为提高石油钻采效率，本文设计了一种双作用往复抽油泵，其采用直线电机驱动，在一个周期吸油、排油2次，确保了石油周期性连续采集。并采用AMESim仿真与试验对其响应特性与流量特性进行了深入分析，以期简化采油系统结构，提高采油效率，降低采油成本。

1 工作原理

根据抽油系统的需求，研制了一种永磁直线电机驱动的双作用往复抽油泵。直线电机具有推力大、响应速度快、结构简单、运行稳定等特点，通过与抽油泵柱塞直接相连，简化了抽油系统动力传递装置结构，有效提高了抽油泵运行可靠性和电机动力的传递效率。同时，直线电机可以无级调速，通过改变直线电机驱动活塞速度来改变抽油泵的流量，适应不同冲程、冲次工况需求。

抽油系统工作时，直线电机驱动柱塞上下往复运动，当柱塞向下运动过程中，上泵腔体积增大，压力减小，进油阀阀口打开，油液进入上泵腔，实现吸油过程，同时下泵腔体积减小，压力增大，下泵腔内的油液排出到与油管相通的沉砂管内，并经过油管排出到地面上。

当柱塞向上运动过程中，上泵腔体积减小，内部压力增大，油液加压之后，一部分油液经过出油阀阀口排出，同时下泵腔体积增大，压力减小，另一部分油液经过沉砂管进入下泵腔。

上、下泵腔油液体积V1、V2分别为：

[V1=π?d214?s] （1）

[V2=π?d21-d224?s] （2）

式中：d1为泵筒直径；d2为下泵腔活塞直径；s为冲程。

柱塞下移时，抽油泵的排量q1：

[q1=V2t=π?d21-d224t?s?n] （3）

式中： n为冲次。

柱塞上移时，抽油泵的排量q2：

[q2=V1-V2t=π?d224t?s?n] （4）

故抽油泵在一个周期内排油2次，柱塞下行程排出的油液为q1，柱塞上行程排出的油液为q2，确保了石油周期性供给，提高了石油钻采的连续性与稳定性。

2 建模与仿真分析

抽油泵是由机、电、液强耦合的复杂系统，为了更好的了解抽油泵的响应性能，缩短设计周期，降低研制成本，运用AMESim对其进行仿真分析，为抽油泵的性能优化提供相关的理论依据。抽油泵AMESim仿真模型如图1所示。

<G:\武汉工程大学\2022\第5期\陆锦锦-2.tif>[12][11][10][9][8][7][6][5][4][3][2][1]

1.直线电机模拟信号模块 ；2、7.原油；3.下泵腔 ；4.进油阀阀芯 ；5.进油阀质量块 ；6.柱塞间隙 ；8.上泵腔； 9.出油阀阀芯；10.进油阀质量块；11.排油口；12.流量传感器

图1 抽油泵AMESim仿真模型

Fig. 1 AMESim simulation model of oil well pump

根据往复抽油泵物理模型对其AMESim仿真模型主要参数进行设置，其主要参数设置如表1所示。

表1 抽油泵仿真参数设置

Tab. 1 Simulation parameters of oil well pump

[参数 参数值 进油阀阀芯直径 / mm 29 进油阀阀座直径 / mm 23 进油阀阀芯质量 / g 801 进油阀阀芯最大行程 / mm 15 出油阀阀芯直径 / mm 38 出油阀阀座直径 / mm 30 出油阀阀芯质量 / g 1 803 出油阀阀芯最大行程 / mm 22 上泵腔直径 / mm 46 下泵腔直径 / mm 44.6 上泵腔杆径 / mm 31.5 ]

抽油泵采用直线电机驱动活塞往复运动，通过直线电机模拟信号模块设置柱塞响应速度。在单向冲次方向，柱塞依次进行匀加速、匀速及匀减速运动，最大速度达900 mm/s，单向周期为2.33 s，其额定单向冲次速度曲线如图2所示。

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图2 柱塞额定单向冲次速度曲线

Fig. 2 Rated one-way impulse speed curve of trunk piston

为了观察抽油泵在一个周期内的响应特性，设置仿真时长为5 s，步长为1 ms，得到其柱塞位移曲线，如图3所示。

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图3 柱塞位移曲线

Fig. 3 Displacement curve of trunk piston

图3中，抽油泵柱塞在直线电机驱动下往复运动，其位移曲线按余弦周期性变化，最大位移约为1 200 mm。

如图4所示，在一个周期内，当柱塞向下运动时，上泵腔内体积增大压力降低，克服进油阀阀芯重力，使进油阀阀口开启，阀芯迅速开启至最大开度15 mm；当柱塞向上运动时，上泵腔体积减小压力增大，进油阀阀口关闭，同时，出油阀阀芯迅速开启至最大开度22 mm。进、出油阀阀芯位周期性依次启闭，实现抽油泵配油，其阀口流量变化曲线如图5所示。

