CN100510401C - 水平井电潜柱塞泵举升装置 - Google Patents

Abstract

一种水平井电潜柱塞泵举升装置。主要解决现有水平井举升装置采用潜油电泵、水力射流泵导致投资高、排量大难以满足需要而采用有杆泵却又无法解决杆、管之间的偏磨等问题。其特征在于：所述装置还包括一个小直径高弹性永磁直线电机(44)、一个水平举升抽油泵(43)，所述小直径高弹性永磁直线电机(44)主要由定子与动子两部分组成，所述水平举升抽油泵(43)由固定凡尔、泵筒(23)、柱塞(22)以及上、下两个游动凡尔组成，小直径高弹性永磁直线电机(44)的定子部分与泵筒(23)相连，动子部分与柱塞(22)相连。该种装置生产成本低、可在小排量下工作，能够解决杆、管之间的偏磨问题，可在任意流压下生产，确保水平井的合理流压。

Description

水平井电潜柱塞泵举升装置

技术领域：

本发明涉及油田采油工程领域中的一种举升装置，尤其是涉及一种应用于水平井采油领域中的无杆泵举升装置。

背景技术：

目前，国内许多外围低产低渗透油田都已经应用水平井技术进行开发，随着石油资源的日渐减少，应用水平井的规模正在逐年扩大。现在应用于水平井上完成举升的技术主要有潜油电泵、水力射流泵等无杆泵举升工艺，但是这些成熟的技术由于投资高、排量大等原因而难以满足低渗透、低产水平井举升的需要，尤其是难以满足水平井、大斜度定向井深抽的需要。而如果采用抽油机-深井泵、螺杆泵等有杆泵举升工艺却又无法解决杆、管之间的偏磨问题，无法下到水平段，因此，水平井采出液的举升问题已经成为制约低产低渗透油田提高采收率的一大难题。

发明内容：

为了解决现有水平井举升装置采用潜油电泵、水力射流泵导致投资高、排量大难以满足需要而采用有杆泵却又无法解决杆、管之间的偏磨等问题，本发明提供了一种水平井电潜柱塞泵举升装置，该种水平井电潜柱塞泵举升装置生产成本低、可在小排量下工作，能够解决杆、管之间的偏磨问题，降低杆系统因素的作业维护工作量，延长检泵周期。此外该装置可下至水平井段举升，可在任意流压下生产，确保水平井的合理流压。

本发明的技术方案是：该种水平井电潜柱塞泵举升装置，包括采油树、油管、潜油电缆及地面控制柜，以及一个小直径高弹性永磁直线电机、一个水平举升抽油泵。

所述小直径高弹性永磁直线电机主要由定子与动子两部分组成，定子部分包括环形定子线圈、环形定子铁心、高弹性外筒、耐磨保护内筒。其中，环形定子铁芯在高弹性外筒内间隙配合，每个环形定子铁心与每个嵌入的环形定子线圈构成一个磁极单元，由若干个磁极单元构成单节电机的电磁部分，多级单节电机的电磁部分串联后组成电机定子的电磁部分，高弹性外筒与耐磨保护内筒之间为密闭空间，其内充入绝缘油，动子部分包括连接杆、永磁体、动子铁心以及动子底座，其中，连接杆固定在动子底座上，而在连接杆上则间隔固定有环形永磁体以及环形动子铁心，在永磁体及动子铁心的外壁上有一个由防腐耐磨材料构成的保护套，所述动子部分固定于定子部分的环形中心孔内，两部分之间留有气隙。

所述水平举升抽油泵由固定凡尔、泵筒、柱塞以及上、下两个游动凡尔组成。其中固定凡尔由固定凡尔罩、固定凡尔球、以及复位弹簧组成，复位弹簧、固定凡尔球、固定球座依次置于固定凡尔罩内，固定凡尔罩与固定凡尔球之间为间隙配合，在固定凡尔罩的前端有过流通道，所述上、下两个游动凡尔分别由上游动凡尔罩、上游动球座、上游动球、游动弹簧和下游动凡尔罩、下游动球座、下游动球构成，上游动球座、上游动球、游动弹簧位于上游动凡尔罩内，下游动球座、下游动球位于下游动凡尔罩内，上游动凡尔罩与上游动球以及下游动凡尔罩与下游动球之间均为间隙配合，在上游动凡尔罩前端有过流通道，所述固定凡尔在泵筒的前端，游动凡尔与柱塞位于泵筒内，其中上、下游动凡尔罩与柱塞螺纹连接，所述柱塞在泵筒内与其间隙配合，保护筒固定于泵筒外。

