CN1869397A - 潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法 - Google Patents

Abstract

一种潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法，包括圆筒形潜油磁浮直线电机、圆筒形直线双向柱塞抽油泵、电缆，电机控制柜和安装方式，其特征在于电机控制柜安装于地面、潜油磁浮直线电机与直线抽油泵设置一体，两者同轴心，并通过与油管连接下到套管内的800－3000米深处(井内液面之下)，潜油磁浮直线电机的接线端子通过电缆与电机控制的出线端子连接，通过电机控制柜控制潜油磁浮直线电机直线往复运动带动直线抽油泵直线往复运动，通过对直线电机磁通量的改变直线抽油泵的冲次和冲程，实现自动改变油井生产参数提高油井采收率的目的。

Description

潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法

一、技术领域

本发明涉及一种油田开发中所用的一种机械采油方法，具体地说是一种潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法，无需地面抽油机、抽油杆，将潜油磁浮双向采油电泵潜入油井液面之下，磁浮直线电机将电能直接转为直线动能，联动抽油泵往复运动，实现采油。该工艺方法不但系统效率高，而且能使冲程、冲次自动调整，实现智能化采油。

二、背景技术

1、常规采油系统的现状

采油系统的生产机械分为两大类，一是有杆采油系统的生产机械，包括游梁式抽油机、皮带式抽油机、链条式抽油机、异型抽油机等等，二是无杆采油系统的生产机械，主要包括潜油电泵、水力活塞泵等，其中潜油电泵应用较广，它是一种无杆采油设备，其原理通过潜油电机带动离心泵旋转将井液举升到地面，达到了采油的目的。这两类生产机械共同缺点是：系统效率低，电能消耗高。以游梁式抽油机为例说明，游梁式抽油机被广泛应用于采油中，其特点在于结构相对简单、容易制造、维修方便，可靠性好等。但它的不足之处是：①需借助减速器和四连杆机构等中间环节电动机旋转运动变为直线运动。因驴头悬点运动加速度较大，平衡效果差；②使用减速器和四连杆机构等较多的中间环节，系统效率很低；③长冲程抽油机体积庞大且笨重，使用材料多，造价高。

油田采油系统的电能消耗约占生产总成本的30％以上，其中有杆采油系统的能耗所占比例较大，以游梁式抽油机系统为例，整个系统效率的最大目标值只有38.4％，而无杆采油系统的效率较有杆采油系统还低，尤其是多级离心泵。

2、传统的抽油系统存在的其它问题

(1)传动环节多，维护、维修工作量大。体积大和重量重，平衡调整难。

(2)存在冲程损失。

(3)偏磨现象严重，造成井下作业费用过高。

传统抽油系统存在的最主要问题是：系统效率低，严重偏磨。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法，解决上述已有技术工艺中存在的传动环节多，机械损失大，系统效率低，维护维修管理工作量大，调整油井生产参数困难和偏磨现象严重的问题。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：

本发明包括圆筒形潜油磁浮直线电机、圆筒形直线双向柱塞抽油泵、电缆，电机控制柜和安装方式，电机控制柜安装于地面、潜油磁浮直线电机与直线抽油泵设置一体，两者同轴心，并通过与油管连接下到套管内的800-3000米深处(井内液面之下)，潜油磁浮直线电机的接线端子通过电缆与电机控制的出线端子连接，通过电机控制柜控制潜油磁浮直线电机直线往复运动带动直线抽油泵直线往复运动，通过对直线电机磁通量的改变直线抽油泵的冲次和冲程，实现自动改变油井生产参数提高油井采收率的目的。

潜油磁浮直线电机与直线双向柱塞抽油泵组成的一体机构，可根据油层的储油量大小，分层采油的需要，与封隔器、配产器配套，可实现油管和套管采油或根据油层深度实现油管接力采油。

潜油磁浮直线电机与直线抽油泵组成的一体机构，直线抽泵可配单向柱塞或双向柱塞，实现合理采油节约电能的目的。

潜油磁浮直流电机定子或叫初级，设计长度5-10米，动子或叫次级，设计长度5-15米。

直线抽油泵的柱塞与潜油磁浮直线电机的动子之间设为一体或丝扣连接或卡箍连接或法兰连接，连接处上面动子的拉杆内设有出油单流阀，在柱塞下端部设有游动单流阀，在泵筒下端设有进油单流阀。

