改善了上述不足。

1 常用的結構形式與不足

常規的結構形式都是單向沖程舉升油液，如圖1所示，由電機動子通過推拉桿驅動柱塞，柱塞推拉桿為空心桿，下端有進油孔，當柱塞下沖程時，固定閥關閉，游動閥打開，油液經進油孔進入柱塞上面的泵筒內，下沖程不排出油液。當柱塞上沖程時，游動閥關閉，固定閥打開，柱塞上面泵筒內的油液被排出。

（1）單向泵一次往復沖程的理論排量。

如圖1所示，當柱塞上沖程時，容積R縮小，R中的油液被排出，設其沖程為H，泵徑為D，理論排量用Q表示：

（2）單向泵所需電機的上推力應克服以下3種力。

① 柱塞上面油液的總壓力F。

式中： p為上沖程時柱塞上面的油液壓力，參照流體力學的相關理論[1]，該文只做定性探討，不做定量運算。p主要由4部分組成：p1為井口壓力；p2為井深所構成的單位面積液柱壓力；p3為油液流過固定閥等管口處的壓力損失；p4為油液沿油管流動所產生的沿程壓力損失。

p=p1+p2+p3+p4

②柱塞與泵筒的半干摩擦力F1。

③柱塞總成、推桿及電機動子的重量之和F2。

在上述3種力中，F為主要因素，以下的研討中，F1和F2暫忽略不計，故而可認為，直線電機單向抽油泵所需的上推力為 ，而下沖程時不舉升油液，電機處于空跑浪費狀態。

2 雙向抽油泵的設計研究

制約直線電機采油系統推廣應用的主要原因之一，就是目前直線電機的推力都比較小，一般為1.5～2.0 t，而要開發研制大推力的直線電機，尚需攻克許多技術難關。

該文所探討雙向抽油泵替代以往的單向抽油泵，會大大改善上述不足，雙向泵的具體結構和工作原理如下。

如圖2所示，雙向抽油泵是由雙泵筒和雙柱塞按特定方式組裝而成，其大泵筒為長泵筒，大柱塞為短柱塞，小泵筒為短泵筒，小柱塞為長柱塞。大、小泵筒串聯在一起，大、小柱塞串聯在一起，小柱塞下端連接直線電機動子上端的推拉桿。大泵筒下部有雙向油孔K1，小柱塞下部有進油孔K2，大柱塞上面的大泵筒內有圓柱形容積R1，大泵筒與小柱塞之間有環筒形容積R2。

2.1 雙向泵一次往復沖程的理論排量

（1）當柱塞下沖程時，K1增大，固定閥關閉，游動閥打開，油液通過K2，流過柱塞內孔，進入K1 ，同時K2縮小，K2中的油液通過K1排出。下沖程時的排量用Q下表示：

（2）當柱塞上沖程時，R1縮小，游動閥關閉，固定閥打開，同時R2增大，從R1排出的油液，一部分充填R2，多余部分的油液排出，上沖程時的排量用Q上表示：

（3）一次往復的總排量[2]。

可見，若單向泵的泵徑與雙向泵的大泵徑相同，沖程也相同，則雙向泵中上、下沖程的排量之和等于單向泵的排量。

2.2 雙向泵所需電機輸出的推拉力

（1）當柱塞下沖程時，電機的推拉桿受拉力。

設工作時，柱塞所受的油壓為p，大柱塞外徑為D，小柱塞外徑為d，大柱塞的截面積為A=πD2/4，小柱塞的截面積為a=πd2/4，環形容積的截面積為：

A環=A-a （5）

下沖程時，大柱塞上面的容積R1增大，該處沒壓力，所以推拉桿的拉力只需克服環形容積內的壓力，即：

（2）當柱塞上沖程時，電機的推拉桿受推力。

此時R1和R2中的油壓相同，均為p，推拉桿需克服的推力為

R1中的總壓力減去R2中的總壓力，即：

2.3 單向泵與雙向泵比較

（1）當排量相同（即單向泵的泵徑與雙向泵的大泵徑相同）、井下油壓p相同的情況下，按國標[3]規定的泵徑系列，選擇適當的雙向泵中的小泵徑，則雙向泵所需直線電機的推拉力要比單向泵所需的推力小得多，以φ44泵為例（見表1），用雙向泵φ44/φ32的推力僅為單向泵的0.51。

（2）如果直線電機的功率相同，則用雙向泵可比單向泵獲得更大的排量[4]，見表1，當用直線電機驅動φ44單向泵時，需提供 15.52p 的推力，而驅動雙向泵（φ57/φ38）時，僅需提供14.25p 的下拉力和11.40p 的上推力，也就是說，15.52p 的力若驅動單向泵，只能獲得2.234 6 m3/d的理論排量，而驅動雙向泵，僅需14.25p 的力，便能獲得3.693 9 m3/d的理論排量。

3 現場應用

該文研究探討的直線電機雙向抽油泵已由深圳大族激光科技股份有限公司、常州市冠騰石油裝備有限公司及日照原野機械制造有限公司等多個直線電機的廠家配裝直線電機采油系統，并在油田成功用于采油生產。

4 結論

（1）雙向泵可大大緩解直線電機系統推力不足的問題，在電機功率相同的情況下，使用雙向泵可獲得更大的排量，或下入更深的油井。

（2）雙向泵可節能。在排量和井深相同的情況下，使用雙向泵可減小電機的推拉力，降低能耗。

（3）設計研究和現場應用實踐證明，雙向泵同以往的單向泵相比，優勢非常明顯。

參考文獻

[1]聞邦椿.機械設計手冊：第四卷[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2]沈迪成.有桿抽油設備與技術：抽油泵[M].北京：石油工業出版社，1994.