殷 宏

（長慶油田公司第六采油廠，陜西 西安 410200）

引言

現在國內外在油田采油方面使用最多的是有桿采油設備，以游梁式抽油機為例：這種采油方式具有結構相對簡單、容易制造、維修方便、可靠性好等特點，在采油領域已使用了上百年。但這種有桿采油方式設計初期由于受到技術條件的限制，存在很多的缺點：地上部分設備體型龐大、占地面積大、調整平衡困難、維護工作量大；地下部分管、桿偏磨嚴重，存在沖程損失、系統(tǒng)效率低、安全環(huán)保性能差等等[1]。

隨著線性電機技術的發(fā)展，這項技術應用到了采油設備方面，磁懸浮線性電泵采油設備應運而生，該設備把線性電機與長壽命抽油泵直接連接，隨油管下到井下油層中，去掉抽油桿，進而實現無桿采油。這是一種無管、桿偏磨，占地面積小、節(jié)能降耗、安全環(huán)保、管理維護方便的先進采油設備。

1 磁懸浮線性電泵采油工作原理

磁懸浮線性電泵采油設備由線性電機、電纜、驅動控制器、GPRS 遠程監(jiān)控器、傳感器、密封器和長壽命抽油泵組成（見圖1）。

圖1 磁懸浮線性電泵采油設備原理

采用線性電機與長壽命抽油泵對接，由油管下到設計泵深位置潛入到合適的井液中。電纜沿著油管外壁一端連接油層中的線性電機（見圖2），另一端連接地面的驅動控制器。地面電源通過控制器將交流電變頻后通過電纜輸送到井下線性電機。線性電機主要由永磁動子、定子繞組和機殼三部分組成。當電流進入定子繞組，其三相繞組中通入三相對稱正弦電流后，會產生氣隙磁場。這個氣隙磁場的分布情況與旋轉電機相似，當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將按相序沿直線線性移動，這個移動的磁場，被稱為行波磁場。行波磁場移動時，吸引永磁動子上的固定磁場，實現永磁動子的運動，從而使懸浮的永磁動子帶動長壽命抽油泵柱塞往復運動，將油井里的液體舉升到地面管道中[1]。

圖2 線性電機原理圖

2 磁懸浮線性電泵技術特點

2.1 可解決管桿偏磨問題

常規(guī)的油桿采油設備，即使在桿上加了扶正器，或使用HDPE 內襯油管，也只能是減輕偏磨，只有不用抽油桿，才能徹底解決斜井、從式井、水平井的管桿偏磨難題，延長油井的維修周期，節(jié)省大量鋼材投入、減少作業(yè)時間和成本。

2.2 節(jié)能效果好

動力裝置與泵在井下直接連接，取消了傳統(tǒng)的從抽油機到泵之間的一切中間環(huán)節(jié)，沒有了抽油機平衡塊和抽油桿的無功損耗，沒有抽油桿及油管相互間產生的摩擦阻力，去掉了抽油桿的沖程損失，沒有油管的蠕動，實現了零傳動或直接傳動。因此舉升能耗低、損耗小；泵效可達90%以上；對低滲透間歇出油的油井，在油井不足時，設備的控制系統(tǒng)會根據井下傳感器傳來的信號，降低柱塞往復沖刺，減少排量，防止干抽造成的設備磨損與耗電，通過多次的油井現場試驗，與同等產液量的抽油機相比，耗電量減少40%以上。

2.3 環(huán)境污染小

不用抽油桿和光桿，井口無盤根，不會出現地面井口光桿密封器密封不嚴的泄露問題，不產生落地油。另外一臺常規(guī)的抽油機需要近20 t 鋼材，這些鋼材從生產、運輸、切割、焊接、噴砂除銹、噴漆等環(huán)節(jié)都間接地對地區(qū)的環(huán)境造成污染，如果不用油井或少用抽油機則可減少環(huán)境污染。

2.4 便于遠程控制集中管理

通過GPRS 實現遠程監(jiān)控油井的生產狀況，生產制度調整智能化，調整幅度更精密、更精確，解決偏遠井的管理難題，能讓管理人員在辦公室的計算機上隨時掌握每個井場各個油井抽油設備的運行情況，對停井及出故障的設備報警并及時進行參數調整，保證油井正常生產（見圖3）。

圖3 油井遠程監(jiān)控示意圖

2.5 防砂卡、氣鎖

本設備特殊設計了足夠的沉沙口袋，避免長時間停井管注井液中的沙粒沙埋抽油泵柱塞現象，適用于低滲透、間歇出油的油井，另外本設備增加了抽油泵吸入口的過油面積，采油激光割縫管進行防砂處理（見圖4）。

