直线电机往复泵采油控制技术的研究

胥宗祥,刘曙光,邓 岩

（西安工程大学 电子信息学院，陕西西安,710048）

直线电机往复泵采油控制技术的研究

胥宗祥,刘曙光,邓 岩

（西安工程大学 电子信息学院，陕西西安,710048）

目前各油田的抽油设备多为游梁式抽油机，其存在的主要问题是能耗大、效率低。而直线电机抽油机采用直线电机驱动，舍弃了大部分变速传动环节，将传统的旋转驱动变为直线往复驱动，使直线电机抽油机具有更加完善的运动性能、动力性能和平衡性能。论文首先探讨了低渗透油田采油机理，进而分析了直线电机等效电路和机械特性，在此基础上提出了直线电机往复泵采油工艺方案。试验结果证明，该工艺解决了杆管偏磨问题，提高了能源利用率，延长了检泵修井周期，是采油厂降本增效行之有效的采油工艺。

直线电机;往复泵;采油工艺

1 采油机理

低渗透油田流体渗流存在启动压力梯度，呈“非达西”渗流特征。由于存在启动压力梯度，将会降低油井生产能力，渗透率越低，井距越大，其影响程度越大。当存在启动压力时，油井产量的计算公式如下：

式中：Pe为供油边界压力，MPa；re为供油半径，m；Pw为井底压力，MPa；rw为井筒半径，m；为流体屈服应力，Pa；h为油层厚度，m；K为渗透率为流体黏度，为孔隙度，%；Q为产量，m3/d。

式（1）说明通过不断提高产液量保持油田稳产，应主要立足于两项措施：一是尽可能不断放大生产压差；二是进行油藏改造，即通过压裂酸化等措施尽量提高油层的渗流能力。国内许多油田储层物性差，油藏改造效果差，应尽可能能不断放大生产压差，才能取得较好的开发效果。令Q=0，则有，得到，即在此压差下生产，该层不动用。令，只有当Pe-Pw>C时，该层才动用。

地下抽油机可以改善近井地带的渗流条件。大压差生产提高了流体的渗流速度，且井壁周围渗流速度更高，当地层流体速度达到一定值后，地层会发生剪切破坏，砂岩地层结构就会受到破坏，一些胶结物就会脱落，这有利于地层渗透率的增大，改善了近井地带的渗流条件。因此，使用地下抽油机采油不仅降低了井底流压，同时也改善了近井地带渗流条件，这对于提高油井单井产量，充分发挥单井产能有着显著的作用。

2 直线电机往复泵采油工作原理

3 直线电机采油工艺

直线电机采油系统组成如图1所示，包括地面电控柜、电缆专用井口、动力电缆、倒置下拉抽油泵和细长筒交流永磁直线同步电机。系统采用电机下行程做功、倒置下拉抽油泵下行程出液的方式设计，电机次级行程与频次无级可调。由地面电气控制柜对工作参数（冲程、冲次）进行调节，对电机温度、电流、电压和功率进行监测。

图1 直线电机采油系统组成Fig.1 Components of linear motor oil production system

图2 往复泵结构示意图Fig.2 The structural diagram of reciprocating pump

圆筒直线电机次级中心管与上下柱塞相连并驱动做上下往复运动，上行程：下泵游动阀关闭，固定阀打开，柱塞下端腔室体积增大、压力减少，完成进液；同时上固定阀关闭，游动阀打开，这时将上泵游动阀上端的液体置换进来，同时下泵游动阀上端至上泵固定阀下端的腔室变小压力升高，液体沿出液通道挤出上端单流阀，完成出液。下行程：上泵游动阀关闭，固定阀打开，柱塞上端腔室体积增大、压力减小，完成进液，同时下泵固定阀关闭，游动阀打开，这时将下泵游动阀下端的液体置换进来，同时上泵固定阀关闭，游动阀打开，这时将下泵游动阀下端的液体置换进来，同时上泵游动阀下端至下泵固定阀上端的腔室体积变小压力升高，液体沿出液通道挤出上端单流阀，这样循环往复，将井液源源不断地举升到地面，完成整个采油过程。

3.2 往复泵工作原理

为了防止电机转子受压失稳，采用下拉做功方式设计工作状态，因此抽油泵工作状态与常规抽油泵相反，结构如图2所示。倒置下拉泵基本工作原理为：泵上行程时，游动进油阀开启，出油阀关闭，井液由筛管进入桥式外管，经过游动进油阀流入下泵筒，完成进液；泵下行程时，游动进油阀关闭，出油阀开启，井液由下泵筒进入桥式内管，经过出油阀完成出液。

