張波 （西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

直線電動機(jī)抽油機(jī)技術(shù)在油田應(yīng)用的研究

張波 （西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，中國石油長慶油田分公司第一采油廠）

針對油田生產(chǎn)實際應(yīng)用的直線電動機(jī)抽油機(jī)的情況，分析了直線電動機(jī)結(jié)構(gòu)特點及工作原理。直線電動機(jī)動子在通入變頻控制器輸出的低頻電流后，沿主板上安裝的導(dǎo)軌上下運(yùn)動，并通過扁鋼絲繩直接與抽油桿連接（經(jīng)過承載桁架的頂部轉(zhuǎn)向輪換向）帶動抽油桿抽油。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測分析并得到相關(guān)重要結(jié)論：直線電動機(jī)抽油機(jī)取消了復(fù)雜的能量傳遞環(huán)節(jié)，提高了傳動效率，結(jié)果達(dá)到比原先更換前普通游梁式抽油機(jī)節(jié)能40%以上的效果。

直線電動機(jī)抽油機(jī)；系統(tǒng)效率；電參數(shù)；節(jié)能

目前國內(nèi)油田大量應(yīng)用的游梁式抽油機(jī)長期存在著能量傳遞效率低、電動機(jī)能量利用率低、沖程不能大幅度提高等缺點或不足，采用直線電動機(jī)抽油機(jī)的動力設(shè)備，利用直線往復(fù)運(yùn)動帶動抽油桿上下運(yùn)動舉升井內(nèi)液體，可以較好地實現(xiàn)解決傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)存在的問題，達(dá)到了提高整機(jī)系統(tǒng)效率、節(jié)能降耗的目的。

1 設(shè)備構(gòu)造

直線電動機(jī)抽油機(jī)的主要承載與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括天輪、翻轉(zhuǎn)輪和桁架。桁架由管材、型鋼焊接而成，包括梯子和安裝無觸點限位器的夾板等；桁架的外部有防護(hù)罩，用于防雨、灰塵和通風(fēng)散熱；天輪是2個直徑1.2 m左右的焊接輪，用于扁鋼絲繩的轉(zhuǎn)向和承載；翻轉(zhuǎn)輪是2個直徑0.8 m左右的焊接輪，用于油井作業(yè)修井時翻轉(zhuǎn)到側(cè)面，為通井機(jī)留出作業(yè)空間。

直線電動機(jī)部分主要包括電動機(jī)定子（表面粘貼永磁體的鋼板）、電動機(jī)動子（雙邊初級線圈）、動子導(dǎo)向輪和以鋼軌為材料的導(dǎo)軌。電動機(jī)定子有厚度30～35 mm的鋼板，粘貼永磁體；兩側(cè)安裝鋼軌電動機(jī)動子，由硅鋼片鐵芯、銅線繞組和動子導(dǎo)向輪組成。動子的背部安裝電磁剎車裝置、平衡箱和磁感應(yīng)板等。

平衡及其他輔助系統(tǒng)主要有動子背部的平衡箱、拖動抽油桿的扁鋼絲繩、懸繩器、防撞器、無觸點限位器和電磁剎車等。

直線電動機(jī)抽油機(jī)驅(qū)動與控制系統(tǒng)包括專用變頻器、控制面板和控制保護(hù)裝置。工作原理是直線電動機(jī)動子在通入變頻控制器輸出的低頻電流后，沿主板上安裝的導(dǎo)軌上下往復(fù)運(yùn)動，并通過扁鋼絲繩直接與抽油桿連接（經(jīng)過承載桁架的頂部轉(zhuǎn)向輪換向）帶動抽油桿往復(fù)抽油。具體構(gòu)造見圖1。

圖1 直線電動機(jī)抽油機(jī)構(gòu)造

2 直線電動機(jī)抽油機(jī)性能特點

2.1懸點運(yùn)動規(guī)律

直線電動機(jī)抽油機(jī)控制系統(tǒng)在線可調(diào)獨立設(shè)定動子每個運(yùn)行方向中的停滯換向時間、加減速時間、勻速運(yùn)行時間，實現(xiàn)抽油桿往返運(yùn)動過程中的上快下慢，上慢下快，上下同速運(yùn)行，短時間停滯運(yùn)行抽油模式。速度值的改變可通過調(diào)節(jié)輸入頻率和極距來實現(xiàn)，而不同階段的時間是可以調(diào)整。根據(jù)油井實際工況，在沖程一定的情況下，調(diào)節(jié)加減速、停滯換向及勻速運(yùn)動時間，可實現(xiàn)對沖速進(jìn)行優(yōu)化。

2.2控制系統(tǒng)

直線電動機(jī)抽油機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)可根據(jù)井況自動調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，其信號采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)直線電動機(jī)抽油機(jī)和油井各參數(shù)的即時采集和傳輸，還可進(jìn)行直線電動機(jī)抽油機(jī)的遠(yuǎn)程檢測和控制。控制系統(tǒng)主要由專用變頻控制器、可編程控制器（PLC）和檢測系統(tǒng)組成（圖2）。

圖2 直線電動機(jī)抽油機(jī)控制系統(tǒng)

1）專用變頻控制器在低頻（0～10 Hz）范圍區(qū)間對直線電動機(jī)的換向和往返運(yùn)行速度進(jìn)行連續(xù)可調(diào)式控制，設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，使得直線電動機(jī)工作電流的大小與抽油機(jī)的負(fù)荷大小相匹配，保證直線電動機(jī)產(chǎn)生的推（拉）力在最佳功效下運(yùn)行。

