磁悬浮线性电泵技术特点分析及现场应用

殷 宏

（长庆油田公司第六采油厂，陕西 西安 410200）

引言

现在国内外在油田采油方面使用最多的是有杆采油设备，以游梁式抽油机为例：这种采油方式具有结构相对简单、容易制造、维修方便、可靠性好等特点，在采油领域已使用了上百年。但这种有杆采油方式设计初期由于受到技术条件的限制，存在很多的缺点：地上部分设备体型庞大、占地面积大、调整平衡困难、维护工作量大；地下部分管、杆偏磨严重，存在冲程损失、系统效率低、安全环保性能差等等[1]。

随着线性电机技术的发展，这项技术应用到了采油设备方面，磁悬浮线性电泵采油设备应运而生，该设备把线性电机与长寿命抽油泵直接连接，随油管下到井下油层中，去掉抽油杆，进而实现无杆采油。这是一种无管、杆偏磨，占地面积小、节能降耗、安全环保、管理维护方便的先进采油设备。

1 磁悬浮线性电泵采油工作原理

磁悬浮线性电泵采油设备由线性电机、电缆、驱动控制器、GPRS 远程监控器、传感器、密封器和长寿命抽油泵组成（见图1）。

图1 磁悬浮线性电泵采油设备原理

采用线性电机与长寿命抽油泵对接，由油管下到设计泵深位置潜入到合适的井液中。电缆沿着油管外壁一端连接油层中的线性电机（见图2），另一端连接地面的驱动控制器。地面电源通过控制器将交流电变频后通过电缆输送到井下线性电机。线性电机主要由永磁动子、定子绕组和机壳三部分组成。当电流进入定子绕组，其三相绕组中通入三相对称正弦电流后，会产生气隙磁场。这个气隙磁场的分布情况与旋转电机相似，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按相序沿直线线性移动，这个移动的磁场，被称为行波磁场。行波磁场移动时，吸引永磁动子上的固定磁场，实现永磁动子的运动，从而使悬浮的永磁动子带动长寿命抽油泵柱塞往复运动，将油井里的液体举升到地面管道中[1]。

图2 线性电机原理图

2 磁悬浮线性电泵技术特点

2.1 可解决管杆偏磨问题

常规的油杆采油设备，即使在杆上加了扶正器，或使用HDPE 内衬油管，也只能是减轻偏磨，只有不用抽油杆，才能彻底解决斜井、从式井、水平井的管杆偏磨难题，延长油井的维修周期，节省大量钢材投入、减少作业时间和成本。

2.2 节能效果好

动力装置与泵在井下直接连接，取消了传统的从抽油机到泵之间的一切中间环节，没有了抽油机平衡块和抽油杆的无功损耗，没有抽油杆及油管相互间产生的摩擦阻力，去掉了抽油杆的冲程损失，没有油管的蠕动，实现了零传动或直接传动。因此举升能耗低、损耗小；泵效可达90%以上；对低渗透间歇出油的油井，在油井不足时，设备的控制系统会根据井下传感器传来的信号，降低柱塞往复冲刺，减少排量，防止干抽造成的设备磨损与耗电，通过多次的油井现场试验，与同等产液量的抽油机相比，耗电量减少40%以上。

2.3 环境污染小

不用抽油杆和光杆，井口无盘根，不会出现地面井口光杆密封器密封不严的泄露问题，不产生落地油。另外一台常规的抽油机需要近20 t 钢材，这些钢材从生产、运输、切割、焊接、喷砂除锈、喷漆等环节都间接地对地区的环境造成污染，如果不用油井或少用抽油机则可减少环境污染。

2.4 便于远程控制集中管理

通过GPRS 实现远程监控油井的生产状况，生产制度调整智能化，调整幅度更精密、更精确，解决偏远井的管理难题，能让管理人员在办公室的计算机上随时掌握每个井场各个油井抽油设备的运行情况，对停井及出故障的设备报警并及时进行参数调整，保证油井正常生产（见图3）。

图3 油井远程监控示意图

2.5 防砂卡、气锁

本设备特殊设计了足够的沉沙口袋，避免长时间停井管注井液中的沙粒沙埋抽油泵柱塞现象，适用于低渗透、间歇出油的油井，另外本设备增加了抽油泵吸入口的过油面积，采油激光割缝管进行防砂处理（见图4）。