所述小直径高弹性永磁直线电机通过电机上接头、动子上接头、泵连管、电泵刮砂杯、出砂接头、刮砂光杆、光杆接头、筛管、推杆、光杆接头座连接在水平举升抽油泵的后端，其中小直径高弹性永磁直线电机的定子部分与泵筒相连，动子部分与柱塞相连，水平举升抽油泵的前端与油管相连，筛管上的通孔为液体进入泵筒的通道，所述动子部分在地面控制柜的控制下沿轴向往复运动，带动柱塞往复运动。

本发明具有如下有益效果：首先，由于小直径高弹性永磁直线电机电磁部分采用了多级式联结配合高弹性材料制成的外筒，使得它可以产生弹性变形量然后通过水平井的曲率最大处，可顺利下至水平井段；其次，这个小直径高弹性永磁直线电机连接在泵的后端，泵前端与油管相连，直线电机的动子与抽油泵柱塞相连，液体由泵和电机中间的筛管进入泵筒，当动子在控制系统的控制下沿轴向往复运动时，则带动柱塞往复运动，由于水平抽油泵固定凡尔设计在泵顶部，游动凡尔与柱塞在泵筒内，所有的凡尔球向前单向开启，从而将水平井段的采出液通过油管举升到地面；此外，可在变频控制柜内通过设定上行频率调整上行举升力、上行时间，设计定下行频率调整下行举升力、下行时间，设定冲次数控制电机在下死点停留时间，从而控制动子单位时间往复的次数，达到调节排量的目的。

附图说明：

图1是本发明的组成示意图。

图2是本发明所述装置中的电机、抽油泵联结后的结构剖视图。

图3是本发明所述装置中包含的小直径高弹性永磁直线电机的结构剖视图。

图4是本发明所述装置中包含的水平举升抽油泵的结构剖视图。

图5是本发明所述装置中实现水平举升抽油泵与小直径高弹性永磁直线电机联结的几个连接件的结构剖视图。

图中1—高弹性外筒，2—定子铁心，3—定子线圈，4—绝缘油，5—耐磨保护内筒，6—气隙，7—保护套，8—永磁体，9—动子铁心，10—连接杆，11—动子底座，12—平衡孔，13—固定凡尔罩，14—固定弹簧，15—固定球，16—固定球座，17—柱塞刮砂杯，18—游动弹簧，19—上游动球，20—上游动球座，21—上游动凡尔罩，22—柱塞，23—泵筒，24—保护筒，25—下游动凡尔罩，26—下游动球，27—下游动球座，28—推杆，29—筛管，30—光杆接头，31—刮砂光杆，32—出砂接头，33—电泵刮砂杯，34—泵连管，35—油管接箍，36—油管短接，37—光杆接头座，38—动子上接头，39—电机上接头，40—变频控制柜，41—潜油电缆，42—油管，43—水平举升抽油泵，44—小直径高弹性永磁直线电机，45—电机尾管，46—电机外筒。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，该种水平井电潜柱塞泵举升装置，包括采油树、油管42、潜油电缆41、地面变频控制柜40、小直径高弹性永磁直线电机44、水平举升抽油泵43，各部件间的连接方式为小直径高弹性永磁直线电机44连接在水平举升抽油泵43的后端，水平举升抽油泵43的前端与油管42相连，通过地面变频控制柜40、潜油电缆41为小直径高弹性永磁直线电机44提供电能。小直径高弹性永磁直线电机44的定子与水平举升抽油泵43的泵筒相连，动子与该抽油泵的柱塞相连，电机在后，泵在前，液体由泵和电机中间的筛管进入泵筒。动子在地面变频控制柜40的控制下沿轴向往复运动，带动柱塞往复运动，从而将进入泵筒内的采出液通过油管42向地面举升。

