直线电机在采油设备中的应用.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 技术应用 收稿日期 2006211217 基金项目 西南石油大学创新基金资助项目 CXJ00424 作者简介 魏秦文 19742 男 山东济宁人 在读博士 主要从事石油矿场机械 控制理论 采油采气理论与方法等方面的 研究 Email swpuwqw 126 com 文章编号 100123482 2007 0820054204 直线电机在采油设备中的应用 魏秦文1 刘 健2 侯勇俊1 杜红勇3 张宝军3 1 西南石油大学 成都610500 2 西南油气田分公司 四川 潼南402600 3 胜利油田技术监测中心 山东 东营257000 摘要 实践证明 利用直线电机直接驱动设备采油 无论将其置于井上还是下潜至井下工作 均有利 于减小结构空间尺寸 提高机采效率 随着采油设备节能要求的提高 其优势更加突出 直线电机 的研究显得尤为重要 分析了直线电机抽油机 直线电机采油泵的原理和特点 关键词 采油 直线电机 抽油机 采油泵 中图分类号 TE933 101 文献标识码 A The Application of Linear Motors in Oil Production Equipment WEI Qin2wen1 LIU Jian2 HOU Yong2jun1 DU Hong2yong2 ZHAN GBao2jun3 1 Southwest Petroleum University Chengdu610500 China 2 Southwest B ranch Company of Oil Gas Field Tongnan402600 China 3 Main Monitoring Station of Shengli Oilf ield Dongying257000 China Abstract It has proved in practice that the productivity of linear motor2driven oil recovery equip2 ment has improved greatly than conventional ones The structural dimension is reduced much whether work on the ground or in well bottom Its advantages have become more obvious with energy2saving requirement to improve oil recovery equipment So the study of linear motor is important Key words oil recovery linear motor pumping unit oil pump 2000年 我国油田采用抽油机的油井占90 电机功率因数仅为0 3 0 6 中间传动部件能量损 耗约28 左右 年耗电量占油田总耗电量的20 30 随着多数油田相继进入开发中后期 井况变 得更加复杂 稳油控水和节能要求不断提高 智能 高效 低损耗的采油设备成为石油机械装备工业研 发重点 因此 超高转差率电机 变频调速电机 双 功率电机 电机调压装置等各种节能动力设备在油 田中不断得到开发应用 自动化控制水平得到相应 提高 122 直线电机因其优异的驱动性能而备受各 界关注 直线电机取代旋转电机 系统效率明显提 高 由于去掉了中间传动机构 采用直线电机的采 油系统效率将会明显提高 因而引起石油行业的普 遍关注 直线电机的设计 直线电机与井下工作泵 的结构方案成为至关重要的环节 1 直线电机采油技术的探索与发展 由于国内对直线电机的研究起步较晚 利用直 线电机驱动采油设备的早期研究集中在方案探索 上 1996年 文献 3 在国内首次公开了一种 采用 直线电机驱动的抽油机 专利 近几年 美国 法国 等国家以及国内申请的直线电机和直线电机抽油泵 的专利较多 主要是对抽油机直线电机的结构及其 控制系统 滑轮等配重平衡装置 地面井架布置形式 2007年 第36卷 石 油 矿 场 机 械 第8期 第54页 OIL FIELD EQUIPMENT 2007 36 8 54 57 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 的改进 2000年以来 许多科研院所对直线电机抽 油机展开了深入探索 大港 江汉等油田分别进行了 现场试验 2001208 华北油田分公司第一采油厂将 直线电机抽油机投入现场试验 2006年 中国石油 