□ 焦裕璽 □ 黃鶴松 □ 盧正通 □ 衛(wèi) 璐 □ 馬 坤 □ 李 煒

1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 山東青島 266590

2.勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心 山東東營(yíng) 257000

1 機(jī)械采油現(xiàn)狀分析

目前我國(guó)除少數(shù)油井為自噴油井外，幾乎所有油井采用抽油機(jī)或螺桿泵舉升工藝進(jìn)行機(jī)械采油，效率低（見表1），能耗大，機(jī)械采油系統(tǒng)能耗約占采油總成本的50%。當(dāng)前，原油產(chǎn)量處于快速增長(zhǎng)期，能源消費(fèi)總量逐年增加，增幅接近20%。國(guó)內(nèi)各大油田都在進(jìn)行節(jié)能降耗的研究，因此提高機(jī)采系統(tǒng)效率，優(yōu)化機(jī)采系統(tǒng)的能源利用效率，對(duì)降低生產(chǎn)成本、實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)具有重要意義。

表1 抽油機(jī)效率匯總表

機(jī)采系統(tǒng)能耗主要是由井下桿柱和液柱的質(zhì)量加載給電機(jī)所引起的載荷能耗，其余系統(tǒng)能耗包括電機(jī)自損耗、抽油機(jī)傳動(dòng)磨損以及其它摩擦阻力。電機(jī)自損耗包括熱損失和機(jī)械損失；抽油機(jī)傳動(dòng)磨損有：皮帶傳動(dòng)部件的摩擦損失，減速箱內(nèi)部傳動(dòng)摩擦損失，四連桿裝置的軸承摩擦損失和鋼絲繩變形損失，抽油桿部分的摩擦損失和彈性變形損失［1］。因此，提高機(jī)采系統(tǒng)效率的主要措施是減少能量傳遞過(guò)程中各環(huán)節(jié)的能量損耗，使抽油機(jī)的電能盡可能多地轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用于原油的舉升開采。

2 磁懸浮原理介紹

▲圖1 磁懸浮列車基本原理

磁懸浮是一種斥力懸浮系統(tǒng)，利用 “磁體同性相斥”原理設(shè)計(jì)。下面以磁懸浮列車為例，介紹磁懸浮工作的基本原理。磁懸浮列車懸浮間隙上下兩側(cè)安裝電磁線圈，并分別放置磁化感應(yīng)鋼板和反作用板，以增強(qiáng)磁化面積與磁化能力，通過(guò)控制電磁線圈的電流使列車車身產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性與軌道產(chǎn)生的電磁極性相同，由此列車軌道和列車間出現(xiàn)強(qiáng)大排斥力，該力與列車重力相互平衡，使列車車身和軌道間保持1 cm的間隙，列車懸浮在軌道上運(yùn)行［2］，如圖1所示。

磁懸浮列車的驅(qū)動(dòng)和同步直線電機(jī)運(yùn)行原理一樣，在位于軌道兩側(cè)的線圈與車身底部的線圈中通入交流電，兩套線圈得電后變成電磁體，軌道電磁體與車身電磁體相互作用，根據(jù)異性相吸同性相斥的原理，使列車開動(dòng)。假若列車車身的電磁體被磁化為N極，會(huì)被安裝在車身前方軌道上電磁體S極所吸引，同時(shí)又被安裝在車身后方軌道上的電磁體N極所排斥，在這對(duì)引力與斥力的共同作用下，列車開動(dòng)。由于線圈中通的是交流電，在接下來(lái)半個(gè)電周期中，之前的S極變成N極，N極變成S極［3］，循環(huán)往復(fù)，使列車向前奔馳。

3 磁懸浮抽油機(jī)方案設(shè)計(jì)