本装置中，采油树、油管42、潜油电缆41、地面变频控制柜40等部件均为现有技术，在这里不再重复介绍，下面详细介绍本装置中属于发明人独创的几个部件的结构与原理。

如图2所示，是本发明所述装置中的小直径高弹性永磁直线电机44与水平举升抽油泵43联结后的整体结构剖视图，图3是小直径高弹性永磁直线电机的结构剖视图。如图所示，所述小直径高弹性永磁直线电机44主要由定子与动子两部分组成。定子部分包括环形定子线圈3、环形定子铁心2、高弹性外筒1、耐磨保护内筒5，其中，环形定子铁芯2在高弹性外筒1内间隙配合，每个环形定子铁心2与每个嵌入的环形定子线圈3构成一个磁极单元，由若干个磁极单元构成单节电机的电磁部分，多级单节电机的电磁部分串联后组成电机定子的电磁部分。高弹性外筒1与耐磨保护内筒5之间为密闭空间，其内充入绝缘油4。动子部分包括连接杆10、永磁体8、动子铁心9以及动子底座11，其中，连接杆10与动子底座11螺纹连接，而在连接杆10上则间隔固定有环形永磁体8以及环形动子铁心9，在永磁体8及动子铁心9的外壁上有一个由防腐耐磨材料构成的保护套7，所述动子部分置于定子部分的环形中心孔内，两部分之间留有气隙6。

这种结构的电动机，由于内部采用了多级式联结，外部采用高弹性材料制成的外筒，使得它可以在外力作用下产生弹性变形量从而弯曲通过水平井的曲率最大处，实现顺利下至水平井段的目的。在实际设计时，可使电机最大弹性变形量达到通过水平井需求的200％，这样在通过造斜段进入水平段后，电机将自动恢复原始平直状态。

发明人设计该种电机是基于如下工作原理：

依据电磁学理论，通电线圈周围产生磁场，磁场的方向用右手螺旋定则判断，当电流方向改变时，磁场方向随之改变，当线圈通过交流电后，在线圈周围产生交变磁场，磁场变化的频率与交流电频率同步。因此，发明人考虑，将三相交流电通过电缆送到定子线圈，直线电机定子A、B、C三相中通入交流对称正弦电流后，产生气隙磁场，气隙磁场沿直线呈正弦分布。当A相电流达到最大值时，B相和C相电流为负的1/2最大值，磁场波幅处于A相位置；当B相电流达到最大值时，C相和A相电流为负的1/2最大值，磁场波幅处于B相位置；当C相电流达到最大值时，A相和B相电流为负的1/2最大值，磁场波幅处于C相位置；随着电流的变化，磁场的波幅按A相、B相、C相沿直线移动，动子与气隙磁场相互作用产生电磁推力，在定子不动的条件下，动子沿行波磁场方向作直线运动。电流方向改变时，行波磁场方向随之改变，动子的运行方向改变，从而实现动子在定子内作往复直线运动。

图4是水平举升抽油泵43的结构剖视图，如图所示，所述水平举升抽油泵43由固定凡尔、泵筒23、柱塞22以及上、下两个游动凡尔组成。其中固定凡尔由固定凡尔罩13、固定凡尔球15以及复位弹簧14组成，复位弹簧14、固定凡尔球15、固定球座16依次置于固定凡尔罩13内，固定凡尔罩13与固定凡尔球15之间为间隙配合，在固定凡尔罩13的前端有过流通道，所述上、下两个游动凡尔分别由上游动凡尔罩21、上游动球座20、上游动球19、游动弹簧18和下游动凡尔罩25、下游动球座27、下游动球26构成，上游动球座20、上游动球19、游动弹簧18位于上游动凡尔罩21内，下游动球座27、下游动球26位于下游动凡尔罩25内，上游动凡尔罩21与上游动球19以及下游动凡尔罩25与下游动球26之间均为间隙配合，在上游动凡尔罩21前端有过流通道，所述固定凡尔在泵筒23的前端，游动凡尔与柱塞22位于泵筒23内，其中上游动凡尔罩21、下游动凡尔罩25与柱塞22螺纹连接，所述柱塞22在泵筒23内与其间隙配合，保护筒24固定于泵筒23外。

