張 琴 胡祺豪 張慢來 周志宏 謝麗芳

（1.長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023；2 中國人民解放軍91746 部隊，中國 北京 100000）

0 引言

井下直線電機驅動抽油泵技術是將柱塞式抽油泵與直線電機結合為一體的新型無桿采油方式[1]。直線電機置于井下，其動子與抽油泵的柱塞直接或通過接箍相連，電機通電后，通過電機動子的往復直線運動帶動柱塞在抽油泵泵筒內上下運動，實現(xiàn)舉升抽油的功能。該技術可以提高采油效率，降低采油成本，因而受到國內石油行業(yè)的普遍關注。

1 特點

與傳統(tǒng)有桿抽油方式相比，井下直線電機驅動抽油泵技術主要具有以下特點：

（1）高效節(jié)能。用直線電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的旋轉電機，雖然直線電機的功率因素較低[2]，但由于直線電機直接驅動抽油泵，省去了抽油桿、抽油機等中間傳動機構，能量損失減小，系統(tǒng)總效率大大提高。

（2）可靠性高，維護費用低。用柱塞式抽油泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的抽油機，井口和抽油泵之間無抽油桿，從根本上杜絕了桿管偏磨等一系列問題的發(fā)生，提高了采油系統(tǒng)壽命，使檢泵周期大大延長。

盡管直線電機在國內已經(jīng)有二、三十年的發(fā)展歷史，但將直線電機用于井下采油尚存在諸多不完善的地方，需要進一步探索系統(tǒng)設計方案的合理性，目前，主要存在以下幾個方面的問題：

（1）由于井底空間限制，直線電機必須設計成細長結構，對直線電機的剛度和強度要求較高。

（2）井下溫度高、散熱條件差、腐蝕大[3]，對直線電機的耐溫性能、耐腐蝕性能、潤滑性能和密封性能等要求苛刻，設計難度較大。

（3）電源電壓波動對直線電機的啟動推力影響較大，需要采取相關措施保證電壓的穩(wěn)定。

（4）直線電機的推力與電機體積成正比，泵掛深度受到電機長度的限制。

（5）井下泵送參數(shù)的傳輸誤差和控制精度的處理。

鑒于以上問題，井下直線電機驅動抽油泵技術的應用受到一定的限制，比較適合低產(chǎn)低效油井，適用于小排量、低行程、低沖次以及頻繁換向采油工作。

2 研究和應用現(xiàn)狀

目前，運用直線電機驅動抽油泵進行采油還處于試驗開發(fā)階段，專用抽油泵多為專利產(chǎn)品。陳明磊于2001年發(fā)明了一臺直線電機往復泵[4]，泵與直線電機直聯(lián)，柱塞采用永磁體，配有控制閥，通過控制器改變柱塞往復運動的頻率、行程和速度以實現(xiàn)變流量泵送的功能，但此泵并不適合長期處于井下高溫高壓的惡劣環(huán)境中。2004年，山東科技大學和華北油田公司提出井下直線電機驅動抽油泵的設想[5]。2005年，西南石油大學張茂和魏秦文等人設計了一種直線電機采油泵[6]，此泵可以在最大井斜超過85°的低產(chǎn)油井和稠油井中穩(wěn)定運行。大慶油田于2005年進行了井下直線電機驅動抽油泵的現(xiàn)場試驗并獲得了成功，與普通抽油泵相比，更加節(jié)電，泵效和系統(tǒng)效率均大大提升[7]。

從2007年開始，長慶油田第一采油廠在安塞油田進行了井下直線電機驅動抽油泵試驗。2007 至2008 兩年間，篩選了四口油井進行前期試驗，出現(xiàn)電纜嚴重破損、直線電機生銹卡死、頻繁結蠟過載保護等問題。為避免上述問題的發(fā)生，于2008年進行工藝技術改進，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高。截止2010年，已在十九口井試驗成功，實施效果較好[8]。遼河油田同樣應用了井下直線電機驅動抽油泵技術，截至2010年5月，沈陽采油廠前部分油井已平穩(wěn)生產(chǎn)十一天，產(chǎn)液560噸，出原油12.1 噸[9]。自從2010年，在蘇北油田的側蘇149 號井應用了井下直線電機驅動抽油泵技術之后，與之前的抽油機相比，免修期大大延長，節(jié)電量也大幅度提高。隨著直線電機驅動抽油泵技術的發(fā)展，蘇北油田對直線電機采油參數(shù)進行了優(yōu)化[2]。

在直線電機抽油泵設計方面，關鍵是提高泵閥在一定油井參數(shù)、沖程和沖次工況下的工作性能。2010年，中國石油大學、中國石油天然氣管道科研院和西南石油大學等單位運用計算流體動力學方法（CFD）對自行設計的直線電機抽油泵的固定閥進行了數(shù)值模擬，得到閥球的運動規(guī)律和最佳的設計參數(shù)[10]。2011 至2012年，東北石油大學姜民政教授設計了一種井下直線電機驅動抽油泵系統(tǒng)，采用圓筒型的永磁式直線同步電機，建立了直線電機驅動抽油泵系統(tǒng)室內試驗臺裝置，通過試驗發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行時存在嚴重的發(fā)熱現(xiàn)象，并得到了系統(tǒng)性能的變化規(guī)律和影響因素[11-12]。

