潜油往复电泵举升工艺技术研究

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1、潜油往复电泵举升潜油往复电泵举升工艺技术研究工艺技术研究蒋扬川，张格云，陈学巨蒋扬川，张格云，陈学巨 潜油往复电泵举升工艺技术研究潜油往复电泵举升工艺技术研究摘摘 要：针对常规抽油机存在的一次性投要：针对常规抽油机存在的一次性投资大、能耗高和系统效率低等实际问题，资大、能耗高和系统效率低等实际问题，研制了潜油往复电泵及地面数控装置。通研制了潜油往复电泵及地面数控装置。通过动力电缆给井下潜油直线电机供电后产过动力电缆给井下潜油直线电机供电后产生交变磁场，动子在交变磁场作用下带动生交变磁场，动子在交变磁场作用下带动抽油泵柱塞做上下往复运动，达到举升油抽油泵柱塞做上下往复运动，达到举升油的目的。与其

2、它类型抽油机相比具有结构的目的。与其它类型抽油机相比具有结构简单、占地小、节能高效、智能调参等优简单、占地小、节能高效、智能调参等优点。该技术的成功研究与应用，为油田探点。该技术的成功研究与应用，为油田探索出一条全新的举升方式，特别是在油田索出一条全新的举升方式，特别是在油田高含水开发期，有着十分重要的意义和广高含水开发期，有着十分重要的意义和广阔的应用前景。阔的应用前景。关键词：潜油直线电机关键词：潜油直线电机 节能节能 调参调参 一、前言一、前言 随着油田开发的深入，我国大多数油田随着油田开发的深入，我国大多数油田都已进入开发的中后期，油井逐渐丧失自喷都已进入开发的中后期，油井逐渐丧失自喷

3、能力，机械采油已成为最主要的采油方式。能力，机械采油已成为最主要的采油方式。据统计，我国的机械采油井约占油井总数的据统计，我国的机械采油井约占油井总数的90以上。其中，由抽油机以上。其中，由抽油机抽油杆抽油杆抽油抽油泵组成的常规有杆泵抽油井占泵组成的常规有杆泵抽油井占90左右，产左右，产量占量占75以上。可见，以上。可见，“三抽三抽”设备的质量、设备的质量、水平将直接关系到油田的产量和经济效益。水平将直接关系到油田的产量和经济效益。但是，在油田开发难度日益增大的形式面前，但是，在油田开发难度日益增大的形式面前，常规有杆泵采油设备暴露出众多弱点：抽油常规有杆泵采油设备暴露出众多弱点：抽油机能耗高

4、、系统效率较低，抽油杆和抽油泵机能耗高、系统效率较低，抽油杆和抽油泵也难以适应稠油、出砂、高含水等苛刻的开也难以适应稠油、出砂、高含水等苛刻的开采条件。近几年，国内外相继研制开发了许采条件。近几年，国内外相继研制开发了许多新型的抽油机、杆和泵设备，使得传统抽多新型的抽油机、杆和泵设备，使得传统抽油设备的性能和适应性上有了新的突破。油设备的性能和适应性上有了新的突破。 一、前言一、前言 潜油往复电泵是潜油直线电机直接带潜油往复电泵是潜油直线电机直接带动柱塞泵工作的无杆采油设备，它的出现动柱塞泵工作的无杆采油设备，它的出现是新采油技术的推进。是新采油技术的推进。 二、举升工艺比较二、举升工艺比较

5、目前，现场应用最广泛的人工举升采油方目前，现场应用最广泛的人工举升采油方式有：有杆泵、电潜泵、水力活塞泵、水力喷式有：有杆泵、电潜泵、水力活塞泵、水力喷射泵和气举。各种举升方式具有不同的特点和射泵和气举。各种举升方式具有不同的特点和适应性：有杆泵因其设备装置简单、操作方便、适应性：有杆泵因其设备装置简单、操作方便、维护费用低、综合成本低而成为应用最广泛的维护费用低、综合成本低而成为应用最广泛的人工举升方式；电潜泵排最大，地面设备向井人工举升方式；电潜泵排最大，地面设备向井下传递能量的方式简单，下泵深度可超过下传递能量的方式简单，下泵深度可超过3000m，是高产油井及中高含水期油井提高排，是高产

