[01138877]深井直驱抽油机开发及应用

随着我国中东部、东北部大部分油田已进入注水开发的后期,以及西部油田深井、稠油井数量逐渐增多,开采难度与日俱增;为了稳产增产,使油层供液与油井生产达到供采平衡,目前油田普遍采用小泵深抽和大泵排液工艺,因此,须开发新型采油装备,满足油田新的开采需求。本研究基于永磁直驱技术,通过理论分析、数值优化、实验研究等开发了低速大扭矩永磁同步电机及其直接驱动的抽油机,并开发了抽油机智能控制系统及系列安全防护技术： 一、研究制造了低转速、高转矩、高性能、高可靠性的永磁同步电机,满足了长冲程、低冲次、重载抽油机的要求。1)以低速大扭矩永磁同步电机的高效率和低齿槽转矩为研究目标,提出了表贴式低速大扭矩永磁同步电机设计方案,推导了损耗、齿槽转矩与电磁参数间的解析关系;提出了基于实验设计法（DOE）、田口法（Taguchi）、带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-II）永磁电机电磁结构参数优化方法;2)优选了电机防护等级、密封形式及永磁体材料,开发了系列永磁同步电机加工安装专有技术,实现了电机良好的电气、机械、防潮性能及热稳定性、机械稳定性、高可靠性;3)开发了低速大扭矩永磁同步电机样机测试技术,根据优化结果设计并制造了永磁同步电机样机,完成了电机全面测试,完全满足深井直驱抽油机的要求。 二、以开发的低速大扭矩永磁同步电机为动力,研制了两型永磁电机驱动的抽油机：永磁电机直接驱动滚筒皮带、带动抽油杆往复运动,无需运动换向机构,采用天平式平衡,简化了机体机构;对于悬点载荷在20吨以上的抽油机,仅加一级链传动进行减速增扭。创新设计了低速大扭矩永磁电机抽油机中的滚动移机、增大驱动轮表面摩擦力、修井自让位、皮带与驱动轮连接、钢丝皮带端部固定连接、皮带偏移限位、链盒防砂、旋转式安装基础等关键技术。1)提出了基于抽油机整体移动让出修井空间的方法,发明了抽油机滚动移机装置,仅需使用简单的牵引设备和少量的人工,就能够方便地移动整台抽油机,大大降低了移机费用,简化了操作程序;2)研发了增大驱动轮表面摩擦力技术,使得抽油机钢丝绳芯胶带的平均寿命已达2.6年,抽油机拖动载荷增加了1.3倍;3)发明了钢丝绳芯皮带端部与金属接头的固定连接方法,提高了连接强度及可靠性;4)创新设计了一种低速大扭矩永磁电机抽油机修井自让位机构,在不整机移动的前提下,保证修井时有足够的空间;5)创新设计了防砂链盒结构,有效防止了沙粒进入,大大延长了链条使用寿命;6)创新设计了一种带有皮带偏移限位功能的配重箱结构,避免了配重箱与桁架摩擦撞击,底部具有防撞垫,对配重箱与桁架之间的接触起到缓冲作用。 三、开发了低速大扭矩永磁电机抽油机悬点运动规律智能控制、皮带冲程损失自动补偿控制、减小抽油机皮带迎风抖动控制、供采平衡控制、远测监测、人机界面交互等关键技术,研制了智能控制系统。1)抽油机悬点运动规律智能控制技术,实现了抽油机无触点无冲击换向,冲程、冲次无级可调,上下行程速度连续可变,实现了抽油杆往返运动过程中的4种抽油运行模式：①上快下慢： 适用于高气油比的油气藏井;②上慢下快：适用于稠油油气藏井;③上下同速：适用于普通油气藏井;④死点停滞：适用于供液能力差的油气藏井,可以保持供液和抽汲的平衡;2)研发了基于风速传感数据采集反馈的减小抽油机皮带迎风抖动技术,可以根据对现场风速大小的判断在合适的情况下启动大风降速和降行程的功能,达到保护井口盘根的作用;3)研发了抽油机皮带冲程损失自动补偿控制技术,控制抽油机悬点的位置重设,补偿由于带滑动产生的冲程损失;4)研发了井下信息反馈实现抽油机井供采平衡技术,根据井下供液情况自动调节冲程冲次,实现采油过程的供采平衡,保持泵的充满度,提高泵效;5)开发了基于Smart Pumper的抽油机井况数据实时监测与远程传输技术,解决了抽油机发生故障或油井参数发生变化时无人立刻调整的问题;6)创新设计了抽油机运行参数及设置的人机触摸屏界面,方便了可视化操作。 四、开发了低速大扭矩永磁电机抽油机重负荷自由落体刹车、手动盘刹、智能故障预警等系列安全防护技术,研制了相关结构和系统,从机械和控制两个维度保障抽油机的安全运行。1)发明了重负荷自由落体刹车装置,该装置的制动反应十分灵敏,且工作运行可靠,保证了断带等情况下发生自由落体时的人机安全;2)发明了长冲程抽油机安全盘刹系统,从地面即可完成抽油机顶部装置的刹车作业;3)开发了抽油机故障预警紧急停机系统,准确测量抽油杆的实际位置,判断在上行程和下行程时的载荷差值,当差值超过设置值系统就会发出报警信息,提示现场人员调整配重,差值太大系统会自动停抽。 深井直驱抽油机能够有效应对稠油、深井、供液不足井、大泵排液等开采需求,为油田稳产增产提供了技术支撑;采用永磁直驱技术,提高了系统效率,节约电能,增加了经济效益,带动相关产业,推动经济发展。