呂新青

摘 要：對(duì)直線電機(jī)抽油系統(tǒng)進(jìn)行了簡單介紹，對(duì)系統(tǒng)以往配裝的單向抽油泵之不足進(jìn)行了分析，對(duì)適合該系統(tǒng)的雙向抽油泵從理論到實(shí)踐進(jìn)行了論述。雙向泵可大大緩解直線電機(jī)系統(tǒng)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(jī)的推拉力，降低能耗，實(shí)踐證明，雙向泵同以往的單向泵相比，優(yōu)勢(shì)非常明顯。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī) 抽油泵 雙向 受力分析

中圖分類號(hào)：TE933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）11（b）-0031-03

目前，各油田的機(jī)械采油大都使用傳統(tǒng)的抽油機(jī)、抽油桿和抽油泵（以下簡稱三抽）設(shè)備，三抽設(shè)備存在諸多弊端，如，設(shè)備十分笨重、體積龐大、造價(jià)高、耗能大，而且在抽油過程中難免出現(xiàn)油桿和油管偏磨問題。為解決上述問題，近些年開發(fā)出了直線電機(jī)抽油系統(tǒng)。該系統(tǒng)省去了抽油機(jī)和抽油桿，徹底解決了桿管偏磨問題，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、智能化采油。經(jīng)過進(jìn)一步完善，對(duì)于小排量的油井來說，它將是對(duì)三抽設(shè)備的一場革命。該系統(tǒng)的不足之處是目前研制的直線電機(jī)推力都比較小，一般為1.5～2.0 t。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是把圓筒式直線電機(jī)同抽油泵一起下入油井，直線電機(jī)在抽油泵的下面，直線電機(jī)的定子與抽油泵的泵筒相連，直線電機(jī)的動(dòng)子與柱塞相連。工作時(shí)，電機(jī)動(dòng)子帶動(dòng)柱塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式與不足

常規(guī)的結(jié)構(gòu)形式都是單向沖程舉升油液，如圖1所示，由電機(jī)動(dòng)子通過推拉桿驅(qū)動(dòng)柱塞，柱塞推拉桿為空心桿，下端有進(jìn)油孔，當(dāng)柱塞下沖程時(shí)，固定閥關(guān)閉，游動(dòng)閥打開，油液經(jīng)進(jìn)油孔進(jìn)入柱塞上面的泵筒內(nèi)，下沖程不排出油液。當(dāng)柱塞上沖程時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，固定閥打開，柱塞上面泵筒內(nèi)的油液被排出。

（1）單向泵一次往復(fù)沖程的理論排量。

如圖1所示，當(dāng)柱塞上沖程時(shí)，容積R縮小，R中的油液被排出，設(shè)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(jī)的上推力應(yīng)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(shí)柱塞上面的油液壓力，參照流體力學(xué)的相關(guān)理論[1]，該文只做定性探討，不做定量運(yùn)算。p主要由4部分組成：p1為井口壓力；p2為井深所構(gòu)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(dòng)所產(chǎn)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(jī)動(dòng)子的重量之和F2。

在上述3種力中，F(xiàn)為主要因素，以下的研討中，F(xiàn)1和F2暫忽略不計(jì)，故而可認(rèn)為，直線電機(jī)單向抽油泵所需的上推力為 ，而下沖程時(shí)不舉升油液，電機(jī)處于空跑浪費(fèi)狀態(tài)。

2 雙向抽油泵的設(shè)計(jì)研究

制約直線電機(jī)采油系統(tǒng)推廣應(yīng)用的主要原因之一，就是目前直線電機(jī)的推力都比較小，一般為1.5～2.0 t，而要開發(fā)研制大推力的直線電機(jī)，尚需攻克許多技術(shù)難關(guān)。

該文所探討雙向抽油泵替代以往的單向抽油泵，會(huì)大大改善上述不足，雙向泵的具體結(jié)構(gòu)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(lián)在一起，大、小柱塞串聯(lián)在一起，小柱塞下端連接直線電機(jī)動(dòng)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(jìn)油孔K2，大柱塞上面的大泵筒內(nèi)有圓柱形容積R1，大泵筒與小柱塞之間有環(huán)筒形容積R2。

2.1 雙向泵一次往復(fù)沖程的理論排量

（1）當(dāng)柱塞下沖程時(shí)，K1增大，固定閥關(guān)閉，游動(dòng)閥打開，油液通過K2，流過柱塞內(nèi)孔，進(jìn)入K1 ，同時(shí)K2縮小，K2中的油液通過K1排出。下沖程時(shí)的排量用Q下表示：

（2）當(dāng)柱塞上沖程時(shí)，R1縮小，游動(dòng)閥關(guān)閉，固定閥打開，同時(shí)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(shí)的排量用Q上表示：

（3）一次往復(fù)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(jī)輸出的推拉力

（1）當(dāng)柱塞下沖程時(shí)，電機(jī)的推拉桿受拉力。

設(shè)工作時(shí)，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(huán)形容積的截面積為：

A環(huán)=A-a （5）

下沖程時(shí)，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(huán)形容積內(nèi)的壓力，即：

（2）當(dāng)柱塞上沖程時(shí)，電機(jī)的推拉桿受推力。

此時(shí)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(dāng)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(biāo)[3]規(guī)定的泵徑系列，選擇適當(dāng)?shù)碾p向泵中的小泵徑，則雙向泵所需直線電機(jī)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(jī)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(dāng)用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)φ44單向泵時(shí)，需提供 15.52p 的推力，而驅(qū)動(dòng)雙向泵（φ57/φ38）時(shí)，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(qū)動(dòng)單向泵，只能獲得2.234 6 m3/d的理論排量，而驅(qū)動(dòng)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(xiàn)場應(yīng)用

該文研究探討的直線電機(jī)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(jī)械制造有限公司等多個(gè)直線電機(jī)的廠家配裝直線電機(jī)采油系統(tǒng)，并在油田成功用于采油生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）雙向泵可大大緩解直線電機(jī)系統(tǒng)推力不足的問題，在電機(jī)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(jié)能。在排量和井深相同的情況下，使用雙向泵可減小電機(jī)的推拉力，降低能耗。

（3）設(shè)計(jì)研究和現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐證明，雙向泵同以往的單向泵相比，優(yōu)勢(shì)非常明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第四卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]沈迪成.有桿抽油設(shè)備與技術(shù)：抽油泵[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.