王順華 趙洪濤 尚慶軍 周先軍

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 昌平 102249；2.勝利石油管理局 石油開發(fā)中心，山東 東營 257000；3.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 東營 257061)

目前，世界各國的油田80%以上都采用有桿抽油系統(tǒng)，且以游梁式居多，該舉升方式將電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，減速后再經(jīng)四連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為柱塞泵的直線往復(fù)運(yùn)動[1-2]。該舉升方式由于能量轉(zhuǎn)換損失、沖程損失、運(yùn)動轉(zhuǎn)換損失相互疊加，系統(tǒng)效率低；而且在油井產(chǎn)出液含水不斷上升的條件下，桿、管的偏磨不僅造成能量的損失，而且桿、管損壞會造成抽油系統(tǒng)的癱瘓。為此，提出了直線潛油電泵舉升工藝技術(shù)。該技術(shù)將電能直接轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動，簡化了轉(zhuǎn)換過程。與游梁式抽油系統(tǒng)相比，該技術(shù)為無桿抽油系統(tǒng)，徹底解決了桿、管的偏磨問題；其能量傳遞效率約提高23%[3]，室內(nèi)測試節(jié)能可達(dá)54%。抽汲參數(shù)可實現(xiàn)無級調(diào)整，為實現(xiàn)自動控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了條件，是一種很有發(fā)展前景的新型舉升技術(shù)。

1 直線潛油電泵舉升技術(shù)及其特點

直線電機(jī)是一種通過將封閉式磁場展開為開放式磁場，將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置。直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以看作為將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，并將電機(jī)的圓周展開成直線而形成的。其中，定子相當(dāng)于直線電機(jī)的初級，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電機(jī)的次級，當(dāng)初級通入電流后，在初、次級之間的氣隙中產(chǎn)生行波磁場，在行波磁場與次級永磁體的作用下產(chǎn)生驅(qū)動力，從而實現(xiàn)運(yùn)動部件的直線運(yùn)動[4]。

直線潛油電泵舉升技術(shù)主要包括直線潛油電機(jī)、井下泵和地面控制系統(tǒng)三大部分。直線潛油電機(jī)由普通平式油管下到設(shè)計泵深，地面電源通過智能控制柜將交流電變頻后用潛油電纜輸送到井下直線電機(jī)。當(dāng)電流進(jìn)入定子繞組，產(chǎn)生的磁場通過變頻方式實現(xiàn)磁極的交變，和永磁動子上固定磁場的相互作用實現(xiàn)永磁動子的運(yùn)動，從而使懸浮的永磁動子帶動柱塞限位往復(fù)運(yùn)動。

1.1 技術(shù)特點

1) 動力裝置直接與泵在井下連接，取消了從電機(jī)到泵之間的一切中間環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了零傳動或直接傳動。因此與同等產(chǎn)液量抽油機(jī)相比，耗電量大幅降低，滿足供液條件下泵效可達(dá)90%以上。

2) 實現(xiàn)無桿采油。與游梁式抽油機(jī)相比，節(jié)省了大量投資、減少了起下作業(yè)的時間和成本；同時徹底消除了桿管摩擦及油管偏磨問題，檢泵周期也將延長；在配套強(qiáng)閉式凡爾球座后，可實現(xiàn)水平井水平段采油。

3) 直線電機(jī)的運(yùn)動剛性大，可實現(xiàn)“零防沖距生產(chǎn)”，杜絕氣體影響，泵效高，能耗低。

4) 生產(chǎn)制度調(diào)整智能化。可根據(jù)地層的供液能力和生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)泵的沖程和沖次，使泵排量與地層的供液能力更加匹配，更適合稠油開采和抽空控制隨機(jī)調(diào)整運(yùn)行速度的要求[5]；同時可實現(xiàn)智能化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，便于集中管理[6]。

5) 配套采油泵采用倒裝方式，上行時活塞上行，頂開固定凡爾，下行時，活塞靠自身重量下行，撞擊承接筒。電機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的熱量能夠加熱稀釋周圍原油，起到降低原油黏度、提高供液能力的作用。

6) 直線電機(jī)內(nèi)部金屬部件完全與井液隔離，解決了因腐蝕造成的使用壽命短的問題。

1.2 基本性能參數(shù)

系統(tǒng)最高耐溫180 ℃；電動機(jī)的定子采用充封閉式結(jié)構(gòu)，耐壓30 MPa；電動機(jī)定子繞組的絕緣等級為H級；沖程為1.23 m；沖次為0～10次可調(diào)；最大舉升力4 000 kN；柱塞單次運(yùn)行時間為1.34 s，通過設(shè)置沖次間隔時間設(shè)定沖次。

1.3 適用條件

小排量深抽井、間歇生產(chǎn)井，排量≤45 m3/d，泵掛≤2 000 m(垂深)；大斜度井、水平井、偏磨嚴(yán)重井；50 ℃地面脫氣原油黏度≤3 000 mPa·s的稠油井；采出液含砂<0.5%。對于地層疏松、易出砂的井投產(chǎn)前需采用先期防砂；油氣比幾乎不受限制。占用空間小、日常管理簡單,適用于海上采油平臺和灘海陸岸人工島。

1.4 與電潛離心泵、電潛螺桿泵技術(shù)的對比

直線潛油電泵與電潛離心泵、電潛螺桿泵的技術(shù)參數(shù)對比見表1。

表1 三種舉升工藝主要技術(shù)指標(biāo)對比

由表1可知[7]：1)使用相同的電機(jī)，在相同揚(yáng)程和排量下，直線潛油電泵的能耗比電動潛油離心泵、電動潛油螺桿泵低得多；2)直線潛油電泵的系統(tǒng)效率比較高；3)直線潛油電泵適用于低產(chǎn)液量油井，幾乎不受原油含氣量的影響；4)直線潛油電泵可通過在各沖次設(shè)置間隙時間來調(diào)整沖次，實現(xiàn)對產(chǎn)液量的控制。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