当泵水平放置时上游动球19、下游动球26受上游动凡尔罩21、下游动凡尔罩25的支撑，保证上游动球19、下游动球26能够进行轴向运动。在游动弹簧18的弹力、压力作用下，保证上游动球19及时关闭，以满足水平举升的需要。

这种泵的工作过程为：下行程时，柱塞22下行，在固定弹簧14的弹力作用下使固定球15与固定球座16及时关闭，柱塞22让出的体积在泵筒23内形成一个低压腔，液体在流压的作用下克服游动弹簧18的弹力顶开上游动球19，进入泵筒23内。上冲程时，柱塞22向上运动，上游动球19关闭，柱塞22上行推动液体克服固定弹簧14弹力、液柱压力顶开固定球15，进入油管内，完成举升过程。

如图5所示，是本发明所述装置中实现水平举升抽油泵与小直径高弹性永磁直线电机联结的几个连接件的结构剖视图，具体的说，所述小直径高弹性永磁直线电机44通过电机上接头39、动子上接头38、泵连管34、电泵刮砂杯33、出砂接头32、刮砂光杆31、光杆接头30、筛管29、推杆28、光杆接头座37连接在水平举升抽油泵43的后端。其中小直径高弹性永磁直线电机44的定子部分与泵筒23相连，动子部分与柱塞22相连，水平举升抽油泵43的前端与油管相连，筛管29上的通孔为液体进入泵筒的通道，所述动子部分在地面变频控制柜40的控制下沿轴向往复运动，带动柱塞22往复运动。

整个抽油举升过程是：下行程时，电流由A相至C相时，行波磁场移动方向A相至C相，与动子永磁体形成的磁场相互作用，产生电磁推力，定子不动，动子沿轴向由A相向C相运动。动子带动柱塞向后运动，固定凡尔在固定弹簧14的作用下与固定球座14及时关闭，柱塞22后移，柱塞22让出的空间形成一个低压腔，液体在流压的作用下，使上游动球19和下游动球26打开，液体经柱塞22进入泵筒23。上冲程时，电流由C相至A相时，行波磁场移动方向C相至A相，与动子永磁体形成的磁场相互作用，产生电磁推力，定子不动，动子沿轴向由C相向A相运动。动子带动柱塞22向前运动，上游动球19和下游动球26在游动弹簧18的作用下与上游动球座20、下游动球座27关闭，柱塞22前移推动液体顶开固定球15，将液体排出泵筒，进入油管，完成举升过程。

操作人员可以在地面变频控制柜40内通过设定上行频率调整上行举升力、上行时间，设定下行频率调整下行举升力、下行时间，设定冲次数控制电机在下死点停留时间。调整控制系统参数，控制动子单位时间往复的次数，从而实现调节排量。

下面是应用本发明进行电潜柱塞抽油泵水平举升工艺现场试验情况。本次试验共在3口井上进行，现场施工顺利，无卡阻现象。分别为：

肇68-平21井：2005年12月15日投产，试验前日产液6.6t，日产油6.2t，含水9％，动液面913m，沉没度177m，流压3.6MPa；2006年7月5日完井，泵径38mm，泵挂1481m，最大井眼曲率9.29°/25m，泵挂距指端562m，试验后日产液9.1t，日产油8.5t，含水7％，动液面1158m，流压1.5MPa，泵效97％，井下运行时间138天。

肇46-平34井：2005年1月5日投产，试验前日产液7.9t，日产油7.4t，含水8％，动液面1190m，沉没度0m，流压2.0MPa。2006年9月5日完井，泵径38mm，泵挂1768m，最大井眼曲率9.62°/25m，泵挂距指端479m，试验后日产液13.4t，日产油12.3t，含水8％，动液面1264m，流压1.4MPa，泵效90％，井下运行时间74天。