2）PLC控制器與專用變頻控制器和檢測系統(tǒng)構(gòu)成安全智能執(zhí)行體系，由于PLC的故障率很低且有完善的自診斷和顯示功能。當(dāng)控制直線電動機(jī)的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，迅速地排除故障。采用閉環(huán)控制，直線電動機(jī)抽油機(jī)沖程、沖速無級可調(diào)，可實現(xiàn)抽油桿上快下慢、上慢下快、上下同速、運(yùn)行—短時間停滯—運(yùn)行等。

3）檢測系統(tǒng)的檢測點包括直線電動機(jī)動子的位置、抽油機(jī)懸點負(fù)荷和直線電動機(jī)的工作狀態(tài)，監(jiān)控抽油機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。

2.3安全保護(hù)和報警

直線電動機(jī)抽油機(jī)電源控制系統(tǒng)具有電源缺相、電流過大、電壓異常、抽油桿載荷突變、電動機(jī)溫升過高、抽油機(jī)故障等保護(hù)功能，不僅可以保護(hù)抽油機(jī)不被損傷，而且保護(hù)抽油桿不會因泵卡而拉斷。對直線電動機(jī)進(jìn)行工作電流、動子運(yùn)行狀態(tài)的雙重監(jiān)控，實時辨識懸點載荷的異常變化。當(dāng)抽油機(jī)系統(tǒng)欠載或過載、抽油桿斷脫或卡阻時，可實現(xiàn)自動停機(jī)、剎車。

3 現(xiàn)場實測效果分析

近期在H8-3井上開展試驗[1-2]，安裝了直線電動機(jī)抽油機(jī)替代原先普通游梁式抽油機(jī)，實際運(yùn)行中直線電動機(jī)抽油機(jī)上下沖程運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低。

目前直線電動機(jī)抽油機(jī)的工作正常，節(jié)能實測分析詳細(xì)結(jié)果見表1。

表1 抽油機(jī)井節(jié)能測試分析結(jié)果

與換前的常規(guī)抽油機(jī)相比，直線電動機(jī)抽油機(jī)減小了最大負(fù)荷，增加了最小負(fù)荷。直線電動機(jī)抽油機(jī)運(yùn)行過程中，整個沖程的80%為勻速運(yùn)動，最高速度低，加速度小，運(yùn)動平穩(wěn)，動載荷及慣性載荷小，能耗低。主要原因是由于直線電動機(jī)抽油機(jī)運(yùn)行時懸點的慣性載荷相對較小，抽油機(jī)在運(yùn)行、換向時比較平穩(wěn)，振動載荷也比較小，沖程損失小，其振動載荷和摩擦載荷比游梁式抽油機(jī)小。

從節(jié)能效果上看，試驗井更換抽油機(jī)后節(jié)能效果明顯。由于直線電動機(jī)抽油機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大，采用調(diào)速控制系統(tǒng)后，功率因數(shù)顯著提高，變頻調(diào)速可以實現(xiàn)電動機(jī)軟啟、軟停和電動機(jī)的無沖擊換向，取消了復(fù)雜的換向機(jī)構(gòu),啟動電流低，把對電網(wǎng)的沖擊減到最??；同時不需要常規(guī)抽油機(jī)平衡塊，節(jié)省了平衡旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，進(jìn)一步減少功耗。直線電動機(jī)抽油機(jī)長沖程、變沖速，沖程和沖速無級可調(diào)，不但有利于增加抽油機(jī)、抽油泵、整體桿柱的運(yùn)行壽命,且提高了系統(tǒng)效率和可靠性，有效提高了抽油機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

1）直線電動機(jī)通過扁鋼絲繩直接與抽油桿連接，帶動井下抽油泵做往復(fù)直線運(yùn)動，取消了常規(guī)抽油機(jī)減速箱、曲柄、連桿、游梁，以及電動機(jī)與減速箱連接的皮帶等機(jī)構(gòu)，減少了運(yùn)動部件，降低了維護(hù)成本。

2）直線電動機(jī)抽油機(jī)取消了復(fù)雜的能量傳遞環(huán)節(jié)，能量傳遞更加合理，降低了抽油機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的噪音，由控制系統(tǒng)執(zhí)行，提高了抽油機(jī)運(yùn)行的可靠性安全性，其彈性緩沖作用可減小換向沖擊，減小機(jī)械磨損。

3）直線電動機(jī)提高了傳動效率，減少作用于軸上轉(zhuǎn)矩和變化幅度，比普通游梁式抽油機(jī)節(jié)能40%以上。

[1]中國石油集團(tuán)天然氣公司油田節(jié)能監(jiān)測中心.油企業(yè)節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定:SY/T6422—2008[S].北京：石油工業(yè)出版社，2008：5-6.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行：GB/T 12497—2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版，2006：3-4.

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10.3969/j.issn.2095-1493.2016.08.011

2016-05-18

（編輯 王艷）

張波，工程師，2016年碩士畢業(yè)于西安石油大學(xué)（機(jī)械采油專業(yè)），從事油田節(jié)能技術(shù)管理工作，E-mail：xaute@126.com，地址：陜西延安河莊坪第一采油廠，716000。