圖4 抽油泵原理

線性電機的動子運行精度很高，能使抽油泵的緩沖距控制到3～12 mm 以內，泵的柱塞運行時基本能達到上、下兩死點，氣體在泵腔中沒有存在的空間，能防止氣鎖現象的產生。

2.6 運行泵效高

沒有抽油桿的彈性變形、沒有油管的蠕動、緩沖距極小、運行參數優(yōu)越、線性電機在油層中工作時產生熱量，加熱稀釋周圍油液，使油層液體加速活動，容易開采，提高供液能力。

2.7 使用壽命長

線性電機工作時動子基本上懸浮在線性電機定子腔中運行，磨損很小，長壽命抽油泵泵筒表面采用碳氮硼三元復合滲工藝，表面硬度大于油層中的石英砂硬度，不會刮傷泵筒，防腐性能也很好，柱塞表面采用合金粉沫噴焊工藝，閥福采用硬質合金材料，各種閥罩采用不銹鋼材料，易磨損斷裂位置采用合金材料焊接，此種工藝裝配的設備正常情況下3 年內不會出問題。

2.8 可隨時監(jiān)控井下油層參數

設備在線性電機上設計了載波傳感器，每隔幾秒鐘會把油層中的線性電機溫度、油層溫度、承受壓力、動子運行情況等參數以載波形式通過動力電纜傳給地面控制器的計算機，計算機通過JPRS 傳給生產監(jiān)控室。生產制度調整智能化，調整幅度更精密、更精確，與油田的四化管理能緊密連接，可實現油井現場無人值守。

2.9 其他優(yōu)點

除了以上優(yōu)勢特點外，系統(tǒng)在地面只有控制器，無任何聲音；適合在生活區(qū)、商務區(qū)的油井采油，不擾民、無噪聲污染。同時占地面積小，地面控制器，占地面積1 m2、質量150 kg。適合海上采油，減少海上平臺的負擔。此外，由于取消了地面抽油機及機械傳動系統(tǒng)，地面設備只有控制柜，維護簡單，免去了以往維護抽油機的各種繁雜工作，大大減少維護工作量。

由于以上種種優(yōu)點，適合于在3 000 m 以內采油的油井。適合斜井、叢式井、水平井、海上低產油井、居民生活區(qū)、商務區(qū)、旅游景點等油井的采油生產。

3 磁懸浮線性電泵常見問題及解決方案

根據十多年的現場應用情況，以往設備出現的主要問題是電機短路（電機的絕緣、密封失效，電機內保護管磨透進水）、動子磁鐵的退磁、擊穿動力電纜使電纜無絕緣、抽油泵沙卡及壽命短等；線性電機振動大，引起動子與連桿脫扣；泵上油管扣松動漏油等。針對不同部件出現的問題，進行了分析、研究，分別制定出了應對措施。

3.1 電機定子上出現的問題

3.1.1 密封問題

1）電機頭與機體的密封采用常規(guī)的密封圈，造成密封性能不穩(wěn)定。

解決辦法：電機頭與機體的密封采用焊接工藝，徹底解決密封性能不穩(wěn)定問題。

2）上電機頭3 根動力電纜引出部位，僅采用密封圈密封，密封性能不穩(wěn)定。

解決辦法：電機頭外面引出電纜采用外套不銹鋼管縮孔擠壓電纜外徑，再把縮好孔的不銹鋼管焊接到電機頭上，電機頭內側電纜采用特殊膠充填及擠壓密封圈密封的辦法徹底解決密封問題。

3.1.2 電磁線的絕緣等級及絕緣層的耐溫問題

針對常規(guī)的電磁線耐溫低及絕緣等級差的問題，采用在電磁線外圓上再纏繞一層絕緣等級高且耐高溫的亞胺帶，把線圈纏繞成型后進烘箱烘烤，亞胺帶上的自粘膠與電磁線緊緊粘在一起，這樣制成的線圈絕緣達到H 級，耐溫380 ℃以上。檢測線圈的絕緣性能采用把線圈放到水里進行檢測，這樣即使在使用過程中定子腔進水，線圈也能正常工作。

3.1.3 定子內管的耐磨問題

定子內管是保護電機線圈的，一旦磨破，水就會進入電機內部，電機的絕緣就會失效。

解決辦法：在電機的定子內管內表面增加耐磨層，每隔1 m 加一個內孔帶氮化鈦涂層的硬質合金耐磨環(huán)，這樣就能保證電機在正常情況下，10 年內不會磨透定子內管。