直线抽油泵双作用泵的柱塞与潜油磁浮直线电机的动子之间设为一体或设为丝扣连接或卡箍连接或法兰连接，连接处动子的拉杆内设有混流单流阀，其阀下面与泵筒和柱塞相通；在泵筒的中上部周侧设有混流进油阀，在泵筒的下端部设有进油单流阀。

潜油磁浮直线电机电源可设置为交流电源或直流电源。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

1、直线电机将电能直接转换成举升原油动力，中间转换环节少，以较小的能耗达到较高系统效率。

2、直线电机作为井下泵动力系统，易于机一泵一体化设计，更加方便实施油层分采工艺，可简化井下工具，降低施工难度，达到一层一泵精确分采的目的。

3、因无需抽油杆，彻底解决油杆、油管摩擦和偏磨现象，大大增加油管使用期，检泵周期也相应延长。

4、潜油磁浮直线电机采油系统易于控制。可随油井的实际油液的动态，调节泵的冲程、冲次，使整个系统处于全面协调开采状态，更加充分利用地层的能量，提高原油采收率。还可以充分利用电机运行产生的热量提高原油的温度，有效地防止原油中蜡的析出。

四、附图说明

图1-本发明的直线抽油泵的双作用泵结构示意图

图2-本发明的直线抽油泵的单作用泵结构示意图

图3-本发明的潜油磁浮直线电机动子(电机次级)结构示意图

图4-本发明的潜油磁浮直线电机定子(电机初级)结构示意图

图5-潜油直线电机电路控制示意图

图1、2中1-套管  2-电缆  3-油管  4-定子(初级)  5-动子(次级)  6-动子拉杆  7-泵筒  8-柱塞  9-单流阀

图3中10-极靴  11-钛钢内管  12-永磁铁

图4中13-硅钢片  14-饼状绕组  15-钛钢内衬管  16-定子外壳

五、具体实施方式

为进一步公开本发明的技术方案，下面结合说明书附图通过实施例作详细说明：

如图1、2所示，本发明包括圆柱形潜油磁浮直线电机、圆柱形直线抽油泵、电缆电机控制柜和安装方式，电机控制柜安装于地面、潜油磁浮直线电机与直线抽油泵设置一体，两者同轴心，并通过与油管3连接下到套管1内的800-3000米深处，潜油磁浮直线电机的接线端子4通过电缆2与电机控制的出线端子连接，通过电机控制柜控制潜油磁浮直线电机直线往复运动带动直线抽油泵直线往复运动，通过对直线电机磁通量的改变直线抽油泵的冲次和冲程，实现自动改变油井生产参数提高油井采收率的目的。

潜油磁浮直线电机与直线抽油油泵组成的一体机构，可根据油层的储油量大小分层采油的需要，与封隔器、配产器配套，可实现油管和套管采油或根据油层深度实现油管接力采油。

潜油磁浮直线电机与直线抽油泵组成的一体机构，直线抽油泵可配单向柱塞或双向柱塞，实现合理采油节约电能的目的。

潜油磁浮直流电机定子或叫初级设计长度5-10米，动子或叫次级，设计长度5-15米。

如图2所示，直线抽油泵单向泵的柱塞8与潜油磁浮直线电机的动子5之间设为一体或丝扣连接或卡箍连接或法兰连接，连接处上面动子的拉杆6内设有出油单流阀9，在柱塞下端部设有游动单流阀9，在泵筒下端设有进油单流阀9。

潜油磁浮直线电机是将电能直接转换成直线运动的机械能。圆筒形式的潜油磁浮直线电机，可采用交流电源、直流电源或脉冲电源等进行工作，能广泛应用于各种直线运动的需要。直线电机不但具有高速、大推力的特点，还具有低速、精细等特点。

圆筒形潜油磁浮直线电机如图1、2所示，具有体积小、易于进行机、泵一体化设计，适合在油井中起落。因此，采用圆筒形直线电机作为井下动力系统是采油工艺的最佳选择。

圆筒形同步稀土永磁直线电机由圆筒形电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钛管外的圆形永磁体和阻尼环交替连而成，相邻圆环形永磁体的极性排列为N、S极交错排列。(图3)