大学 华东 肖文生博士主持的国家 十五 重大装备 科技攻关计划 直线电机抽油机的开发与应用 通过 验收 随着直线电机技术的日益成熟 将直线电机置 于井下工作的设想逐渐成为可能 80年代末就已 经开始了相关研究 文献 4 公开了一种 控制井底 机动泵的直流直线电机的方法 其在抽油井管内装 有直线电机和井下泵 以井管底座作为支轴进行抽 汲 直线电机定子采用3个脉冲线圈 动子用多个永 久磁铁等距串接而成 而且 其发展与磁力泵 电磁 泵 柱塞泵以及电潜泵的研究存在着一定的渊源 文献 5 公布了一种 直线电机往复泵 其采用柱塞 泵与直线电机组合 柱塞为永磁结构 配有控制阀 通过控制器改变柱塞往复运动的频率 速度和行程 达到变流量 变流速泵送的目的 文献 6 结合直线 电机与采油设备的工艺要求 首次较为全面地完成 了整体结构设计 2005201 大庆油田进行了直线电 机抽油泵的现场试验获得了成功 其发展速度之迅 速 预示着一个新兴研究领域的兴起 2 直线电机抽油机 2 1 原理 直线电机抽油机与有杆抽油机一样有地面部 分 中间部分和井下泵 中间部分主要为抽油杆等 传动部件 井下泵为柱塞泵 地面部分主要包括电 缆 牵引绳 平衡轮 支架 直线电机 引导架 配重 箱 传感器 变频器控制柜等 支架固定在底座上 电机次级固定于支架 固定平台由支架支撑 平衡轮 可以用单轮或将并列的大轮和小轮置于平衡轮平台 上 直线电机定子固定在支架内部 它由钢板和型材 焊接而成 定子板边缘设有限位块 控制电机初级 的走向 导轨起导向作用 用于保护电机 电机动 子下部连接有配重箱 配重箱用来增减平衡重来调 整整机平衡 牵引绳采用2根钢丝绳 一端与悬绳 器相联 另一端连接在电机动子上 分别绕过悬绳器 上的滑轮 通过大轮 小轮改变方向后与电机动子相 连 直线电机动子通过柔性连接件 钢丝绳 导向轮 直接与抽油杆连接 动子的运动与抽油泵柱塞上下 运动完全一致 电机通过牵引绳带动抽油杆上下运 动 完成抽油过程 7 2003年 江汉采油厂试用了5台直线电机抽油 机 悬点额定载荷140 160 kN 冲程3 8 m 冲次 0 2 6 0 min 1 平衡配重10 70 kN 工作电压 380 660和1 140 V 平均节电约20 最高可达 45 充分体现出了直线电机的优势 2 2 特点 a 损耗小 效率高 抽油机主要由井下泵 抽 油杆 直线电机 井架 配重块等几部分组成 减少了 减速器和中间传动装置 动力损耗小 效率较高 b 体积小 占地少 直线电机定子固定在井 口上 井架上设有重力平衡装置 滑轮 克服了现有 的旋转电机带动的抽油机体积庞大 结构复杂 耗能 高的缺点 c 控制方便 改变电机参数就可以方便调节 冲程以及其他工作参数 井管中仅有抽油杆与井下 泵 运行平稳 可实现长冲程 大载荷的工作 冲程长 度可调 d 由于直线电机出力要求较高 设计体积相 对较大 防过载能力差 适应工况范围小 抽油井的 载荷差一般小于40 kN 对于中低产井 仍存在 泵 空 和低效的问题 由于地面结构仍比较复杂 机组 工作性能容易受中间部件影响 维修不便 8 3 直线电机采油泵 3 1 原理 9211 直线电机采油泵是一种新型高效潜油电泵 其 主要包括地面数控装置 井下磁力驱动柱塞泵 专用 电缆 液面监测仪 其中井下磁力驱动柱塞泵包括直 线电机 筛管和柱塞泵等 柱塞泵位于圆筒形直线 电机之下 两者通过永磁体动子和连杆相连 系统 通电后 直线电机动子带动柱塞做上下往复运动 达 到举升抽油的目的 同时系统还配有井下压力 温度 传感器 监测泵沉没处的工作压力和温度 2005201 大庆油田进行了直线电机采油泵的现 场试验 产液量为9 t d 产油量为2 t d 节电 41 1 泵效提高65 1 系统效率提高9 3 其 节能效果和泵效的提高比较明显 实践证明 直线 电机采油泵在节能 增效方面优于其他潜油电泵 3 2 特点 a 节能效果明显 采用的柱塞泵和永磁式直 线电机配合使用 与多级离心泵相比 泵受径向分力 较小 靠柱塞直接举升原油 能耗较小 泵效高 b 检泵周期延长 由于去掉了抽油杆 有效 解决了杆管摩擦及油管偏磨问题 有利于消除杆管 55 第36卷 第8期 魏秦文 等 直线电机在采油设备中的应用 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 摩擦及油管偏磨造成的系统失效 寿命得到提高 c 易于控制 可以随油井的储液高度调节泵 的冲程 冲次 提高采收率 d 成本略高 由于空间限制 直线电机一般 设计为细长结构 同时由于井下温度高 腐蚀较大 散热条件差 增加了制造成本 e 泵挂深度有限 不超过1 500 m 否则电机 长度增加 举升困难 f 