3.2 電機動子上出現的問題

3.2.1 磁鐵遇高溫退磁與易碎問題

常規(guī)磁鐵的矯頑力低，當溫度升高到一定值后，剩磁下降很快，出現丟磁現象，造成線性電機推力下降很多。永磁體含有大量的鐵和釹，因此比較容易銹蝕，化學穩(wěn)定性相對較差，磁鐵極易腐蝕，易丟磁。材料質地硬而脆，易碎。

解決辦法：選用耐溫高達340 ℃的釤鈷磁鐵（SmCo32）；在線性電機[2]里面加裝溫度傳感器，溫度上升到一定值（150 ℃），驅動器控制線性電機自動進行降低沖次或者停機保護；動子外圓加1 層保護套，不受外力，與外界液體隔離。

3.2.2 磁鐵的剩磁（BR）及耐磨問題

磁鐵的剩磁小，電機的推力就小，磁鐵是不耐磨的。

解決辦法：選用剩磁大的牌號（SmCo32），另外在2 個磁鐵中間加1 個外徑大于磁鐵外徑的耐磨環(huán)（導磁環(huán)），保護磁鐵。

3.3 電機動子及定子之間的氣隙值及防沙密封問題、呼吸問題

3.3.1 氣隙值問題

動子與定子之間的氣隙與電機的推力成指數關系，氣隙過小摩擦力會增大。要選一個合理的氣隙值。

解決辦法：經仿真優(yōu)化后，氣隙值取2.3 mm。

3.3.2 容積出現變化問題

動子在運行時，定子內的容積會發(fā)生變化，會對動子運動產生阻礙。

解決辦法：加呼吸器；動子外徑與密封防沙推桿直徑尺寸一樣，減小容積變化；在電機頭兩端加防沙器。

3.4 電機的溫度保護及智能控制問題

線性電機在運行時溫度會升高，如果遇到供液不足時，液體不能及時給電機冷卻，電機溫度會很高，這樣電機的絕緣、密封會被破壞，磁鐵達到一定溫度會丟磁。

解決辦法：加裝溫度傳感器，溫度上升到一定值，驅動器控制電機自動進行降低沖次或者停機保護。

3.5 電機產生振動的問題

線性電機運行時振動大，原因是多方面的，如電機內孔與動子外圓的加工裝配同軸度與直線度差；電機定子線圈的節(jié)距與動子上的磁鋼節(jié)距不對應；驅動器是開環(huán)控制，對電機因參數設計不合理出現丟步后不能診斷等都會引起振動。

解決辦法：嚴格控制線性電機配件的加工精度，提高裝配精度，保證線性電機的定子節(jié)距與動子節(jié)距完全吻合，采用半閉環(huán)伺服驅動器，合理選擇運行參數，嚴格監(jiān)控線性電機的運行情況，出現丟步現象立即調整參數消除；確保線性電機平穩(wěn)運行。

4 磁懸浮線性電泵使用要求

要保證磁懸浮線性電機采油設備在油田油井中正常運行，首先要解決設備在以往的現場應用中經常出現的問題，延長設備在井下的運行時間，滿足油田對采油設備的使用要求，油田對采油設備的使用要求一般有系統(tǒng)的壽命要求，滿足油井正常的產量要求，售后服務等。

4.1 系統(tǒng)的壽命要求

磁懸浮線性電機采油設備主要包括：線性電機、長壽命抽油泵、專用電纜、控制器，任何一項出故障，整個設備都不能運行，要保證整個設備正常工作，各組成部分必須在限定的時間內不出問題：線性電機的壽命要求大于10 年，長壽命抽油泵的壽命要求大于700 d，地面控制柜的壽命要求大于5 年，電纜的壽命要求大于5 年。

電纜損壞主要由以下原因引起：

1）下井作業(yè)過程中損傷電纜；尤其是在斜井中，電纜在造斜點處容易損傷。

措施：首先嚴格按照電泵井下工藝進行作業(yè)，其次采用新工藝，先下磁懸浮線性電機、壽命抽油泵油管，等作業(yè)完成后再把電纜從油管內孔中下入井下，電纜插頭在井下自動與電機對接[4]。