3.3 电气控制要求

采油系统的配电和直线电机的控制由地面的智能控制柜完成。控制柜的核心部件是变频器和控制器。控制器有程序控制，设定冲程、冲次、频率、电流反馈，自动降频、降冲次，采用变频控制形式进行调速，在最大排量内随意在线调节冲次，控制产液量。调整冲次范围：0.1～8次/min。此外，电控柜在遇到蜡卡、停电等异常工况时，具有过载保护和自动启停功能，方便生产管理。

4 直线电机等效电路与机械特性

4.1 等效阻值与功率损耗

定子铁心的每相每极的初级匝数为N1p，当沿铁心长度范围中心区域的绕组和边端区域绕组结构相同时，可求出换算到初级的每相电阻值。

式中：Re为边端效应消耗功率的等效电阻初级换算值，Ω；Rf为边端作用有效部分功率等效电阻初级换算值，Ω；R1为边端作用无效部分功率等效电阻初级换算值，Ω；Pe为进入边端的边端效应消耗功率，kW；P’e为离开边端的边端效应消耗功率，kW；E1为初级感应电动势，V；p为极对数；0.2~0.4；为初级铁心叠片厚度，m；，Kr为横向边端效应系数；为次级电导率为次级导体厚度，m；；s为转差率，且波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的同步速度为电机工作频率，Hz； v为次级移动速度，

进入边端的输出功率Pf和离开边端的输出功率P’f为

进入边端的边端效应损耗P1和离开边端的边端效应损耗P’为

式中：Bm为边端效应磁通密度最大值，Wb/m2。

4.2 初级电流

初级感应电动势E1和端电压U1之间的关系为

图3 直线电机等效电路Fig.3 Linear motor equivalent circuit

初级电流I1可由下式求出

式中，U1为初级每相端电压有效值，V；E1为初级每相感应电动势有效值，V；r2为次级每相绕组电阻，Ω；b0为励磁电抗，Ω。且

式中，r1为初级每相绕组电阻，Ω；x1为初级每相漏电抗，Ω。

4.3 驱动力

令Fc为中心区域驱动力（N），Fe为边端区域驱动力（N），直线感应电动机的驱动力为中心区域驱动力和边端区域驱动力之和，总驱动力F为

因此，总驱动力F可用次级端电压U1表示为

设Sfm为最大值时的转差率，则因此，最大驱动力Fm为

s=1时，则启动时驱动力

图4 不同电机功率、泵径对应采油系统扬程Fig.4 The lift of oil production system with different motor power，pump diameters

在不考虑边端效应的情况下，圆筒型感应电动机的推力Fst为

且有

4.4 直线电机参数确定

5 工程应用

试验用采油系统基本性能参数为：扬程1151～6741m，液量0.4～18.2m3/d，冲程：0～1.4m，冲次0～8/min，动液面＞50m，电压380、660V，井温120℃。系统扬程由配套的直线电机功率和抽油泵直径共同决定。电机功率、抽油泵直径与电机扬程的关系如图3所示。

直线电机基本性能参数为：额定电流35A，额定电压380V，额定功率10kW，推力20kN，整体耐压25MPa，外径114mm，长度4800mm，绝缘等级H，防护等级IP58。

试验井选用了某油田的3口井，最大井深1659m，最小液量2.33m3/d，平均液量3.14m3/d，平均泵挂1016m，平均沉没度176m。通过试验，对3口井试验前、后效果对比如表1所示。从试验结果看，平均系统效率达到24.6%，平均泵效达到80.6%，平均节电率29.0%。

6 结束语

在当今石油工业生产中，宽广辽阔的地形、复杂多样的地质结构以及高昂的成本费用使得潜油电泵系统需要在满足生产目的的同时要能够有高效率和高实用性。直线潜油电泵举升工艺技术作为一种拥有强大的耐磨性、耐腐蚀性以及耐压性的先进技术，无论是在海上采油平台还是滩海陆岸人工岛都有着广阔的应用前景。

表1 试验井试验前、后效果Tab.1 The performance before and after testing in the test well

[1] 王祥立，司高锋. 直线电动机驱动的大排量潜油抽油泵及其应用[J].石油机械，2012，40(1): 78-80.

[2] 李振宁，刘海静，曲雯颖. 新型水力潜油泵的研究与应用[J].石油机械，2011，39(9): 84-86.

[3] 梁会珍，段宝玉，陈庭举，等. 直线电机作为井下泵动力系统的设想[J]. 石油钻采工艺，2004，26(3): 75-77.

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，硕士研究生，西安工程大学。主要研究方向为石油钻采一体化成套电控系统。