如图1、2所示，电机定子4外径φ114mm，内径φ56mm，电机动子直径φ55mm，同步永磁直线电机动子5冲程为1-6m，冲次为1-8min^-1无极可调，程序可按工艺要求设定，达到智能采油，上述直线电机可由单个或二组、三组电机与泵组成整个采油装置。

由于该系统采用了圆筒形直线电机作为推进柱塞做往复运动，所以将该电机结构原理介绍如下：如图4，其初级定子铁心由硅钢片13加工成具有凹槽的若干圆环组成，初级绕组由导线组成饼式绕组14(即圆环式)装配时将初级圆环铁心与饼式绕组交替叠放。

圆筒形直线电动机整个饼式线圈都是有效力，因此，圆筒形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，这是圆简直线电动机的一个特点及优点。其次圆筒形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，由于圆筒数电机不存在绕组端部，因此也就不存在横向边效应。由于该电机可频繁往复运动，且没有启动电流，系统效率高，制造工艺简单，可在高温、高压、有害气体中不间断工作。潜油磁浮直线电机控制系统(图5)

潜油磁浮双向采油电泵参数如下：

电压：380-660V(根据井下实际电压降，供电系统自动调整)

功率：15-37KW

推力：10KN-40KN

冲程：0-4.2m(无级可调)

冲次：0-8min^-1

泵径：φ38-φ57

电机初级长5-10m

电机次级长5-15m

排量：0-100t/d

工作压力≤15Mpa

试验压力≤20Mpa

工作温度≤120℃

井下潜油磁浮直线电机与柱塞泵可组成两种采油方式。一种是常规柱塞泵的联接方式图2；另一种是双作用柱塞泵的联接方式(图1)。

由圆筒形同步稀土永磁直线电机系统提供动力，将直线电机初极连接在双作用泵上方，拉管上端连接于电机次极(中空钛管)内腔下端，由圆筒形同步稀土永直线电动机的次级做上下往复运动带动柱塞泵完成抽油。

用潜油磁浮直线电机采油，整个系统率在95％以上，由于电机在一个采油周期内速度可调。且在上、下死点根据采油工艺要求停留，充分发挥泵的效率，使一个周期内采油效率提高。例如：仍采用φ57mm泵径，冲程为4.2m，冲次为8次，理论排量：123.3吨/天，如果泵效按95％计算，每天排量为117.13吨；同样下井深度为1100米，电机功效为15KW，节能50％，直线电机动子有效长度7米，工作电压根据下井深度可调节(范围380-660V)。

双作用柱塞泵工作原理：如图1所示柱塞8下冲程时，柱塞下腔室的体积变小，压力升高，使泵筒进油单流阀9关闭，柱塞单流阀9打开，原油通过柱塞上端的拉管单流阀9进入电机动子5次极的内腔，与此同时，柱塞与泵筒之间环形空间增大，压力降低，使泵筒周侧进油单流阀9打开，拉杆单流阀关阀，原油由油套环形空间进入柱塞8直腔，柱塞8上腔完成抽油过程。上冲程时，柱塞8下腔室体积增大，压力降低，泵筒单流阀打开吸油，与此同时，柱塞与泵筒之间环形空间减小，压力增大，泵筒周侧进油单流阀关闭，拉杆单流阀打开，柱塞腔室排油，如此循环往复将液体举升到地面达到采油目的，由于采油双作用泵上下冲程时都抽油，受力比较均衡，使整个系统节能性更突出，使单台泵产油量更高。

双作用柱塞泵理排量计算：V＝Lπ(2D₁ ²-D₂ ²)n/4

式中：V-每分排量  L-冲程，本次实验设计为4m；D₁-下柱塞外径设计为φ57mm，D₂-拉管外径，设计为φ38mm；n-冲次设计为8min^-1，所以V＝4×3.14×(2×57²-38²)×8/4＝1.27×10⁵mm²