3 系統(tǒng)方案

根據(jù)柱塞數(shù)目以及電機與柱塞的位置關系，直線電機抽油系統(tǒng)方案大體可分為以下三種。

3.1 方案一

井下直線電機驅動抽油泵系統(tǒng)主要由圓筒型直線電機、柱塞式抽油泵、進出液旁通管、進出液旁通閥、保持系統(tǒng)平衡的油管、游動閥和密封環(huán)組成，直線電機位于柱塞式抽油泵上方，直線電機動子和平衡油管外分別形成兩個環(huán)形空腔。此方案的工作原理為：當直線電機向上運動時，抽油泵的柱塞和平衡油管在直線電機動子的帶動下亦向上運動，使直線電機動子外的環(huán)形空腔內液體壓力增加，推開游動閥，進入平衡油管外的環(huán)形空腔，實現(xiàn)進液過程；當直線電機向下運動時，抽油泵的柱塞和平衡油管在直線電機動子的帶動下亦向下運動，使直線電機動子外的環(huán)形空腔內液體壓力減小，游動閥自行關閉，平衡油管外的環(huán)形空腔內液體壓力升高，升高到一定值時推開出液旁通閥，流進出液旁通管，實現(xiàn)排液過程。通過直線電機不停地上下運動，使進液和排液過程不斷地重復，從而將井內液體源源不斷地泵送至地面[5]。此方案是山東科技大學和華北油田公司在2004年利用井下直線電機驅動抽油泵的設想時提出的，但一直未進行試驗。

3.2 方案二

此方案與方案一顯著不同的是直線電機位于柱塞式抽油泵下方，固定閥位于兩個游動閥上方，系統(tǒng)結構得以簡化。直線電機帶動柱塞向下運動時，容積腔體積增大，壓力減小，游動閥開啟，固定閥關閉，液體通過柱塞桿與泵筒之間的環(huán)形間隙以及柱塞桿上的通孔，流入游動閥閥腔，進而進入容積腔；直線電機帶動柱塞向上運動時，容積腔內液體被擠壓，壓力增大，游動閥的閥球自動關閉，固定閥的閥球在壓差作用下脫離閥座，使固定閥開啟，容積腔中的液體通過閥座內孔進入閥罩，經(jīng)閥球與閥罩內壁之間空隙流向閥罩出口繼而被舉升至地面。柱塞上行程結束，閥球落入閥座關閉[13]。安塞油田、西南石油大學和中國石油大學采用此方案進行了實驗，并獲得了相關實驗數(shù)據(jù)。

3.3 方案三

井下直線電機驅動抽油泵系統(tǒng)主要由直線電機、上下柱塞式抽油泵、尾管、油管、篩管組成。上行程時，下容積腔體積增大、壓力減小，下游動閥關閉，下固定閥開啟，開始進液；與此同時，上容積腔體積減小、壓力增大，上游動閥關閉，上固定閥開啟，開始排液。柱塞下行程時，情況剛好相反。此方案與前兩個方案最大的不同在于采用了兩個柱塞的雙作用結構，電機位于兩柱塞中間，系統(tǒng)工作時，電機同時驅動上下柱塞往復運動[2]。蘇北油田采用此方案進行了試驗，試驗效果較好。

4 亟待解決的關鍵問題

雖然有些油田及科研單位已對直線電機無桿采油技術和配套工藝進行了研究，設計了抽油泵的專利產(chǎn)品，但作為一種新技術，要得到廣泛的應用，還需要在直線電機、泵閥總成方面進行相關研究。

4.1 研發(fā)低能耗、大推力的直線電機

目前，井下直線電機驅動抽油泵技術均采用電機動子直接帶動抽油泵柱塞運動，對電機推力要求較大。未達磁飽和時增大電壓可以提高電機推力，但飽和后推力增加不明顯。相反，電流的增加會使電機升溫，更易燒損電機。因此，研發(fā)大推力的直線電機迫在眉睫。甚至可以從改變直線電機的相關特性入手，以減小或消除電源電壓波動對直線電機啟動推力的影響。

4.2 提高相關設備的密封、散熱和防腐蝕性能

直線電機長期處于高溫高壓井底中，尤其是泵掛深度較大時，需要進一步提高電機的密封性能、散熱性能和防腐蝕性能。同時，數(shù)據(jù)傳輸線和電纜的密封耐壓絕緣效果也需增強。

4.3 柱塞式抽油泵泵閥的改進

柱塞式抽油泵的固定閥和游動閥是井下直線電機驅動抽油泵系統(tǒng)的重要部件之一，起著控制液體進出的作用，其結構直接影響直線電機抽油泵系統(tǒng)的工作性能[14]。泵閥作為易損件，閥球的磨損會造成密封失效、泵效降低、檢泵周期縮短等一系列問題，因此改進泵閥結構，對泵閥總成進行優(yōu)化設計，是保證泵閥工作穩(wěn)定的關鍵。

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