6、油井及中高含水期油井提高排液量的适宜举升方式；水力泵采油具有泵挂深，液量的适宜举升方式；水力泵采油具有泵挂深，排量调节控制方便，可利用液力起下和利用动排量调节控制方便，可利用液力起下和利用动力液携带热量，以及适应复杂井条件等优点，力液携带热量，以及适应复杂井条件等优点，常被作为特殊井条件下选用的人工举升方式；常被作为特殊井条件下选用的人工举升方式；气举是一种对油井适应性较强的人工举升方式，气举是一种对油井适应性较强的人工举升方式，它的举升深度大，生产范围大，井下测试工艺它的举升深度大，生产范围大，井下测试工艺简单，在地面气源充足时，是高油气比、高产简单，在地面气源充足时，是高油气比、高产深井及

7、斜井的最佳举升方式。深井及斜井的最佳举升方式。 二、举升工艺比较二、举升工艺比较 20世纪世纪80年代以来，美国年代以来，美国API的一批的一批专家就各种人工举升方式对各种生产条件专家就各种人工举升方式对各种生产条件及其经济性提出了数十项适应性条件，进及其经济性提出了数十项适应性条件，进行了较为全面系统的定性或定量的评价比行了较为全面系统的定性或定量的评价比较。较。 各种举升方式对生产条件的适应性比较各种举升方式对生产条件的适应性比较 从以上表中对比可看出，潜油往复电从以上表中对比可看出，潜油往复电泵融合了有杆泵与电潜泵的优点，具有较泵融合了有杆泵与电潜泵的优点，具有较高的技术含量和较优秀的适

8、应性。高的技术含量和较优秀的适应性。 三、潜油往复电泵举升工艺特点三、潜油往复电泵举升工艺特点 1、电机本身的功率因数高，无须任何、电机本身的功率因数高，无须任何补偿措施。功率因数达到补偿措施。功率因数达到0.91以上，以上，彻底解决功率因数调整问题。彻底解决功率因数调整问题。 2、起动力矩大，是本电机突出的忧点、起动力矩大，是本电机突出的忧点之一，彻底解次之一，彻底解次“大马拉小车大马拉小车”问题。问题。常规电机机从常规电机机从0转矩起动的，本电机从转矩起动的，本电机从额定力矩启动，额定力矩启动，10001500米样机功米样机功率为率为4.06.0kW，较日前装机容量，较日前装机容量2237

9、kW小得多，而且启动无冲击电流，小得多，而且启动无冲击电流，一台一台50kVA变压器可以带变压器可以带510口井，口井，从而大大降低运行损耗，实现配电变从而大大降低运行损耗，实现配电变压器的经济运行。压器的经济运行。 三、潜油往复电泵举升工艺特点三、潜油往复电泵举升工艺特点 3、本抽油机不存在发电现象。、本抽油机不存在发电现象。 4、本抽油机系统调速容易，这是本、本抽油机系统调速容易，这是本电机的最大优点之一，调速比电机的最大优点之一，调速比1：10，抽油机系统冲次完全适应产量的变化，抽油机系统冲次完全适应产量的变化，冲次从冲次从1冲次变化到冲次变化到12冲次都很容易做冲次都很容易做到，将来做

10、到自动调节冲次，适应不到，将来做到自动调节冲次，适应不同产量的变化产能同产量的变化产能/能耗最优化。能耗最优化。 5、无抽油杆、消除了因杆磨损或脱、无抽油杆、消除了因杆磨损或脱扣带来的损失，可用更小尺寸油管。扣带来的损失，可用更小尺寸油管。 三、潜油往复电泵举升工艺特点三、潜油往复电泵举升工艺特点 6、地面占用空间小，井口无泄漏、地面占用空间小，井口无泄漏、无噪音、日常管理简单。无噪音、日常管理简单。 7、泵下机组的发热起到泵下加热、泵下机组的发热起到泵下加热作用。作用。 8、消除了抽油杆柱和油管柱的弹、消除了抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩导致泵效低的问题。性伸缩导致泵效低的问题。四、潜油往复电泵

11、举升工艺解决四、潜油往复电泵举升工艺解决现有采油设备举升存在的问题现有采油设备举升存在的问题 1、机采系统效率偏低、机采系统效率偏低 油藏类型复杂多样系统效率水油藏类型复杂多样系统效率水平差异较大平差异较大 整装水驱油藏系统效率整装水驱油藏系统效率 28.4，低渗透油藏系统效率小于低渗透油藏系统效率小于20，泵挂大于泵挂大于2500米的有杆泵井系统米的有杆泵井系统效率效率15.4%。四、潜油往复电泵举升工艺解决四、潜油往复电泵举升工艺解决现有采油设备举升存在的问题现有采油设备举升存在的问题 抽油机和地面抽油机和地面设备节设备节能技能技术术研究不研究不够够、应应用不足用不足修复电机占修复电机占4

