井下抽油机系统说明.doc

QWC20-2-90型
潜油往复式抽油系统简介

沈阳菲特精密机械设备有限公司

2006年8月

QWC20-2-90型
潜油往复式抽油系统简介

1、概述
目前,我国大多数油田进入中后期开采,对机械采油设备的开发与研究技术水平要求也越来越高。国内外采油技术中已有多种人工举升方式可供选择，各有其优缺点。电动潜油泵排最大，操作管理简单，但初期资金投入高、耗电高、运行费用也较高，不适用于中小产液量的油井；螺杆泵采油是目前发展很快的容积式泵，初期投入资金少，地面设备体积小，适应性较广，但泵的寿命短；目前有杆泵采油仍占采油的主导地位，多年来工艺配套和技术进步都很快，技术成熟、装置耐用、故障低。但有杆采油系统中抽油杆与油管内壁的剧烈磨擦，尤其是在斜井及“狗腿”弯处更为严重，难以避免产生抽油杆断脱及油管磨漏等，我们称之为“偏磨”，偏磨的后果是频繁更换抽油杆、油管，降低了抽油机系统效率，缩短了作业周期，增加了原油开采成本，国内有杆采油方式占90%以上，其中发生偏磨现象占25~30%，虽然已经有不少解决偏磨的方法，但没能从根本上解决问题。鉴于上述原因，圆筒形永磁直线电机驱动的无杆抽油系统便应运而生。
考虑有杆采油系统中，泵已形成系列，适用面很广，能否采用当前一些新的技术，进一步提高系统效率，克服有杆采油系统中的“偏磨现象，从而形成一种在原有优点上的新采油工艺技术，我们开发的QWC20-2-90型潜油往复式抽油系统就是基于这样的理念，该系统不再采用抽油杆，而是电机与泵筒连接、电机次级与泵杆连接，系统效率就大幅度提高，较一般的潜油电泵，平均有功节电达30%~60%，较一般的传统游梁式抽油机，平均有功节电达15%~45%，不但从根本上解决了有杆采油系统中的“偏磨”问题，而且省去了抽油杆，没有了地面上传统的抽油机，可大幅度节约金属材料，占地面积小、调参方便、易于操作，也节约了油井的初期投资，大大降低了采油成本。
2、工作原理
QWC20-2-90型潜油往复式抽油系统由圆筒形永磁直线电动机提供上下往复运动的动力，将直线电机的初级（定子）分别与油管和柱塞泵的泵壳相连接，柱塞杆与直线电机的次级（动子）相连接，圆筒形永磁直线电动机的次级带动柱塞上下往复运动，完成抽油过程。
圆筒形永磁直线电动机系统采用现代化电力电子技术、控制技术融为一体，兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的优点，该电机启动推力大，启动电流小。该电机启动电流小，推力大的优点还可以延伸到低速运行段，因此圆筒形永磁直线电动机系统十分适合那些需要重载启动和较长时间低速重载运行的机械，且适用于频繁启停及反向转换运行。电机本身发热现象并不突出，适合用于井下作业。
圆筒形永磁直线电动机初级和电机次级同心组成，电机初级由多个圆环绕组叠置组成，电机次级为置于空心铁管外的圆环形永磁体和阻尼环交替连接而成，相邻圆形永磁体的极性排列为N、S极交错排列。
我们利用圆筒形永磁直线电机单位体积出力大的特点，特别是本电机初级采用圆筒形结构，将电机的利用率进一步提高，从而实现了动力系统与泵连接，柱塞泵按传统有杆采油方式固定在油井中，由电机次级联接柱塞泵杆，电机次级的轴心为原油流经的通道。泵杆与电机次级相连，随直线电机次级上下运动，同时泵柱塞也相应作上下运行，原油由泵通过电机次级的空腔上行至油管，并不断将原油送至井口达到采油的目的。将直线电机和泵直连，效率高，可彻底取消地面上复杂的抽油机系统和上千米长的抽油杆，故较一般采油技术可大幅度节约电量降低能耗，同时具有结构简单、传动部件少、运行平稳、故障率低的优点，电机次级的运行方向和速度也可根据采油工艺需要进行调整，实现智能采油。
圆筒形永磁直线电机的结构原理介绍如下：初级外径为φ114mm，内径为φ60mm，相应的电机次级直径为φ55mm。其初级铁心由硅钢片加工成具有凹槽的若干圆环组成，初级绕组由导线成饼式（即圆环式），装配时将初级圆环铁心与饼式绕组交替叠放，次级由基管、磁钢和极靴组成复合次级。
对于这种结构的圆筒形永磁直线电动机，整个饼式线圈都是有效边。因此，圆筒形永磁直线电机不存在绕组端部，同理，它的次级绕组也不存在端部，这就提高了绕组的利用率，这是圆筒形直线电动机的一个特点及优点。其次，圆筒形永磁直线电动机中一个饼式线圈的作用相当于扁平直线电动机单层绕组一条有效边（即半个线圈）的作用，因此在设计计算时必须把饼式线圈额匝数作为每槽导体数处理。由于圆筒形永磁直线电机不存在绕组端部，因此也就不存在横向边端效应。由于该电机可频繁往复运动，且没有启动电流大的问题，系统效率高，制造工艺简单，可工作在高温高压有害气体中，所以在与往复柱塞泵配套使用时，无需传统潜油电泵的保护器。
3、系统组成
QWC20-2-90型潜油往复式抽油系统由控制系统、电缆、圆筒形永磁直线电机和抽油泵等四部分组成，其作用如下：
3.1、控制系统
井下抽油机系统示意图
控制系统是指在地面上配置的控制柜，其作用是控制直线电机的运行，抽油机的运行启动和停止可通过控制柜上的启动和停止控制按钮进行控制，通过控制柜上可编程的控制器还可对抽油机的冲程、冲次等参数进行调整设置。
3.2、电缆
电缆为三芯扁潜油动力电缆。通过对油井的具体分析计算确定所用电缆的型号。就本抽油系统而言，电缆的基本要求为耐温96℃，在最高温度下允许通过的电流大于40A。
3.3、抽油泵
抽油泵是常规的柱塞泵，作用是举升井液。QWC20-2-90型潜油往复式抽油系统可选用的抽油泵见下表，为保证泵的正常工作，该系统要求泵的沉没度不小于200 m。当油井出砂较为严重时，应选用防砂泵，以防止砂砾损伤泵筒或进入电机造成电机损坏。不推荐将该设备应用在产气量较大的油井中，以防止气锁现象的发生或泵送液量降低，造成电机过热而损坏。

