李 明，楊海濤，羅慶梅，辛 宏，甘慶明，劉天宇

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018；2.長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018；3.長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安716000）①

井下直線電動機采油技術試驗研究

李 明1，2，楊海濤1，2，羅慶梅3，辛 宏1，2，甘慶明1，2，劉天宇1，2

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018；2.長慶油田分公司油氣工藝研究院，西安710018；3.長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安716000）①

針對常規(guī)抽油機井桿管偏磨的問題，結(jié)合細長筒狀直線電動機，研究設計了一種利用直線電動機驅(qū)動的無桿采油技術。完成了采油工藝方法的設計，確定了抽油泵驅(qū)動系統(tǒng)的基本技術參數(shù)，設計了配套的單向作用管式抽油泵。在室內(nèi)對直線電動機進行了耐壓性能測試，結(jié)果顯示該電動機耐壓達到25 MPa；對電動機進行了溫升測試，電機在空載運行情況下，其溫穩(wěn)定值為35 K，滿足了現(xiàn)場的要求。對直線電動機的推力進行測試，結(jié)果顯示推力達到20 k N。在地面模擬井內(nèi)對該采油系統(tǒng)進行了可靠性測試，測試結(jié)果為井口回壓15 MPa情況下機組正常工作500 h，電動機可靠性較好，達到了進入現(xiàn)場試驗的要求。

直線電機；無桿采油；管式抽油泵；耐壓；溫升；推力

國內(nèi)大多數(shù)油田已經(jīng)進入中高含水期，油井液量逐漸降低，泵掛逐漸加深，這直接導致了抽油機井桿管柱偏磨的加劇［1］。國內(nèi)各油田及研究機構(gòu)對桿管柱的偏磨問題進行了長久而深入的研究，主要的解決方法是進行抽油桿柱的優(yōu)化、新型扶正器的設計等。無桿采油技術能較好地解決桿管柱的偏磨問題，但是只針對部分液量較高的井有成熟的技術，對于液量低、揚程高的井，國內(nèi)還沒有形成成熟的無桿采油技術［2-4］。直線電動機以其特有的技術特點，在各行業(yè)的應用逐漸增多，近幾年在石油開采方面也進行了研究與試驗。目前，直線電動機在石油領域的應用主要在2方面：①用直線電動機代替抽油機常規(guī)的驅(qū)動電動機，從而形成直線電動機驅(qū)動抽油機的機采技術；②通過制造線長圓筒狀直線電動機并配套井下往復式抽油泵，電動機與抽油泵直接連接置于井下，形成無桿采油技術，該技術能夠滿足較低液量、較大井深的井況要求。直線電動機在石油領域的應用均處于研究階段，國內(nèi)部分油田開展了少量的現(xiàn)場試驗［5-10］。

1 直線電動機采油工藝方法

1.1 直線電動機基本原理

直線電動機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活、低噪聲、低成本、高速度、高可靠性、耐腐蝕、防潮等優(yōu)點。直線電動機可以認為是旋轉(zhuǎn)電動機在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，可以看作是旋轉(zhuǎn)電動機沿徑向剖開，然后將電動機的圓周展成直線形成。直線電動機一般可以分為平板形、管形（圓筒形）、弧形、盤形等。受油井井身結(jié)構(gòu)限制，在井下使用的直線電動機內(nèi)只能采用管形結(jié)構(gòu)。管形直線電動機可以看作是將平板形直線電動機原邊卷起形成圓筒狀，如圖1所示。直線電動機工作基本原理與旋轉(zhuǎn)電動機相似，都遵循電機學的基本原理［11］。

1.2 井下驅(qū)動直線電動機基本性能參數(shù)要求

在采油井井下使用的管形直線電動機，副邊采用永磁體結(jié)構(gòu)并且較主邊稍長。電動機的設計必須滿足油田基本要求：

1） 為了使電動機結(jié)構(gòu)更簡單，電動機副邊采用永磁體結(jié)構(gòu)。

2） 電動機在?139.7 mm（51/2英寸）井眼內(nèi)正常起下。

3） 電動機長度滿足油井井眼曲率3.5°／30 m的要求。

4） 電動機絕緣等級滿足150℃要求。

5） 電動機防護等級滿足潛水要求。

6） 電動機及井下電纜密封達到2 000 m深的要求。

7） 電動機推力達到井深2 000 m以上要求，并留有30%的余量。

8） 配套抽油泵與電動機抽汲參數(shù)配合，能夠滿足液量2～20 m2／d的要求。

根據(jù)上述要求設計選用的直線電動機性能參數(shù)如表1所示。

圖1 管形直線永磁同步電動機

表1 選用直線電動機基本性能參數(shù)