图4 抽油泵原理

线性电机的动子运行精度很高，能使抽油泵的缓冲距控制到3～12 mm 以内，泵的柱塞运行时基本能达到上、下两死点，气体在泵腔中没有存在的空间，能防止气锁现象的产生。

2.6 运行泵效高

没有抽油杆的弹性变形、没有油管的蠕动、缓冲距极小、运行参数优越、线性电机在油层中工作时产生热量，加热稀释周围油液，使油层液体加速活动，容易开采，提高供液能力。

2.7 使用寿命长

线性电机工作时动子基本上悬浮在线性电机定子腔中运行，磨损很小，长寿命抽油泵泵筒表面采用碳氮硼三元复合渗工艺，表面硬度大于油层中的石英砂硬度，不会刮伤泵筒，防腐性能也很好，柱塞表面采用合金粉沫喷焊工艺，阀福采用硬质合金材料，各种阀罩采用不锈钢材料，易磨损断裂位置采用合金材料焊接，此种工艺装配的设备正常情况下3 年内不会出问题。

2.8 可随时监控井下油层参数

设备在线性电机上设计了载波传感器，每隔几秒钟会把油层中的线性电机温度、油层温度、承受压力、动子运行情况等参数以载波形式通过动力电缆传给地面控制器的计算机，计算机通过JPRS 传给生产监控室。生产制度调整智能化，调整幅度更精密、更精确，与油田的四化管理能紧密连接，可实现油井现场无人值守。

2.9 其他优点

除了以上优势特点外，系统在地面只有控制器，无任何声音；适合在生活区、商务区的油井采油，不扰民、无噪声污染。同时占地面积小，地面控制器，占地面积1 m2、质量150 kg。适合海上采油，减少海上平台的负担。此外，由于取消了地面抽油机及机械传动系统，地面设备只有控制柜，维护简单，免去了以往维护抽油机的各种繁杂工作，大大减少维护工作量。

由于以上种种优点，适合于在3 000 m 以内采油的油井。适合斜井、丛式井、水平井、海上低产油井、居民生活区、商务区、旅游景点等油井的采油生产。

3 磁悬浮线性电泵常见问题及解决方案

根据十多年的现场应用情况，以往设备出现的主要问题是电机短路（电机的绝缘、密封失效，电机内保护管磨透进水）、动子磁铁的退磁、击穿动力电缆使电缆无绝缘、抽油泵沙卡及寿命短等；线性电机振动大，引起动子与连杆脱扣；泵上油管扣松动漏油等。针对不同部件出现的问题，进行了分析、研究，分别制定出了应对措施。

3.1 电机定子上出现的问题

3.1.1 密封问题

1）电机头与机体的密封采用常规的密封圈，造成密封性能不稳定。

解决办法：电机头与机体的密封采用焊接工艺，彻底解决密封性能不稳定问题。

2）上电机头3 根动力电缆引出部位，仅采用密封圈密封，密封性能不稳定。

解决办法：电机头外面引出电缆采用外套不锈钢管缩孔挤压电缆外径，再把缩好孔的不锈钢管焊接到电机头上，电机头内侧电缆采用特殊胶充填及挤压密封圈密封的办法彻底解决密封问题。

3.1.2 电磁线的绝缘等级及绝缘层的耐温问题

针对常规的电磁线耐温低及绝缘等级差的问题，采用在电磁线外圆上再缠绕一层绝缘等级高且耐高温的亚胺带，把线圈缠绕成型后进烘箱烘烤，亚胺带上的自粘胶与电磁线紧紧粘在一起，这样制成的线圈绝缘达到H 级，耐温380 ℃以上。检测线圈的绝缘性能采用把线圈放到水里进行检测，这样即使在使用过程中定子腔进水，线圈也能正常工作。