2）瞬間高沖擊電流容易損傷電纜。

措施：在驅動器上設定最大安全電流、在驅動器輸出端加裝正玄波濾波器、清除電流波形的毛刺，保護電機、電纜不被峰值電纜擊穿絕緣

3）腐蝕損壞電纜。

措施：對礦化度高的油井選用耐腐蝕能力高的電纜。

設備配套的長壽命抽油泵[3]經過幾千次的井下使用證明使用壽命遠遠高于700 d（設計壽命2～3年）?？刂乒衲壳笆褂玫尿寗悠骷夹g比較成熟，具有出色的電流環(huán)，速度環(huán)以及位置環(huán)控制功能，可實現有位置反饋和無位置反饋的精確控制，在無位置反饋應用中，有著無以倫比的卓越特性，具有響應速度快，定位誤差小的特點：

1）獨特的位置控制模式，可精確控制移動距離以及移動速度。

2）獨特的溫度算法，能準確得知電機溫度，從而有效的保護電機。

3）具備遠程GPRS 功能，使管理人員不在現場也能知道設備的數據，方便管理。

4）超強的電壓適應能力，使驅動器能適應野外工作能力，在電壓波動的情況下，依然能保持強大的輸出能力。自適應的電壓功能，能保證電機正常工作，同時具備防雷擊功能，保證設備24 h 正常工作。

5）完善的保護功能，保證驅動器在各種異常狀態(tài)下，能迅速啟動保護功能，保證設備安全。同時，簡捷的參數設置大大提高客戶的使用效率。

4.2 滿足油井正常的產量要求

根據油井的參數要求，進行科學合理的油井作業(yè)工藝設計，選取相應的磁懸浮線性電機采油設備。

4.3 售后服務要求

嚴格參照石油行業(yè)對石油裝備的售后服務標準，結合油田的要求制定相應的售后服務內容，并嚴格執(zhí)行。

通過以上措施生產出的磁懸浮線性電機采油設備，設備的壽命、油井正常的產量都能達到油田客戶要求，與現有常規(guī)采油設備相比有明顯優(yōu)勢，運行成本低，售后服務有保障。

磁懸浮線性電機采油設備是常規(guī)采用方式的一個補充，設計之初就是從解決管、桿偏磨，節(jié)能、安全環(huán)保、管理方便尤其是解決偏遠油井管理困難入手的；現在各油田的大斜度井、水平井、從式井很多，常規(guī)有桿采油肯定出現偏磨現象；海上、家屬區(qū)、景點、商務區(qū)等存在的油井，對地面的安全環(huán)保、占地面積等都有影響，而磁懸浮線性電機采油設備的應用，在這些地區(qū)便能很好地解決這些問題。

5 磁懸浮線性電泵應用推廣情況

磁懸浮線性電機采油設備自問世以來的10 多年里，在長慶、大慶、勝利等油田前后經過幾百次的井下應用，大慶油田最早使用磁懸浮線性電機采油設備，到目前也是使用最多的油田，完全解決了偏磨問題，每口油井使用后比以往節(jié)能40%以上，有的節(jié)能達到60%，降低了地面維護費用和運行成本[4]。

勝利油田石油開發(fā)中心，在延伸到海里的墾東12 人工島4 個島上有油井近100 口，全是從式井，相鄰油井之間的距離很近，普通的抽油機擺放不開，油井井身的走勢全是大斜度井。從2008 年陸續(xù)安裝了磁懸浮線性電機采油設備約50 臺，有效解決了在海上大密度、大斜度油井不能用常規(guī)設備采油的難題，管桿偏磨、地面安全環(huán)保問題得以解決。

2008 年，長慶油田陸續(xù)安裝了一些磁懸浮線性電機采油設備，該油田老井比較多，油井套管變形大，井身軌跡拐點多，斜度大；有很多油井泵掛深（多數在1 850 m），排量大且間歇出油，多數油井都在偏遠的山上，管理困難。經過多年的運行，很好地解決了以往使用常規(guī)有桿采油設備出現的管桿偏、耗能大、地面安全環(huán)保差、運行成本高、油井管理困難等難題。

2013 年，勝利油田勝機公司在長慶油田采油三廠92-39 油井安裝了一臺磁懸浮線性電機采油設備，泵掛1 850 m，排量10 m3/d，與以往使用抽油機相比，每天節(jié)電50%，正常運行到2017 年1 月，因油井周圍需再打新井而把設備提出，前后運行近4 年，只需要通過GPRS 在公司的辦公室里對設備進行遠程監(jiān)控管理，很少出現故障。

該設備的推廣應用，為國家節(jié)省了大量的鋼材，針對油田修井對環(huán)境造成的傷害有很大程度改善。該設備的應用，能提升我國石油機械采油工藝水平，實現智能采油，與油田目前的“四化”建設能很好地結合在一起。