中海油海上油田低产液井（日产液50 m³以下）主要分布在辽东、渤西、QHD32-6及渤南，产量低。部分油井日产只有几方，油层薄差、低渗透，含气量高，油稠，供液不足，不能连续开采而关井。目前主要采用电潜泵，电泵普遍流速低，电泵电机由于没有足够的液量给机组散热，机组容易发生过热损坏，造成检泵周期过短。另外，因产量超出最佳生产范围造成电泵效率低、叶轮磨损。因此，海上油田这类低产液井还没有合适的人工举升方式^[1]。

直线潜油电泵技术，是一种使用潜油式直线电机直接驱动潜油式往复泵进行采油的新一代无杆采油设备，适合小排量开采，适合低产井、大斜度井的采油，适合薄差油层、低渗透油层的开采^[2]。直线电机往复泵从研制成功第一台样机开始至今已经十几年，在油田已经使用上千套，期间出现了大量问题，包括电机、控制柜以及泵方面，都进行了大量改进。通过十几年不断地技术改进和升级，目前该技术已经逐渐成熟，在大庆、胜利、新疆等陆地油田已经开始批量推广使用^[3-5]。但是该技术之前都是用在陆地油田，若用在海上油田，必须针对海上油田的特点进行针对性的改进，尤其是井下部分要适应大斜度井、大排量、大功率等特点，地面控制柜要适应海上油田的使用环境和特点。

因此，结合海上油田尤其是渤海油田的特点，设计开发了适合海上油田使用的143系列直线潜油电泵。所开发的海上直线潜油电泵根据渤海油田常用9-5/8"套管设计，外径143 mm，直线电机推力达到60 kN，直线电机带有平衡缓冲装置，采用封铅绝缘处理工艺，自带10 m的引出线。往复泵采用双凡尔并加装复位弹簧。直线电机配套的变频柜采用海上统一的标准Modbus通讯接口，具有防腐、软停软起功能。2016年1月，两套机组首次在渤海使用，截至目前已经成功在海上油田下井应用12套，最长运转时间达到1 010天，取得了比较好的效果，较好地解决了海上油田低产液井的开采难题。

1 海上直线潜油电泵设计及关键技术分析 1.1 直线潜油电泵系统设计及基础参数确定

海上油田套管基本都是9-5/8"套管，因此，主要参考该套管尺寸，确定开发143 mm的潜油电泵。海上直线潜油电泵系统组成见图 1，主要由永磁直线潜油电机、潜油电缆、直线电机专用变频控制系统和往复柱塞泵四部分组成。直线电机与往复柱塞泵直接通过螺纹连接，往复泵上端出口连接油管，并由油管下到设计的泵挂位置。潜油电缆沿着油管外壁通过电缆护罩与油管固定在一起，一端与直线电机引接线连接，另一端与地面的直线电机专用变频柜连接。

由于海上油田日产50 m³以下就属于低产液井，直线潜油电泵至少要满足日产50 m³的产量需求。因此，海上直线潜油电泵排量设计为50 m³/d，结合渤海常用泵挂，扬程设计为1 500 m。经过计算，电机推力要达到60 kN，电机需设计成80 kW的大功率直线电机。

1.2 143系列直线电机设计

143系列直线电机外径为143 mm，重新进行电磁计算，增加电磁线线径及电机外径，从而增加推力，满足海上油田大功率要求。该直线电机定子设计成整体密封结构，外壳与内筒及端板把定子绕组铁芯整体封装，与井液隔离并确保定子绝缘性能。电机定子由内筒和外壳组成的密封腔内热态预注满绝缘油，确保电机在井下热胀冷缩能够平衡压力及绝缘性能。动子永磁体设计成环状、外表面采用不锈钢材料进行满焊封装，与外界井液进行隔离，防止永磁材料被井液腐蚀或者损坏。直线电机的定子及动子的密封结构设计能够确保定子和动子之间的环空可以直接接触井液，并且能够满足直线电机的热胀冷缩呼吸功能。因此，直线电机不需要配套设计直线电机专用的保护器，减少了该直线电机往复泵系统的部件，直线电机和往复泵可以直接对接，结构更加简单可靠。

目前永磁材料主要有两种：一种是钐钴磁体，一种是钕铁硼。钐钴磁体耐温高（320℃以上高温不退磁），但是材料比较脆，容易破裂，推力相对钕铁硼较低；钕铁硼耐温相对低（耐温最高200℃），但推力相对强一些，材料力学性能比较好。海上油田部分低产液井井温达到130℃，因此，海上直线电机采用钐钴材料。磁堆和中心杆由于也直接接触井液，因此都采用不锈钢材料。

针对海上直线电机功率大，潜油直线电机运行中井液对动子的阻力和冲击比较大，直线电机下端设计有平衡缓冲器，用于减少潜油直线电机运行中井液对动子的阻力及缓冲动子下行到下止点对电机造成的伤害。该平衡器主要由平衡筛管、平衡缸筒、平衡活塞、平衡弹簧等部件组成（图 2）。通过平衡弹簧与平衡活塞的相互作用以及流量缓冲孔的平缓释放，从而达到平衡缓冲的目的，提高设备的使用寿命。

所开发的直线电机推力达到60 kN，出厂前整体要进行打压密封试验，在30 MPa压力的水介质中打压24 h，无变形、无渗漏。直线电机绕组在环境温度200℃热态下进行交流耐压试验。绝缘等级H级，可保证直线电机在150 ℃以下温度的介质中稳定运行。动子短节进行热装，并增加负重直线度检测工艺。确保井下高温条件下运行动子短节不松动，并且保证直线度。直线电机引线绝缘处理采用聚四氟乙烯灌注加灌铅。引出线由1.5 m加长到10 m，减少一次小扁电缆连接，减小故障风险点，提高可靠性。