将直线电机置于井底 设计难度相对较大 必须有效解决井下泵送参数的控制 电机散热 密封 等问题 同时 地下油层检测与井下泵抽汲的参数 难以准确预测 即使改变电机各项参数来调节冲程 与抽汲参数 仍存在设备无功损耗等问题 将数控 系统移植到该设备中 井下传感器精度 耐受性 较差 4 直线电机 4 1 原理 直线电机的原理与旋转电机的基本原理近似 可以认为直线电机是旋转电机在结构方面的一种演 变 将一台旋转电机沿径向剖开 然后将电机的圆周 展开成直线 即成为原始的直线电机 如图1 由 定子演变而来的一侧称为初级 由转子演变而来的 一侧称为次级 12 图1 旋转电机向直线电机的演变 交流同步式和感应式直线电机驱动系统控制理 论发展较为迅速 其中空芯绕组直线永磁同步电机 的结构简单 电磁推力位移特性光滑 无齿槽谐波和 脉动力 调速性能好 控制方程简单 适宜作高精度 快速响应位置伺服系统或直线定位系统中的执行器 和驱动器 直线电机驱动设备采油要求出力大 耐温 防 蚀 散热 用于抽油机的直线电机可以采用平板型或 圆筒形 直线电机抽油机动子较短 一般设计为动 磁式或动铁式 线圈固定 有利于实现长冲程 高出 力 平板型电机可以做成单边或对称双边结构 双 边型直线电机有利于消除定子和动子的法向吸力 图2为用于抽油机的单边型永磁同步直流直线电机 结构 1 磁轭 2 永磁体 3 气隙 4 齿 5 绕组 6 齿槽 图2 抽油机用永磁同步直流直线电机结构 受井下空间限制 兼顾工作效率与出力要求 直 线电机抽油泵的结构一般采用圆筒形动铁式中空结 构 图3为上述直线抽油泵用圆筒形直线电机的结 构图 定子绕组为饼式环形绕组 同时设有霍尔传感 器 动子上设有齿和齿槽 1 套管 2 定子绕组 3 动子 4 永磁体 5 磁轭 6 霍尔传感器 图3 圆筒形直线电机结构 4 2 特点 a 传递效率高 采用直线电机驱动的传动装 置 不需要任何转换装置而直接产生推力 省去中间 转换机构 系统装置简化 保证了运行的可靠性 易 于维护 b 机械损耗小 直线电机是通过电能直接产 生直线电磁推力的 它在驱动装置中 其运动可以无 机械接触 无传动零部件磨损 噪声小 c 环境适应性强 直线电机初级铁心在嵌线 后用环氧树脂等密封成整体 可以在高温 潮湿 腐 蚀 有害等环境下工作 d 功率因数低 尤其在低速时 与同容量旋 转电机相比 直线电机的效率和功率因数明显低 e 推力受电源电压的影响大 尤其直线感应 电动机的起动推力特别明显 故需采取稳压和其他 措施来减少或消除这种影响 65 石 油 矿 场 机 械 2007年8月 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 5 结论 1 由于直线电机取消了中间传动装置 尽管 直线电机的功率因素较低 但在提高系统总效率和 节能方面具有很大的优势 2 直线电机用于采油设备 结构简单 节能效 果好 系统效率高 能满足采油工艺自动控制的要求 和适应恶劣的工作环境 3 应用直线电机驱动设备采油 可以有多种 不同的方案 井下泵的选择与直线电机的设计是其 关键环节 4 随着研究的深入 直线电机节能 高效的优 势将会不断显现出来 参考文献 1 万邦烈 李继志 石油矿场水利机械 M 北京 石油工 业出版社 1990 2892307 2 姚亦华 海上油田潜油电泵生产系统优化设计与工况 诊断 D 成都 西南石油学院 2002 12103 3 孙 平 沈凤泉 王同斌 采用直线电机驱动的抽油机 中国 96217638 9 P 1998206224 4 尤尼弗罗油有限公司 控制井底机动泵的直流直线电 机的方法 中国 94108326 8 91104748 4 P 19952 04212 5 陈明磊 直线电机往复泵 中国 01213951 3 P 20012 12212 6 张 茂 魏 秦 文 一 种 直 线 电 机 采 油 泵 中 国 200520033498 8 P 2006205210 7 韩兴华 直线电机抽油机在华北油田投入现场试验 J 石油钻采工艺 2002 24 6 7210 8 姜民政 王建萍 郑雪锋 等 直线电机驱动抽油机的研 究 J 石油矿场机械 2006 35 1 38241 9 梁会珍 段宝玉 陈庭举 等 直线电机作为井下泵动力 系统的设想 J 石油钻采工艺 2004 26 6 75277 10 付国太 张 柏 任怀丰 等 往复式磁力驱动柱塞泵 举升工艺技术研究 石油学报 J 2006 27 4 1222 129 11 魏秦文 张留昌 郭咏梅 等 新型直线电机采油泵及 其关键技术 J 石油矿扬机械 2007 36 5 529 12 叶云岳 直线电机原理与运用 M 北京 机械工业出 版社 2003 1210