直線潛油電泵舉升技術(shù)主要在勝利油田墾東12區(qū)塊0#、3#人工島進(jìn)行了應(yīng)用，另外，在稀油低液量生產(chǎn)井上也有應(yīng)用。以下就該技術(shù)在墾東12區(qū)塊0#、3#人工島的應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)介紹和分析。

2.1 工藝難點

新灘油田墾東12區(qū)塊屬于灘海油田，受地面條件的限制，采用海油陸采的開發(fā)方式。開發(fā)中，應(yīng)用直線潛油電泵舉升技術(shù)，遇到井身結(jié)構(gòu)、造斜點淺、井斜角大、原油黏度高、地層疏松易出砂等難點問題。

1) 油層埋藏淺，含油層系為明化鎮(zhèn)組和館陶組，因此造斜點淺、井斜角大。造斜點一般在井深80～300 m，20口定向井中井斜角大于50°的有16口，其中50°～60°的井8口，60°～70°的井6口，大于70°的井3口。

2) 原油黏度高。地面原油密度平均為0.973 6 kg/L，50 ℃時地面原油黏度平均為2 136 mPa·s，屬于普通稠油。隨著含水的上升，原油可能發(fā)生反相乳化，反相乳化后黏度成倍增加，在這種情況下，井筒中的流動摩阻大大增加，加大了舉升難度。

3) 地層疏松，易出砂，供液能力差，單井產(chǎn)液量12～15 t/d。

2.2 適應(yīng)性分析

目前，國內(nèi)外大斜度井舉升工藝技術(shù)主要有“皮帶機(jī)+連續(xù)機(jī)+偏置泵”、水力噴射泵、“連續(xù)桿+螺桿泵”、電動潛油離心泵、電動潛油螺桿泵和直線潛油電泵6種舉升技術(shù)。由于墾東12塊0#、3#人工島供液能力差，可以首先排除電動潛油離心泵?？紤]到“皮帶機(jī)+連續(xù)桿+偏置泵”和電動潛油螺桿泵一次性投入大，而免修期效短也予以排除?！斑B續(xù)桿+螺桿泵”、水力噴射泵與直線潛油電泵相比，系統(tǒng)效率低，能耗高。因此墾東12塊0#、3#人工島選用了直線潛油電泵舉升技術(shù)。

2.3 應(yīng)用效果

墾東12塊0#、3#人工島39口油井應(yīng)用直線潛油電泵舉升技術(shù)投產(chǎn)一次成功，為了更好地評價該技術(shù)的應(yīng)用效果，與墾東12塊1#、2#人工島采用的“連續(xù)桿+皮帶機(jī)+偏置式液力反饋斜井泵”舉升技術(shù)的46口油井進(jìn)行了對比，結(jié)果見表2。

表2 兩種舉升方式效果對比

從表2可以看出：直線潛油電泵舉升技術(shù)完全滿足目前的生產(chǎn)需要；在動液面較深的情況下，直線潛油泵舉升技術(shù)的泵效仍高于斜井泵。

現(xiàn)場實測資料還顯示，直線潛油電泵舉升技術(shù)能耗較有桿泵大大降低，每噸液舉升100 m耗電由2.12 kW·h降至1.77 kW·h，單井耗電量下降幅度達(dá)40%，節(jié)能效果明顯。

3 結(jié) 論

1) 直線潛油電泵舉升技術(shù)屬無桿采油舉升技術(shù)。由于去掉了抽油桿，可徹底解決桿、管摩擦及油管的偏磨問題，使檢泵周期明顯延長；同時節(jié)省了大量投資，縮短了起下作業(yè)時間，降低了成本。

2) 直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換成舉升原油的動力，中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，實現(xiàn)零傳動或直接傳動，因而具有較低能耗和較高的系統(tǒng)效率。在滿足供液條件下，泵效可達(dá)90%以上。

3) 可滿足普通稠油、高油氣比油井及供液不足油井開采的要求；同時還可滿足水平井、斜井等復(fù)雜井身結(jié)構(gòu)井的生產(chǎn)要求。

4) 自動化程度高，沖程、沖次可無級調(diào)整，具備智能化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控的有利條件。由于占用空間小、日常管理簡單，無論是海上采油平臺還是灘海陸岸人工島都有廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 周封，曹卉.新型潛油式直線抽油機(jī)電機(jī)選型問題的研究[J].石油礦場機(jī)械，2008，37(3)： 14-19.

[2] 白連平，馬文忠，楊艷，等.關(guān)于游梁式抽油機(jī)用電動機(jī)節(jié)能的討論[J].石油機(jī)械，1999，27 (3)： 41-44.

[3] 梁會珍，段寶玉，陳庭舉，等.直線電機(jī)作為井下泵動力系統(tǒng)的設(shè)想[J].石油鉆采工藝，2004，26 (3)： 75-77.

[4] 葉云岳.直線電機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2000： 49-50.

[5] 谷玉洪，肖文生，周小稀，等.ZXCY系列直線電動機(jī)抽油機(jī)工業(yè)性試驗[J].石油勘探與開發(fā)，2008，35(3)： 366-372.

[6] 肖文生，周小稀，谷玉洪，等.直線電機(jī)抽油機(jī)研制[J].石油學(xué)報，2006，27(5)： 112-114.

[7] 韓勝華，劉利梅，秦守棟，等.電動潛油螺桿泵技術(shù)及應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2009，28(4)：41.