12、0%40%以上，每天多损耗电能以上，每天多损耗电能2424万万kW.hkW.h稀土永磁电机稀土永磁电机高压高转差电机高压高转差电机电磁调速电机电磁调速电机开关磁阻调速电机开关磁阻调速电机应用应用4328台占台占28.3%效果参差不齐、选用缺效果参差不齐、选用缺乏标准乏标准四、潜油往复电泵举升工艺解决四、潜油往复电泵举升工艺解决现有采油设备举升存在的问题现有采油设备举升存在的问题 高泵效工作周期短制约举升效率提高高泵效工作周期短制约举升效率提高 研究及实践表明：高含水出砂油井中，研究及实践表明：高含水出砂油井中，抽油泵次高泵效工作期只有抽油泵次高泵效工作期只有3 3到到5 5个月，个月，相对较短

13、；而低泵效工作期相对较短；而低泵效工作期6 6到到8 8个月，个月，相对较长，导致周期泵效低。周期泵效相对较长，导致周期泵效低。周期泵效下降下降5%,5%,举升效率下降约举升效率下降约4%4%。 四、潜油往复电泵举升工艺解决四、潜油往复电泵举升工艺解决现有采油设备举升存在的问题现有采油设备举升存在的问题 潜油往复电泵的运用对比潜油往复电泵的运用对比 四、潜油往复电泵举升工艺解决四、潜油往复电泵举升工艺解决现有采油设备举升存在的问题现有采油设备举升存在的问题 2 2、杆管偏磨腐蚀严重、杆管偏磨腐蚀严重 抽油杆管更新率低抽油杆管更新率低 抽油杆更新率抽油杆更新率5.25.2、油管更新率、油管更新率

14、5.05.0。东辛、现河分别有。东辛、现河分别有4040、5050的的油井降低标准使用修复油管。油井降低标准使用修复油管。 进入高含水开发期，腐蚀严重，加进入高含水开发期，腐蚀严重，加剧偏磨剧偏磨 偏磨工具无统一的质量标准偏磨工具无统一的质量标准四、潜油往复电泵举升工艺解决四、潜油往复电泵举升工艺解决现有采油设备举升存在的问题现有采油设备举升存在的问题 3 3、斜井、定向井增多，现有举升技术、斜井、定向井增多，现有举升技术适应性差适应性差 有杆泵在斜井段中，井段斜率大于有杆泵在斜井段中，井段斜率大于4040度时，泵阀不能正常启闭，漏失严重，度时，泵阀不能正常启闭，漏失严重，应用受到较大限制。杆

15、管偏磨严重，免应用受到较大限制。杆管偏磨严重，免修期短。泵效低，一般低于修期短。泵效低，一般低于40%40%，大斜度，大斜度井免修期平均小于井免修期平均小于9090天，系统效率低，天，系统效率低，平均小于平均小于15%15%。 四、潜油往复电泵举升工艺解决四、潜油往复电泵举升工艺解决现有采油设备举升存在的问题现有采油设备举升存在的问题 4、低产低效井未能得到有效治理、低产低效井未能得到有效治理 供排不平衡供排不平衡 系统效率小于系统效率小于10%的井占总井数的井占总井数15.3%，产，产量小于量小于 5m3/d的低产能井的低产能井 2000 余口，由于渗透余口，由于渗透率低、注水条件差或无注水

16、条件，后续补充地层率低、注水条件差或无注水条件，后续补充地层能量困难，使得地层压降快、油井产能相对于设能量困难，使得地层压降快、油井产能相对于设备举升能力供液不足，不能实现供排平衡，进行备举升能力供液不足，不能实现供排平衡，进行高效举升。高效举升。 电机匹配不合理电机匹配不合理 平均电机负载率平均电机负载率30.73，低渗透油藏电机，低渗透油藏电机负载率负载率27.67% ，远离电机高效运行区间，效率，远离电机高效运行区间，效率低、能耗高。低、能耗高。 小排量抽油泵泵效和举升效率低小排量抽油泵泵效和举升效率低 抽油泵结构的限制，相对油井产能泵径规格抽油泵结构的限制，相对油井产能泵径规格配置偏大