3.1.3 定子内管的耐磨问题

定子内管是保护电机线圈的，一旦磨破，水就会进入电机内部，电机的绝缘就会失效。

解决办法：在电机的定子内管内表面增加耐磨层，每隔1 m 加一个内孔带氮化钛涂层的硬质合金耐磨环，这样就能保证电机在正常情况下，10 年内不会磨透定子内管。

3.2 电机动子上出现的问题

3.2.1 磁铁遇高温退磁与易碎问题

常规磁铁的矫顽力低，当温度升高到一定值后，剩磁下降很快，出现丢磁现象，造成线性电机推力下降很多。永磁体含有大量的铁和钕，因此比较容易锈蚀，化学稳定性相对较差，磁铁极易腐蚀，易丢磁。材料质地硬而脆，易碎。

解决办法：选用耐温高达340 ℃的钐钴磁铁（SmCo32）；在线性电机[2]里面加装温度传感器，温度上升到一定值（150 ℃），驱动器控制线性电机自动进行降低冲次或者停机保护；动子外圆加1 层保护套，不受外力，与外界液体隔离。

3.2.2 磁铁的剩磁（BR）及耐磨问题

磁铁的剩磁小，电机的推力就小，磁铁是不耐磨的。

解决办法：选用剩磁大的牌号（SmCo32），另外在2 个磁铁中间加1 个外径大于磁铁外径的耐磨环（导磁环），保护磁铁。

3.3 电机动子及定子之间的气隙值及防沙密封问题、呼吸问题

3.3.1 气隙值问题

动子与定子之间的气隙与电机的推力成指数关系，气隙过小摩擦力会增大。要选一个合理的气隙值。

解决办法：经仿真优化后，气隙值取2.3 mm。

3.3.2 容积出现变化问题

动子在运行时，定子内的容积会发生变化，会对动子运动产生阻碍。

解决办法：加呼吸器；动子外径与密封防沙推杆直径尺寸一样，减小容积变化；在电机头两端加防沙器。

3.4 电机的温度保护及智能控制问题

线性电机在运行时温度会升高，如果遇到供液不足时，液体不能及时给电机冷却，电机温度会很高，这样电机的绝缘、密封会被破坏，磁铁达到一定温度会丢磁。

解决办法：加装温度传感器，温度上升到一定值，驱动器控制电机自动进行降低冲次或者停机保护。

3.5 电机产生振动的问题

线性电机运行时振动大，原因是多方面的，如电机内孔与动子外圆的加工装配同轴度与直线度差；电机定子线圈的节距与动子上的磁钢节距不对应；驱动器是开环控制，对电机因参数设计不合理出现丢步后不能诊断等都会引起振动。

解决办法：严格控制线性电机配件的加工精度，提高装配精度，保证线性电机的定子节距与动子节距完全吻合，采用半闭环伺服驱动器，合理选择运行参数，严格监控线性电机的运行情况，出现丢步现象立即调整参数消除；确保线性电机平稳运行。

4 磁悬浮线性电泵使用要求

要保证磁悬浮线性电机采油设备在油田油井中正常运行，首先要解决设备在以往的现场应用中经常出现的问题，延长设备在井下的运行时间，满足油田对采油设备的使用要求，油田对采油设备的使用要求一般有系统的寿命要求，满足油井正常的产量要求，售后服务等。

4.1 系统的寿命要求

磁悬浮线性电机采油设备主要包括：线性电机、长寿命抽油泵、专用电缆、控制器，任何一项出故障，整个设备都不能运行，要保证整个设备正常工作，各组成部分必须在限定的时间内不出问题：线性电机的寿命要求大于10 年，长寿命抽油泵的寿命要求大于700 d，地面控制柜的寿命要求大于5 年，电缆的寿命要求大于5 年。

电缆损坏主要由以下原因引起：

1）下井作业过程中损伤电缆；尤其是在斜井中，电缆在造斜点处容易损伤。

措施：首先严格按照电泵井下工艺进行作业，其次采用新工艺，先下磁悬浮线性电机、寿命抽油泵油管，等作业完成后再把电缆从油管内孔中下入井下，电缆插头在井下自动与电机对接[4]。