1.3 大斜度井往复泵的设计

直线潜油电泵的往复泵把固定凡尔由泵腔的下端设计到泵腔的上端，并采用双固定凡尔的结构，往复泵结构见图 3。直线电机在往复泵下端，直线电机动子通过推杆与柱塞螺纹连接。针对海上油田油井出砂的特点，往复泵柱塞端部设计有合金钢刮砂装置，有效地将贴附在泵筒内壁上的砂粒、垢块刮除随着井液排出，避免砂粒进入泵筒内壁损坏泵筒，具有防砂、防卡的特点。电机上端设有三层多刀刃刮砂装置与刮砂光杆紧密配合将砂粒刮下并排除电机以外，避免砂粒进入电机内部。

渤海油田都是大斜度井，井斜都在60°以上。往复泵上的凡尔用在陆地上的直井，能够在重力作用下复位，但是斜井无法保证能够靠自身重力复位。针对渤海油田井斜较大，往复泵在凡尔罩内设计有限位滑道和复位弹簧，限制凡尔只能沿直线运动、强制复位。在井斜比较大的井中，往复泵上的凡尔能够在弹簧的作用下有效复位。

往复泵上所用的阀球、阀座材料全是合金材料，其耐磨及耐腐蚀性能是常规金属阀球、阀座的6~8倍；所有接触井液的关键零件全部采用不锈钢材料。泵筒表面及柱塞表面全部使用耐磨、耐腐材料。往复泵上行时靠油液推力打开固定凡尔球，上行冲程结束后柱塞下行，在反力弹簧的作用下，凡尔球沿导向阀限位滑道迅速坐封，泵腔开始充液，循环往复，实现抽汲。往复泵能够适应间歇式工作，防砂，防气锁，适用于直井、定向井和水平井，尤其适合海上油田使用。

1.4 直线电机专用变频柜设计 1.4.1 防腐设计

海上存在潮湿，存在盐碱和腐蚀。因此，此次方案中电路板采用防腐涂层处理，元器件全部选择耐腐蚀材料，以适应海上环境。

1.4.2 地面设备通讯及数据接口设计

直线电机变频柜用于海上，需要实现与中控对接。针对海上油田需要将控制柜连接到中控的图 3直线潜油电泵往复泵结构图要求，直线电机变频柜设计成标准的Modbus通讯接口，作为Modbus从站，可以将变频器运行状态和运行数据传输至平台中控。采用标准数据接口和通讯协议，MODBUS-RTU/TCP/IP等，可实现远程传输及远程控制。

1.4.3 结构设计

变频柜结构根据海上平台条件进行重新设计，整体采用模块化设计。针对海上平台空间受限问题，尺寸由760 mm×580 mm×1 430 mm（W×D×H）设计为550 mm×650 mm×2 000 mm（W×D×H），内部结构重新布局设计，柜体后门板改为可拆卸式，便于后期设备维护。由于海上平台对安全防护方面的要求比陆地要高，设计上系统提升了安全防护等级。

2 海上直线潜油电泵现场应用

2016年试制了143系列排量30 m³/d、扬程2 500 m及排量20 m³/d、扬程1 300 m两种规格的样机，在渤西作业公司选择NB35-2B1及QK18- 15D两口典型的长停井进行了首次试用。两口井都是低液量井，NB35-2B1井为浅层稠油，泵挂浅；QK18-1 5D2井为深层稀油，泵挂深，高含气。

NB35-2B1井2016年1月20日下入直线电机往复泵并投产，2017年11月26日故障停泵，累计运行676天。在使用直线潜油电泵之前，该井先后下过潜油电泵、电潜及杆驱螺杆泵，平均检泵周期99天。平均提高了检泵周期500多天。

QK18-1 5D井2016年1月4日投产，已经运行1 010天。该井之前下入潜油电泵共5次，平均检泵周期181天。平均提高了检泵周期800多天。

因此，下入直线潜油电泵后检泵周期明显提高。首次试验的两口井都取得了成功，之后又选择QK18-1-P09和BZ26-2-A10H两口井扩大试用范围。截至目前，所开发的海上直线潜油电泵累计在海上油田成功应用12套，低产低效井检泵周期明显提高，最高的已经运行了1 010天，远远高于以前的检泵周期。直线潜油电泵在海上油田的应用取得了较明显的效果，救活了一批长停井，增产效果显著。在渤海油田低产低效井中推广使用，有良好的应用前景。

3 结论和应用前景

通过设计适应海上油田特点的直线电机、往复泵及变频柜，成功开发了143系列海上直线潜油电泵。对于目前海上油田低产液井的开采具有非常重要的作用，满足渤海油田的实际需要，通过设计和应用情况的总结分析得出如下结论：

（1）现场典型油井的应用结果表明，所开发的143系列海上直线潜油电泵能够适用于海上高温、稠油、出砂、高含气及大斜度低产低渗井。该产品的开发取得成功，具备在海上油田低产液井进行推广应用的条件，能够解决海上油田低产液井的开采难题。

（2）海上直线潜油电泵是解决海上油田低产液井的有效的采油方式，下一步可以设计开发排量更大、适用范围更宽的海上直线潜油电泵，扩大其在海上油田的适用范围。