如图5所示，随着进、出油阀阀芯依次启闭， 进、出油阀阀口流量周期性变化。当进、出油阀阀芯分别开启至最大值时，进、出油阀阀口均达到最大流量约1.5 L/s。同时，当进、出油阀阀芯关闭时，由于阀芯的响应迟滞，阀口关闭不及时，少量油液从其阀口反向溢出，使其流量出现负值。

柱塞往复运动时，抽油泵上、下泵腔内油液体积及其流量曲线如图6和图7所示。

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图6 上、下泵腔油液体积曲线

Fig. 6 Oil volume curves of upper and lower pump chambers

如图6所示，由于抽油泵为双作用往复泵，随着柱塞往复移动，上、下泵腔内油液体积分别按正、余弦曲线变化。当柱塞运动至最下端时，上泵腔吸油体积最大约为2 L，下泵腔排油最大约为1 L。当柱塞向上移时，上泵腔油液一部分经出油阀阀口排出，另一部分进入下泵腔储油。因此，抽油泵在一个周期内，2次吸油、排油，确保了抽油泵排油的连续性与稳定性。

如图7所示，上、下泵腔口的流量随着上、下泵腔油液体积周期性变化，当柱塞向下匀加速达到最大速度时，上、下泵腔油液流量分别达到最大值1.5 L/s、0.7 L/s。当柱塞匀速运动时，流量保持稳定，当柱塞向下匀减速时，上、下泵腔油液流量逐渐降低为0。同时，当柱塞上移时，上、下泵腔油液流量反向变化。

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图7 上、下泵腔流量曲线

Fig. 7 Flow rate curves of upper and lower pump chambers

为了验证抽油泵周期性连续供给特性，得到出油阀阀口的油液体积曲线如图8所示。

如图8所示，由于抽油泵为双作用往复泵，出油阀阀口油液体积曲线呈连续性周期性上升，尿素液供给具有良好的连续性，60 s排出油液体积约为1.45 L。由于出油阀阀芯响应迟滞，其阀口存在反向溢流，导致抽油泵周期性排出油液体积达到最大值后降低。

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图8 出油阀阀口的油液体积曲线

Fig. 8 Oil volume curve of outlet valve port

为了降低出油阀阀芯响应迟滞问题，进一步提高出液阀阀芯的响应特性，通过设置不同材质与体积的阀芯，以及在阀芯上设置不同刚度弹簧，探究不同质量与弹簧刚度时出液阀阀口的流量对比曲线如图9和图10所示。

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图9 不同阀芯质量时出液阀阀口的流量对比曲线

Fig. 9 Flow rate comparison curves of outlet valve port

under different valve core mass

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图10 不同弹簧刚度时出液阀阀口的流量对比曲线

Fig. 10 Flow rate comparison curves of outlet valve port

under different spring stiffness

在图9和图10中可以看到，出液阀开启时，在不同出液阀阀芯质量与不同弹簧刚度下，其阀口流量曲线基本一致。当阀芯关闭时，由于阀芯质量越大、弹簧刚度越大，阀芯关闭越快，阀口最大反向流量越小，而溢出的油液量越少，抽油泵的流量越平稳。

3 试验与分析

为验证抽油泵的性能，研制了抽油泵样机并搭建了试验系统，并对样机进行了试验来检验抽油泵的各项性能，如图11所示。

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图11 抽油泵试验系统图

Fig. 11 Test system diagram of oil well pump

线性度与稳定性是抽油泵的主要性能指标，为了验证抽油泵的线性度与稳定性，每间隔10 min检测抽油泵排出的油液体积，试验分5组，得到抽油泵排量曲线与精度曲线如图12和图13所示。

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图12 抽油泵流量曲线

Fig. 12 Flow rate curves of oil well pump

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图13 抽油泵流量精度散点图

Fig. 13 Scatter diagram of flow accuracy of oil well pump

由图12和图13可知，在10~60 min范围内，5组测试流量均在138~884 L范围内均呈线性增长，同时，5组测试流量精度散点均分布在±5%范围内，试验结果表明抽油泵具有良好的线性度与稳定性。

4 结 论

（1）抽油泵结构简单、响应灵敏，通过采用直线电机驱动柱塞上下往复运动，在一个周期吸油、排油2次，确保了石油周期性连续供给。

（2）通过合理设计出液阀阀芯阀质量与弹簧刚度，能够降低阀口最大反向流量，减少石油溢出量，提高抽油泵的流量平稳性。

（3）抽油泵具有良好的线性度与稳定性，在10~60 min范围内，抽油泵流量可在138~884 L范围内线性调节，且流量精度为±5%范围内，满足石油钻采系统的工作需求。