2）瞬间高冲击电流容易损伤电缆。

措施：在驱动器上设定最大安全电流、在驱动器输出端加装正玄波滤波器、清除电流波形的毛刺，保护电机、电缆不被峰值电缆击穿绝缘

3）腐蚀损坏电缆。

措施：对矿化度高的油井选用耐腐蚀能力高的电缆。

设备配套的长寿命抽油泵[3]经过几千次的井下使用证明使用寿命远远高于700 d（设计寿命2～3年）。控制柜目前使用的驱动器技术比较成熟，具有出色的电流环，速度环以及位置环控制功能，可实现有位置反馈和无位置反馈的精确控制，在无位置反馈应用中，有着无以伦比的卓越特性，具有响应速度快，定位误差小的特点：

1）独特的位置控制模式，可精确控制移动距离以及移动速度。

2）独特的温度算法，能准确得知电机温度，从而有效的保护电机。

3）具备远程GPRS 功能，使管理人员不在现场也能知道设备的数据，方便管理。

4）超强的电压适应能力，使驱动器能适应野外工作能力，在电压波动的情况下，依然能保持强大的输出能力。自适应的电压功能，能保证电机正常工作，同时具备防雷击功能，保证设备24 h 正常工作。

5）完善的保护功能，保证驱动器在各种异常状态下，能迅速启动保护功能，保证设备安全。同时，简捷的参数设置大大提高客户的使用效率。

4.2 满足油井正常的产量要求

根据油井的参数要求，进行科学合理的油井作业工艺设计，选取相应的磁悬浮线性电机采油设备。

4.3 售后服务要求

严格参照石油行业对石油装备的售后服务标准，结合油田的要求制定相应的售后服务内容，并严格执行。

通过以上措施生产出的磁悬浮线性电机采油设备，设备的寿命、油井正常的产量都能达到油田客户要求，与现有常规采油设备相比有明显优势，运行成本低，售后服务有保障。

磁悬浮线性电机采油设备是常规采用方式的一个补充，设计之初就是从解决管、杆偏磨，节能、安全环保、管理方便尤其是解决偏远油井管理困难入手的；现在各油田的大斜度井、水平井、从式井很多，常规有杆采油肯定出现偏磨现象；海上、家属区、景点、商务区等存在的油井，对地面的安全环保、占地面积等都有影响，而磁悬浮线性电机采油设备的应用，在这些地区便能很好地解决这些问题。

5 磁悬浮线性电泵应用推广情况

磁悬浮线性电机采油设备自问世以来的10 多年里，在长庆、大庆、胜利等油田前后经过几百次的井下应用，大庆油田最早使用磁悬浮线性电机采油设备，到目前也是使用最多的油田，完全解决了偏磨问题，每口油井使用后比以往节能40%以上，有的节能达到60%，降低了地面维护费用和运行成本[4]。

胜利油田石油开发中心，在延伸到海里的垦东12 人工岛4 个岛上有油井近100 口，全是从式井，相邻油井之间的距离很近，普通的抽油机摆放不开，油井井身的走势全是大斜度井。从2008 年陆续安装了磁悬浮线性电机采油设备约50 台，有效解决了在海上大密度、大斜度油井不能用常规设备采油的难题，管杆偏磨、地面安全环保问题得以解决。

2008 年，长庆油田陆续安装了一些磁悬浮线性电机采油设备，该油田老井比较多，油井套管变形大，井身轨迹拐点多，斜度大；有很多油井泵挂深（多数在1 850 m），排量大且间歇出油，多数油井都在偏远的山上，管理困难。经过多年的运行，很好地解决了以往使用常规有杆采油设备出现的管杆偏、耗能大、地面安全环保差、运行成本高、油井管理困难等难题。

2013 年，胜利油田胜机公司在长庆油田采油三厂92-39 油井安装了一台磁悬浮线性电机采油设备，泵挂1 850 m，排量10 m3/d，与以往使用抽油机相比，每天节电50%，正常运行到2017 年1 月，因油井周围需再打新井而把设备提出，前后运行近4 年，只需要通过GPRS 在公司的办公室里对设备进行远程监控管理，很少出现故障。

该设备的推广应用，为国家节省了大量的钢材，针对油田修井对环境造成的伤害有很大程度改善。该设备的应用，能提升我国石油机械采油工艺水平，实现智能采油，与油田目前的“四化”建设能很好地结合在一起。