州57-平61井：2005年12月20日投产，试验前日产液4.8t，日产油4.5t，含水6％，动液面1170m，沉没度0m，流压1.9MPa。2006年11月17日完井，泵径38mm，泵挂1785m，最大井眼曲率12.8°/25m，泵挂距指端244m，运行情况待观察。3口井生产情况见表一。

表一

从试验情况看，流压平均降低0.7MPa，平均单井日增油3.2t，吨液耗电指标下降17kWh，系统效率提高了11.77个百分点。

Claims (1)

1、一种水平井电潜柱塞泵举升装置，包括采油树、油管(42)、潜油电缆(41)及地面变频控制柜(40)，其特征在于：所述装置还包括一个小直径高弹性永磁直线电机(44)、一个水平举升抽油泵(43)；

所述小直径高弹性永磁直线电机(44)主要由定子与动子两部分组成，定子部分包括环形定子线圈(3)、环形定子铁心(2)、高弹性外筒(1)、耐磨保护内筒(5)，其中，环形定子铁心(2)在高弹性外筒(1)内间隙配合，每个环形定子铁心(2)与每个嵌入的环形定子线圈(3)构成一个磁极单元，由若干个磁极单元构成单节电机的电磁部分，多级单节电机的电磁部分串联后组成电机定子的电磁部分，高弹性外筒(1)与耐磨保护内筒(5)之间为密闭空间，其内充入绝缘油(4)，动子部分包括连接杆(10)、永磁体(8)、动子铁心(9)以及动子底座(11)，其中，连接杆(10)与动子底座(11)螺纹连接，而在连接杆(10)上则间隔固定有环形永磁体(8)以及环形动子铁心(9)，在永磁体(8)及动子铁心(9)的外壁上有一个由防腐耐磨材料构成的保护套(7)，所述动子部分置于定子部分的环形中心孔内，两部分之间留有气隙(6)；

所述水平举升抽油泵(43)由固定凡尔、泵筒(23)、柱塞(22)以及上、下两个游动凡尔组成，其中固定凡尔由固定凡尔罩(13)、固定凡尔球(15)以及复位弹簧(14)组成，复位弹簧(14)、固定凡尔球(15)、固定球座(16)依次置于固定凡尔罩(13)内，固定凡尔罩(13)与固定凡尔球(15)之间为间隙配合，在固定凡尔罩(13)的前端有过流通道，所述上、下两个游动凡尔分别由上游动凡尔罩(21)、上游动球座(20)、上游动球(19)、游动弹簧(18)和下游动凡尔罩(25)、下游动球座(27)、下游动球(26)构成，上游动球座(20)、上游动球(19)、游动弹簧(18)位于上游动凡尔罩(21)内，下游动球座(27)、下游动球(26)位于下游动凡尔罩(25)内，上游动凡尔罩(21)与上游动球(19)以及下游动凡尔罩(25)与下游动球(26)之间均为间隙配合，在上游动凡尔罩(21)前端有过流通道，所述固定凡尔在泵筒(23)的前端，游动凡尔与柱塞(22)位于泵筒(23)内，其中上、下游动凡尔罩(21，25)与柱塞(22)螺纹连接，所述柱塞(22)在泵筒(23)内与其间隙配合，保护筒(24)固定于泵筒(23)外；

所述小直径高弹性永磁直线电机(44)通过电机上接头(39)、动子上接头(38)、泵连管(34)、电泵刮砂杯(33)、出砂接头(32)、刮砂光杆(31)、光杆接头(30)、筛管(29)、推杆(28)、光杆接头座(37)连接在水平举升抽油泵(43)的后端，其中小直径高弹性永磁直线电机(44)的定子部分与泵筒(23)相连，动子部分与柱塞(22)相连，水平举升抽油泵(43)的前端与油管相连，筛管(29)上的通孔为液体进入泵筒(23)的通道，所述动子部分在地面变频控制柜(40)的控制下沿轴向往复运动，带动柱塞(22)往复运动。

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