1.3 井下直線電動機采油工藝管柱

潛油電動機驅(qū)動的采油方法一般有3類管柱結(jié)構(gòu)［12-13］：倒置殼裝結(jié)構(gòu)、倒置環(huán)空出液結(jié)構(gòu)、正置結(jié)構(gòu)，采油管柱如圖2所示。直線電動機采油工藝采用正置管柱結(jié)構(gòu)，由單作用管式抽油泵、潛油直線電動機、油管、潛油動力電纜組成。采油系統(tǒng)中，電動機副邊下行程時出力做功，采用斷續(xù)方式工作，電源用油田通用380 V電網(wǎng)供電。

圖2 潛油電動機采油管柱結(jié)構(gòu)

1.4 井下直線電動機地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)主要功能包括電動機供電、運行控制、運行參數(shù)調(diào)節(jié)、機組系統(tǒng)保護。

1） 電動機供電 通過“交—直—交”的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)外網(wǎng)電源向直線電動機的供電。

2） 運行控制 直線電動機在井下是一個“起動、穩(wěn)速運行、制動減速，反向起動、穩(wěn)速運行、制動減速，停止一小段時間后又正向起動”的運動過程，控制器通過內(nèi)部“三相電流采集—內(nèi)部運算—控制指令”，實現(xiàn)電動機相電流與動子位置的實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電動機的往復運動。

3） 運行參數(shù)調(diào)節(jié) 通過調(diào)節(jié)電動機的運行位置、運行周期，實現(xiàn)生產(chǎn)參數(shù)沖程、沖次的調(diào)節(jié)。

4） 機組系統(tǒng)保護 欠壓保護、過壓保護、PWM脈沖保護、過流保護、電動機過載保護、過熱保護、上電緩沖保護和泄放保護。

2 單向作用管式抽油泵結(jié)構(gòu)

根據(jù)井下直線電動機的工作特點，配套設計了一種柱塞下行程時出液的管式抽油泵，如圖3所示。抽油泵基本參數(shù)如表2所示，其工作原理為：該泵上行程時，游動進油閥開啟，出油閥關閉，井液由篩管進入橋式外管，經(jīng)過游動進油閥流入下泵筒，完成進液；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(nèi)管，經(jīng)過出油閥，完成出液。

圖3 單向作用管式抽油泵結(jié)構(gòu)

表2 單作用管式抽油泵設計參數(shù)

3 室內(nèi)試驗測試

針對潛油直線電動機工況基本要求，對電動機的拉力、耐壓和及工作可靠性進行了室內(nèi)測試。共進行了3個方面5項內(nèi)容的測試，測試結(jié)果如表3所示。由測試結(jié)果可知：電動機溫升達到了設計要求，單節(jié)拉力達到4 000 N以上，當采用6節(jié)設計時拉力可以達到20 k N以上；電動機耐壓達到25 MPa，室內(nèi)試驗井測試顯示機組工作平穩(wěn)，可靠性較好。

表3 室內(nèi)測試結(jié)果分析

4 結(jié)論

1） 設計的直線電動機采油工藝對低液量、高揚程井具有較好的適應性，能夠滿足20 m3／d以內(nèi)、2 000 m井的工況要求。

2） 配套抽油泵室內(nèi)測試表明，能夠滿足機組工作要求。

3） 室內(nèi)測試表明，直線電動機采油機組耐壓達到25 MPa，工作可靠性較好，最大拉力可達到20 k N。

4） 設計的直線電動機采油機組可以進入現(xiàn)場試驗，實際測試其工作特性及可靠性。

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Experimental Study of Down Hole Linear Motor Pump

LI Ming1，2，YANG Hai-tao1，2，LUO Qing-mei3，XIN Hong1，2，GAN Qing-ming1，2，LIU Tian-yu1，2
（1.National Engineering Laboratory of Tight Oil&Gas Field Exploration and Development，Xi’an 710018，China；2.Oil&Gas Technology Research Institute，Changing Oilfield Company，Xi’an 710018，China；3.No.1 Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company，Yanan 716000，China）

Aiming at the problem of worn-out between rod and pipe，binding linear motor，a new technology of linear motor pump was designed for production system without rod.The engineering was completed and certain work parameters were decided to design the single acting tube pump.A series of testing were proceeded，including pressure，temperature rise test，and working energy.When the linear motor works，the maximum pressurization is 25 MPa，supreme temperature of motor is 35 K，the system fulfilled the condition of experiment.Motor testing of ener gydemonstrate，the maximum tension is 20 k N.The experiment of linear motor dependability is developed in imitation well.After worked for 500 h，the linear motor production system is good，and it can be used in oilfield.

linear motor；rodless pump；tube pump；withstand pressure；temperature rise test；thrust force

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.011

1001-3482（2014）07-0041-04

2014-01-17

中石油專項基金“長慶油田油氣當量上產(chǎn)5000萬噸關鍵技術研究”（2011E-1307）

李 明（1978-），男，黑龍江安達人，工程師，碩士，主要從事采油工藝技術、井下工具設計、水平井采油技術方面的研究，E-mail：liming_cq＠petrochina.com.cn。