▲圖2 磁懸浮機(jī)采系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

▲圖3 抽油機(jī)3D效果圖

借鑒目前常用抽油機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合磁懸浮技術(shù)與直線電機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的機(jī)械采油系統(tǒng)。直線電機(jī)懸浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)置于機(jī)架內(nèi)部，可以避免惡劣環(huán)境和雨雪天氣對(duì)設(shè)備的影響。采用傳統(tǒng)的天輪與配重設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提升機(jī)采系統(tǒng)的平衡性，提高能量轉(zhuǎn)化率和系統(tǒng)效率［4］。磁懸浮抽油機(jī)3D效果圖如圖3所示。

4 性能分析

由于利用了磁懸浮技術(shù)，使部件間沒(méi)有接觸，因此無(wú)摩擦、無(wú)機(jī)械磨損、低能耗、低噪聲；不需要支撐介質(zhì)，可在各種特殊條件下應(yīng)用，而且可以長(zhǎng)期工作，無(wú)需潤(rùn)滑和維護(hù)；易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、監(jiān)控及自動(dòng)檢測(cè)和診斷，自動(dòng)化程度高；受力分布均勻，因?yàn)榇艖腋≈瘟κ蔷鶆蚍植荚谡麄€(gè)磁極面上，大大減小了應(yīng)力，提高了使用壽命和可靠性［5］。

直線電機(jī)與傳統(tǒng)抽油機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，由于直線電機(jī)沒(méi)有把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的附加裝置，因而使機(jī)械采油系統(tǒng)能量傳遞效率提高，去除了復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其本身的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化［6］；直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接傳動(dòng)，因而可以消除中間環(huán)節(jié)所帶來(lái)的各種定位誤差，若采用微機(jī)控制，則可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的定位精度［7］?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)比游梁式抽油機(jī)與直線電機(jī)抽油機(jī)，結(jié)果見表2。可以發(fā)現(xiàn)，直線電機(jī)抽油機(jī)的節(jié)電率達(dá)到54.7%，節(jié)能效果顯著。直線電機(jī)在每個(gè)沖程中的90%時(shí)間都是勻速運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)效率高。

表2 直線電機(jī)測(cè)試結(jié)果

直線電機(jī)容易做到其動(dòng)子用磁懸浮支撐，因而使動(dòng)子和定子之間始終保持一定的空氣隙而不接觸，這就消除了定、動(dòng)子間的接觸摩擦阻力。磁懸浮直線電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸傳遞力，機(jī)械摩擦損耗幾乎為零，所以工作效率高。磁懸浮技術(shù)用于機(jī)械采油將是抽油機(jī)未來(lái)發(fā)展的主要方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

磁懸浮技術(shù)與直線電機(jī)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可最大限度地減少電機(jī)損失、皮帶傳動(dòng)損失、減速箱機(jī)械損失、四連桿傳動(dòng)損失，提高能量轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)效率，節(jié)約了能源。使用直線電機(jī)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制，以獲得最佳沖程沖次。該技術(shù)的運(yùn)用，可以有效推動(dòng)油田節(jié)能減排和智能化建設(shè)工作的進(jìn)程，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

［1］ 周正友，劉吉明，李清振.孤島油田抽油機(jī)采油系統(tǒng)的能耗分析及系統(tǒng)最優(yōu)配置［J］.石油工程建設(shè)，2005，31（3）：8-11.

［2］ 王輝，鐘曉波，沈鋼.一種新型磁懸浮線路設(shè)計(jì)方案及懸浮控制方法［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，41（7）:1112-1118.

［3］ 秦偉，范瑜，李碩，等.電磁電動(dòng)式磁懸浮裝置的磁場(chǎng)分析和力特性研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012，16（1）:67-71.

［4］ 何畏，王向濤，孫宇，等.抽油機(jī)連桿的力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.天然氣與石油，2013，31（3）:71-74.

［5］ 朱熙，范瑜，秦偉，等.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電動(dòng)式磁懸浮裝置的力和損耗特性分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（12）:90-96.

［6］ 許德福，樊軍，郭書軍.直線電機(jī)抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性的動(dòng)態(tài)仿真分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（3）:43-45.

［7］ 楊繼軍，李洪山，劉延平，等.直線電機(jī)智能抽油機(jī)研制［J］.石油鉆采工藝，2005，27（Z1）:47-49.