17、，参数设计不合理。配置偏大，参数设计不合理。五、潜油往复电泵的举升工艺配套五、潜油往复电泵的举升工艺配套 1 1、潜油直线电机、潜油直线电机 潜油直线电机除有效节能外，还潜油直线电机除有效节能外，还可实现：冲程长度、上冲次行程时间和可实现：冲程长度、上冲次行程时间和下冲次行程时间分别连续可调，换言之，下冲次行程时间分别连续可调，换言之，潜油直线电机可以方便地实现下述三种潜油直线电机可以方便地实现下述三种抽油作业程序：抽油作业程序：任何冲程长度条件下，完成上行程快、任何冲程长度条件下，完成上行程快、下行程慢，简称上快下慢运动形式。下行程慢，简称上快下慢运动形式。任何冲程长度条件下，完成上行程慢、

18、任何冲程长度条件下，完成上行程慢、下行程快，简称上慢下快运动形式。下行程快，简称上慢下快运动形式。任何冲程长度条件下，完成上、下行任何冲程长度条件下，完成上、下行程同速的运动形式。程同速的运动形式。 五、潜油往复电泵的举升工艺配套五、潜油往复电泵的举升工艺配套 潜油直线电机最大的特点是可以实潜油直线电机最大的特点是可以实现长冲程（现长冲程（8米以上冲程），低冲次米以上冲程），低冲次（少于（少于1次次/分），并且上冲程长度、下分），并且上冲程长度、下冲程长度、上冲次时间、下冲次时间分冲程长度、上冲次时间、下冲次时间分别连续可调，是现代采油工艺学梦寐以别连续可调，是现代采油工艺学梦寐以求的最佳运动

19、控制形式。求的最佳运动控制形式。 但是，潜油直线电机在推广应用过但是，潜油直线电机在推广应用过程中，由于设计者对无杆采油设备的井程中，由于设计者对无杆采油设备的井下应用技术缺乏，造成许多影响使用的下应用技术缺乏，造成许多影响使用的不利因素。我们对此作了以下重大改进：不利因素。我们对此作了以下重大改进： 整体密封技术；整体密封技术； 引接电缆连接技术；引接电缆连接技术； 电机绝缘和散热技术；电机绝缘和散热技术； 高温不退磁技术。高温不退磁技术。五、潜油往复电泵的举升工艺配套五、潜油往复电泵的举升工艺配套 根据下泵深度根据下泵深度L(m)L(m)和地面油管和地面油管回压计算总扬程回压计算总扬程L

20、L总总，再根据所选的，再根据所选的泵径，查找在泵径，查找在“不同泵径下所需的不同泵径下所需的推力推力”，计算出总推力，计算出总推力 F=F=（L L总总/ 1000/ 1000）推力推力 /1000/1000米米 电机电机功率功率 P=1.134P=1.13410-4QL10-4QL总总 五、潜油往复电泵的举升工艺配套五、潜油往复电泵的举升工艺配套 2、抽油泵、抽油泵 与潜油直线电机匹配的抽油泵与潜油直线电机匹配的抽油泵也是至关重要的，现有的系统只是也是至关重要的，现有的系统只是简单的把常规抽油泵倒置使用，如简单的把常规抽油泵倒置使用，如图：图： 其工作原理是推杆下行时，柱塞其工作原理是推杆下

21、行时，柱塞与泵筒环形空间增大，井液从底部与泵筒环形空间增大，井液从底部吸入。推杆上行时，柱塞与泵筒环吸入。推杆上行时，柱塞与泵筒环形空间减小，井液克服油管液柱压形空间减小，井液克服油管液柱压力顶开上部凡尔排出，此时受力最力顶开上部凡尔排出，此时受力最大，可达大，可达35吨，对推杆及电机动吨，对推杆及电机动子的压稳性是一重大考验，不适宜子的压稳性是一重大考验，不适宜长冲程。长冲程。五、潜油往复电泵的举升工艺配套五、潜油往复电泵的举升工艺配套 我们现改进型抽油泵如下我们现改进型抽油泵如下(如图如图)： 本抽油泵为动筒式，采用柱塞本抽油泵为动筒式，采用柱塞窜联，上柱塞为小截面，下柱塞为窜联，上柱塞为