比较相同冲程与冲次的φ83mm泵；V_φ83＝4×3.14×83²×8/4＝1.7×10⁵mm²

比较相同冲程与冲次的φ70mm泵；V_φ70＝4×3.14×70²×8/4＝1.23×10⁵mm²

该双作用泵的理论排量与φ70mm泵的理论排量相等，可实现小泵大排量。

1、第一口实验井：大庆油田采油九厂，井号龙_27-17

2004年7月16日下井，泵径38冲程3米，冲次：4次，泵深1500米，产液量19.6m3/d  耗电5.7kw至今运行正常。

2、第二口实验井：辽河油田曙光采油厂，井号_2-7-307

2005年6月19日下井，该井原为游梁抽油机泵径￠44冲程3米，冲次：4次，泵深1400米，日产液20T有功耗电9.8kw改用潜油直线电机采油泵径￠44冲程3米，冲次：5次泵深1400米，日产液28T有功耗电6.8kw。初步测算与游梁抽油机相比节电50％  日产液增加40％。

3、第三口实验井：大庆油田采油六厂，井号：_喇-2082

2005年8月18日下井，该井原为游梁抽油机泵径￠70泵深1200米，冲程4米，冲次：3次日产液25T有功耗电9.9kw改用潜油直线电机采油泵径￠70泵深1200米冲程2米，冲次：5次泵深1400米，日产液58T，有功耗电9kw。与抽油机相比节电66％日产液增加130％。

潜油磁浮双向采油电泵经济意义

潜油磁浮双向采油电泵是采油工程新技术、新工艺、新设备的代表，有广泛推广应用的平台，采用潜油直线电磁电机为驱动力的潜入式抽油泵，可将电能直接转化为泵体的往复运动，省去游梁式抽油机和抽油杆，简化采油装置，降低成本，同时大大提高能源利用率。潜油磁浮双向采油电泵与游梁式抽油机比较：

游梁式抽油机设备成本：23-25万元，年运行费用：9.9675-15.0712万元。

直线采油电机设备成本：13-15万元，年运行费用5.5212-8.2081万元。

潜油磁浮直线采油电机比游梁式抽油机每口油井年平均费用降低5.655万元，以胜利油田两万多口油井50％计算为例，年可降低费用近6亿元。

潜油磁浮双向柱塞电泵采油工艺是油田采油工艺技术的创新，应用该工艺采油定会促进油田安全、节能、平稳采油，降本增效，采油智能化。

Claims (7)

1、一种潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法，包括圆筒形潜油磁浮直线电机、圆筒形直线双向柱塞抽油泵、电缆，电机控制柜和安装方式，其特征在于电机控制柜安装于地面、潜油磁浮直线电机与直线抽油泵设置一体，两者同轴心，并通过与油管连接下到套管内的800-3000米深处(井内液面之下)，潜油磁浮直线电机的接线端子通过电缆与电机控制的出线端子连接，通过电机控制柜控制潜油磁浮直线电机直线往复运动带动直线抽油泵直线往复运动，通过对直线电机磁通量的改变直线抽油泵的冲次和冲程，实现自动改变油井生产参数提高油井采收率的目的。

2、根据权利要求1所述的潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法，其特征在于所述潜油磁浮直线电机与直线双向柱塞抽油泵组成的一体机构，可根据油层的储油量大小，分层采油的需要，与封隔器、配产器配套，可实现油管和套管采油或根据油层深度实现油管接力采油。

3、根据权利要求1所述的潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法，其特征在于所述潜油磁浮直线电机与直线抽油泵组成的一体机构，直线抽泵可配单向柱塞或双向柱塞，实现合理采油节约电能的目的。

4、根据权利要求1所述的潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法，其特征在于所述潜油磁浮直流电机定子或叫初级，设计长度5-10米，动子或叫次级，设计长度5-15米。

5、根据权利要求1所述的潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法，其特征在于所述直线抽油泵的柱塞与潜油磁浮直线电机的动子之间设为一体或丝扣连接或卡箍连接或法兰连接，连接处上面动子的拉杆内设有出油单流阀，在柱塞下端部设有游动单流阀，在泵筒下端设有进油单流阀。

6、根据权利要求1所述的潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法，其特征在于所述直线抽油泵双作用泵的柱塞与潜油磁浮直线电机的动子之间设为一体或设为丝扣连接或卡箍连接或法兰连接，连接处动子的拉杆内设有混流单流阀，其阀下面与泵筒和柱塞相通；在泵筒的中上部周侧设有混流进油阀，在泵筒的下端部设有进油单流阀。

7、根据权利要求1所述的潜油磁浮双向柱塞电泵采油方法，其特征在于所述潜油磁浮直线电机电源可设置为交流电源或直流电源。

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