扬程 (m)
1500
1000～1200
800
泵径 (mm)
38
44
56

3.4、圆筒形永磁直线电动机
圆筒形永磁直线电动机是提供上下往复运动的动力机械，是本系统的关键技术所在。
4、设备命名
QWC ××—×—××
最高工作温度 ℃
最大冲程 m
最大推力 kN
潜油往复式抽油系统

5、主要技术指标
圆筒形永磁直线电动机的总长度为9.6 米，通过电缆将电力送入到井下，驱动电机运行。其技术指标如下表。

项 目
技术指标
供电方式
三相三线制
电压
360～399V
频率
49Hz～51Hz
环境温度
-40～40℃
相对湿度
年平均不大于85%
工作温度
＜90℃
工作压力
15 MPa
有效推力
20 kN
电机效率
>60％

6、下井安装
QWC20-2-90型潜油往复式抽油系统的下井操作过程与电潜泵下井操作的过程基本相同，详细内容请参阅中石油标准SY—。
7、安全技术要求
1) 现场进行安装作业时，井口不能有溢流现象。
2) 下雨(下雪)或五级以上大风天气，不能进行下井作业。
3) 在潮湿地区下泵施工中连接电器设备时应采取防潮措施。
4) 变压器安装位置距井口不得少于30米，在变压器四周5米内不能有积水、油污和杂草。
5) 所有地面电器设备均应有可靠的接地装置。
8、项目的意义
8.1、高效低耗
与传统的游梁式抽油机和潜油电泵相比有明显的节能效果，QWC20-2-90型潜油往复式抽油系统没有游梁式抽油机复杂的力传递四连杆系统、没有皮带减速装置、又省去了抽油杆，所以在能耗上必然优于过去的抽油机。较一般的传统游梁抽油机平均有功节电达15~45%，较一般潜油电泵有功节电率达到30~60%。与螺杆泵比较有功节电40%以上；
8.2、结构紧凑、节省资源
QWC20-2-90型潜油往复式抽油系统的特殊结构和连接方式，省去了地面上庞大的基础和抽油机，也省去了上千米长的抽油杆，节约了大量金属材料；
8.3、管理简单，调参方便
现在游梁式抽油机的调整参数(冲程，冲次)是要通过调整抽油机变速箱的曲轴的长度和更换皮带轮的大小来实现的。工作量大，且不可能实现无级调参。而QWC20-2-90型潜油往复式抽油系统可任意的按要求调整和设定电机次级的运行速度、冲程、冲次，以达到较为合理的开采原油的目的。
8.4、从根本上解决了偏磨问题
目前，我国油田约有90%的油井采用传统的游梁式抽油机，其中发生偏磨现象的占25~30%。而本系统由于省去了上千米长的抽油杆，故从根本上解决了偏磨问题。偏磨隐患的根除将有效降低管理费用和生产维护费用。
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