22、小截面，下柱塞为大截面。上柱塞起密封作用，上、大截面。上柱塞起密封作用，上、下柱塞形成的环形空间为工作腔。下柱塞形成的环形空间为工作腔。其工作原理是推杆下行时，柱塞与其工作原理是推杆下行时，柱塞与泵筒环形空间减小，井液克服油管泵筒环形空间减小，井液克服油管液柱压力顶开上部凡尔排出，推杆液柱压力顶开上部凡尔排出，推杆上行时，柱塞与泵筒环形空间增大，上行时，柱塞与泵筒环形空间增大，井液从底部吸入。井液从底部吸入。 五、潜油往复电泵的举升工艺配套五、潜油往复电泵的举升工艺配套 其系统受力与上述泵相反，改善了其系统受力与上述泵相反，改善了受力条件，具有的优点是：受力条件，具有的优点是： 不存在推杆及电

23、机动子的失稳，不存在推杆及电机动子的失稳，可适应长冲程；可适应长冲程； 泵的工作环形空间是由上、下柱泵的工作环形空间是由上、下柱塞形成的，选配常规柱塞可形成不塞形成的，选配常规柱塞可形成不同环形截面积，可配成较小的泵，同环形截面积，可配成较小的泵，比如比如51和和44可配成可配成26的泵，的泵，32和和28可配成可配成15.4的泵。这的泵。这就有效地解决了就有效地解决了“抽油泵结构的限抽油泵结构的限制，相对油井产能泵径规格配置偏制，相对油井产能泵径规格配置偏大，参数设计不合理大，参数设计不合理”的问题。的问题。 五、潜油往复电泵的举升工艺配套五、潜油往复电泵的举升工艺配套 根据提供的油井产液量

24、，确定抽油根据提供的油井产液量，确定抽油泵泵径：泵泵径： 抽油泵的理论排量抽油泵的理论排量Q=KSn 式中：式中： Q泵的理论排量，泵的理论排量，m3/d; K排量系数排量系数 S光杆充程，光杆充程，m; n充次，充次，min-1。 五、潜油往复电泵的举升工艺配套五、潜油往复电泵的举升工艺配套 排量系数（排量系数（K值）表值）表 参参 数数 排量系数排量系数K值值泵径，泵径，mm283238445156排量系数排量系数K0.88641.15781.63302.18882.94173.5467 一般泵的理论排量一般泵的理论排量Q是油井产液量的是油井产液量的1.431.67倍。倍。五、潜油往复电泵

25、的举升工艺配套五、潜油往复电泵的举升工艺配套 确定下泵深度确定下泵深度L(m)： 计算公式计算公式: L=Q/J+L静静+h沉沉 式中：式中： L下泵深度下泵深度, m; Q产液量产液量,t/d; J采油指数采油指数,t/dm; L静静静液面深度静液面深度,m; h沉沉沉没度沉没度, m（此为该地区的经验此为该地区的经验值，为保泵效在值，为保泵效在60%以上所需要的以上所需要的沉没度）沉没度）。 3、潜油电缆、潜油电缆 电缆型号可以根据井底温度、电机功率、电压电缆型号可以根据井底温度、电机功率、电压和电流进行选择。和电流进行选择。 电缆的压降损失和功率损失。电缆的压降损失和功率损失。 U=3

26、IL(cos+Xsin) P=3I2R10-3 式中：式中：U电缆压降损失，电缆压降损失，V;sin无功功无功功率因数；率因数；I电机额定电流，电机额定电流，A；cos功率因功率因数；数；L电缆长度，电缆长度，m;R电缆的内阻，电缆的内阻，；导体有效阻抗，导体有效阻抗，/km；P功率损失，功率损失，kW。 电缆的长度根据泵挂深度确定（包括连接部分）电缆的长度根据泵挂深度确定（包括连接部分）。 潜油直线电机的额定电压和电流较小，可选潜油直线电机的额定电压和电流较小，可选用用1012mm2的潜油电缆。的潜油电缆。 五、潜油往复电泵的举升工艺配套五、潜油往复电泵的举升工艺配套六、潜油往复电泵的技术改进方向六、潜油往复电泵的技术改进方向 为朝着高效、节能的目标发为朝着高效、节能的目标发展，潜油往复电泵应适应各种井况展，潜油往复电泵应适应各种井况要求。开发大推力，长冲程潜油直要求。开发大推力，长冲程潜油直线电机；潜油往复电泵的座封技术，线电机；潜油往复电泵的座封技术，实现无油管采油！实现无油管采油！ 谢谢！谢谢！潜油往复电泵举升工艺技术研究潜油往复电泵举升工艺技术研究各种举升方式对生产条件的适应性比较各种举升方式对生产条件的适应性比较各种举升方式对生产条件的适应性比较各种举升方式对生产条件的适应性比较改进型抽油泵改进型抽油泵