井下直线电动机采油技术试验研究

李 明，杨海涛，罗庆梅，辛 宏，甘庆明，刘天宇

（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；2.长庆油田分公司油气工艺研究院，西安710018；3.长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安716000）①

井下直线电动机采油技术试验研究

李 明1，2，杨海涛1，2，罗庆梅3，辛 宏1，2，甘庆明1，2，刘天宇1，2

（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；2.长庆油田分公司油气工艺研究院，西安710018；3.长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安716000）①

针对常规抽油机井杆管偏磨的问题，结合细长筒状直线电动机，研究设计了一种利用直线电动机驱动的无杆采油技术。完成了采油工艺方法的设计，确定了抽油泵驱动系统的基本技术参数，设计了配套的单向作用管式抽油泵。在室内对直线电动机进行了耐压性能测试，结果显示该电动机耐压达到25 MPa；对电动机进行了温升测试，电机在空载运行情况下，其温稳定值为35 K，满足了现场的要求。对直线电动机的推力进行测试，结果显示推力达到20 k N。在地面模拟井内对该采油系统进行了可靠性测试，测试结果为井口回压15 MPa情况下机组正常工作500 h，电动机可靠性较好，达到了进入现场试验的要求。

直线电机；无杆采油；管式抽油泵；耐压；温升；推力

国内大多数油田已经进入中高含水期，油井液量逐渐降低，泵挂逐渐加深，这直接导致了抽油机井杆管柱偏磨的加剧［1］。国内各油田及研究机构对杆管柱的偏磨问题进行了长久而深入的研究，主要的解决方法是进行抽油杆柱的优化、新型扶正器的设计等。无杆采油技术能较好地解决杆管柱的偏磨问题，但是只针对部分液量较高的井有成熟的技术，对于液量低、扬程高的井，国内还没有形成成熟的无杆采油技术［2-4］。直线电动机以其特有的技术特点，在各行业的应用逐渐增多，近几年在石油开采方面也进行了研究与试验。目前，直线电动机在石油领域的应用主要在2方面：①用直线电动机代替抽油机常规的驱动电动机，从而形成直线电动机驱动抽油机的机采技术；②通过制造线长圆筒状直线电动机并配套井下往复式抽油泵，电动机与抽油泵直接连接置于井下，形成无杆采油技术，该技术能够满足较低液量、较大井深的井况要求。直线电动机在石油领域的应用均处于研究阶段，国内部分油田开展了少量的现场试验［5-10］。

1 直线电动机采油工艺方法

1.1 直线电动机基本原理

直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，具有结构简单、灵活、低噪声、低成本、高速度、高可靠性、耐腐蚀、防潮等优点。直线电动机可以认为是旋转电动机在结构方面的一种演变，可以看作是旋转电动机沿径向剖开，然后将电动机的圆周展成直线形成。直线电动机一般可以分为平板形、管形（圆筒形）、弧形、盘形等。受油井井身结构限制，在井下使用的直线电动机内只能采用管形结构。管形直线电动机可以看作是将平板形直线电动机原边卷起形成圆筒状，如图1所示。直线电动机工作基本原理与旋转电动机相似，都遵循电机学的基本原理［11］。

1.2 井下驱动直线电动机基本性能参数要求

在采油井井下使用的管形直线电动机，副边采用永磁体结构并且较主边稍长。电动机的设计必须满足油田基本要求：

1） 为了使电动机结构更简单，电动机副边采用永磁体结构。

2） 电动机在ø139.7 mm（51/2英寸）井眼内正常起下。

3） 电动机长度满足油井井眼曲率3.5°／30 m的要求。

4） 电动机绝缘等级满足150℃要求。

5） 电动机防护等级满足潜水要求。

6） 电动机及井下电缆密封达到2 000 m深的要求。

7） 电动机推力达到井深2 000 m以上要求，并留有30%的余量。

8） 配套抽油泵与电动机抽汲参数配合，能够满足液量2～20 m2／d的要求。

根据上述要求设计选用的直线电动机性能参数如表1所示。

图1 管形直线永磁同步电动机

表1 选用直线电动机基本性能参数

1.3 井下直线电动机采油工艺管柱

潜油电动机驱动的采油方法一般有3类管柱结构［12-13］：倒置壳装结构、倒置环空出液结构、正置结构，采油管柱如图2所示。直线电动机采油工艺采用正置管柱结构，由单作用管式抽油泵、潜油直线电动机、油管、潜油动力电缆组成。采油系统中，电动机副边下行程时出力做功，采用断续方式工作，电源用油田通用380 V电网供电。

图2 潜油电动机采油管柱结构

1.4 井下直线电动机地面控制系统

地面控制系统主要功能包括电动机供电、运行控制、运行参数调节、机组系统保护。

1） 电动机供电 通过“交—直—交”的转换，实现外网电源向直线电动机的供电。

2） 运行控制 直线电动机在井下是一个“起动、稳速运行、制动减速，反向起动、稳速运行、制动减速，停止一小段时间后又正向起动”的运动过程，控制器通过内部“三相电流采集—内部运算—控制指令”，实现电动机相电流与动子位置的实时调节，实现电动机的往复运动。

3） 运行参数调节 通过调节电动机的运行位置、运行周期，实现生产参数冲程、冲次的调节。

4） 机组系统保护 欠压保护、过压保护、PWM脉冲保护、过流保护、电动机过载保护、过热保护、上电缓冲保护和泄放保护。

2 单向作用管式抽油泵结构

根据井下直线电动机的工作特点，配套设计了一种柱塞下行程时出液的管式抽油泵，如图3所示。抽油泵基本参数如表2所示，其工作原理为：该泵上行程时，游动进油阀开启，出油阀关闭，井液由筛管进入桥式外管，经过游动进油阀流入下泵筒，完成进液；下行程时，游动进油阀关闭，出油阀开启，井液由下泵筒进入桥式内管，经过出油阀，完成出液。

图3 单向作用管式抽油泵结构

表2 单作用管式抽油泵设计参数

3 室内试验测试

针对潜油直线电动机工况基本要求，对电动机的拉力、耐压和及工作可靠性进行了室内测试。共进行了3个方面5项内容的测试，测试结果如表3所示。由测试结果可知：电动机温升达到了设计要求，单节拉力达到4 000 N以上，当采用6节设计时拉力可以达到20 k N以上；电动机耐压达到25 MPa，室内试验井测试显示机组工作平稳，可靠性较好。

表3 室内测试结果分析

4 结论

1） 设计的直线电动机采油工艺对低液量、高扬程井具有较好的适应性，能够满足20 m3／d以内、2 000 m井的工况要求。

2） 配套抽油泵室内测试表明，能够满足机组工作要求。

3） 室内测试表明，直线电动机采油机组耐压达到25 MPa，工作可靠性较好，最大拉力可达到20 k N。

4） 设计的直线电动机采油机组可以进入现场试验，实际测试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

中石油专项基金“长庆油田油气当量上产5000万吨关键技术研究”（2011E-1307）

李 明（1978-），男，黑龙江安达人，工程师，硕士，主要从事采油工艺技术、井下工具设计、水平井采油技术方面的研究，E-mail：liming_cq＠petrochina.com.cn。