立式抽油機結(jié)構(gòu)分析及性能對比

陳昌龍，李東海

（吐哈油田公司a.吐魯番采油廠；b.機械廠，新疆鄯善 838202）＊

目前，國內(nèi)油田處于開發(fā)中后期，油田含水不斷增加，造成原油的開采能耗增加。另外，新疆油田、勝利油田和遼河油田普遍存在井深和稠油的問題，使開采難度增加，要求采油設(shè)備能滿足深抽、大排量提液、沖次調(diào)節(jié)范圍寬、節(jié)能以及間抽等工藝要求，現(xiàn)有的游梁式抽油機不能完全滿足該要求。為滿足油田中后期開發(fā)的需要，已研制出多種立式抽油機。本文以4種典型的立式抽油機為例，分析了其結(jié)構(gòu)和性能及在新疆3個油田的使用情況。

1 立式抽油機技術(shù)綜述

立式抽油機為塔架式結(jié)構(gòu)，占地面積小，高度高。目前使用較多的立式抽油機主要以鏈條抽油機、ROTAFLEX 長沖程寬帶抽油機、直線電機式抽油機機、摩擦換向式抽油機4種為主。其余的立式抽油機均是這幾種抽油機的改進型。

1.1 鏈條抽油機

勝利油田從1966年就開始了LCJ1250型鏈條抽油機的研究工作，至今已在勝利、遼河等油田推廣應(yīng)用1800多臺，是國內(nèi)除游梁式抽油機外在用數(shù)量較多的主力機型［1］。在東部油田中的高含水期開采和稠油開采井中發(fā)揮了重要作用，有效地解決了稠油、高凝油開采和低滲透油藏深抽的技術(shù)難題。

早期鏈條抽油機是采用軌跡鏈條換向機構(gòu)把動力機的旋轉(zhuǎn)運動變成往復(fù)運動。采用氣動平衡系統(tǒng)，在下沖程中壓縮平衡氣缸內(nèi)的氣體來儲存能量，上沖程中氣體膨脹推動柱塞幫助抽油。其結(jié)構(gòu)如圖1［2］。

圖1 LCJ型鏈條抽油機結(jié)構(gòu)（氣平衡）

鏈條抽油機的結(jié)構(gòu)比游梁式抽油機的復(fù)雜，現(xiàn)場維護工作難度較大。隨著該機應(yīng)用范圍的不斷擴大，存在的問題也日益突出。

1）換向機構(gòu)受力不合理，往返架存在垂直于軌跡鏈條傳動平面的側(cè)彎力矩。

2）氣動平衡系統(tǒng)故障率較高，潤滑油泄漏和砂粒易拉傷柱塞，造成平衡氣缸早期損壞。

3）鋼絲繩使用壽命短，鋼絲繩使用壽命平均只有3～6個月。

20世紀90年代，勝利、遼河等油田針對氣平衡鏈條抽油機存在的問題進行了一系列的技術(shù)改造，例如氣平衡改為配重平衡，調(diào)整、加固導(dǎo)軌和導(dǎo)向滾輪和改進失載保護裝置等，使鏈條抽油機的可靠性得到明顯的提高。對新式鏈條抽油機的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)的可靠性、現(xiàn)場使用的方便性得到明顯提高。改進后的鏈條抽油機結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 改進的鏈條抽油機結(jié)構(gòu)

1.2 ROTAFLEX長沖程寬帶抽油機

ROTAFLEX 長沖程寬帶抽油機由美國WEATERFORD 公司在鏈條式抽油機的基礎(chǔ)上研制而成，采用鏈條＋寬皮帶傳動，配重對稱平衡。抽油機系統(tǒng)效率達到81.2%，比常規(guī)游梁式抽油機節(jié)能25%。勝利高原公司引進了該技術(shù)，并結(jié)合其他類型抽油機的設(shè)計經(jīng)驗進行了優(yōu)化，取得較廣泛的應(yīng)用。勝利、大港、遼河等油田有5000多臺皮帶抽油機在現(xiàn)場應(yīng)用。

寬帶式抽油機為塔架結(jié)構(gòu)，塔架內(nèi)垂直布置鏈傳動機構(gòu)，軌跡鏈條掛在上下鏈輪上，在下鏈輪的驅(qū)動下作長環(huán)形運動，結(jié)構(gòu)如圖3。曲拐軸的頭部實際上充當著軌跡鏈條的一個特殊鏈節(jié)，當曲拐軸隨軌跡鏈條的直線部分上行時，曲拐軸帶動滾輪架，滾輪架帶動換向架沿著抽油機塔梁H 鋼內(nèi)壁作上下往復(fù)運動。這樣就把鏈輪的圓周運動變成往返架的直線運動。塔架的頂部有一個滾筒，上面搭著承載皮帶，該皮帶的一端與平衡箱、往返架總成連接；另一端連接懸繩器，滾筒相當于一個定滑輪，這樣就把往返架的直線往返運動變成了懸繩器的直線往返運動。

圖3 寬帶抽油機換向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

寬帶式抽油機與鏈條抽油機都采用鏈條傳動＋特殊鏈節(jié)換向機構(gòu)，換向系統(tǒng)原理實際上完全相同，即都是曲柄滑塊機構(gòu)，如圖4。只是在特殊鏈節(jié)、主軸銷、換向架、滾輪架部件的具體結(jié)構(gòu)上各不相同。

圖4 鏈條抽油機曲柄滑塊換向機構(gòu)原理

1.3 摩擦換向式抽油機

摩擦換向式抽油機結(jié)構(gòu)如圖5。其工作原理是：以交流變頻電機＋交流變頻控制為動力源，經(jīng)過齒輪減速器減速后驅(qū)動摩擦輪，摩擦輪上布置有驅(qū)動懸繩，一端通過懸繩器與光桿連接，另一端與配重箱連接，在摩擦力作用下摩擦輪克服懸繩兩端載荷差扭矩，帶動懸繩往返運動，實現(xiàn)抽油機的上下運動。

圖5 摩擦式抽油機結(jié)構(gòu)

控制變頻電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)沖次的控制和調(diào)節(jié)。通過改變上下接近開關(guān)的位置，就可調(diào)節(jié)抽油機沖程。通過增減配重箱質(zhì)量，實現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)，如圖6［3］。

圖6 摩擦式抽油機原理

摩擦式抽油機傳動鏈短，功率損失小，系統(tǒng)效率80%，節(jié)能；調(diào)參（沖程、沖次）方便；電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。已經(jīng)在大慶、遼河、勝利、新疆等油田推廣近1000臺。

1.4 直線電機抽油機

直線電機抽油機采用直線電機作為驅(qū)動源，直線電機動子在通入變頻控制器輸出的低頻電流后，沿導(dǎo)軌上下往復(fù)運動，并通過鋼絲繩寬帶經(jīng)過承載桁架的頂部轉(zhuǎn)向輪后直接與抽油桿連接，并帶動抽油桿達到往復(fù)抽吸目的。結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 直線電機式抽油機結(jié)構(gòu)

直線電機抽油機的關(guān)鍵技術(shù)是解決了直線電機大推力的難題，抽油機懸點載荷80～200kN，沖程3～8m，電機推力20～60kN。

直線電機將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動的機械能，取消中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)，提高了傳動效率。經(jīng)現(xiàn)場檢測，該抽油機功率因數(shù)高達0.996。但抽油機造價極高，僅在塔里木油田少量應(yīng)用。

1.5 其他立式抽油機

在上述4種主流立式抽油機的基礎(chǔ)上，通過變換換向、驅(qū)動方式又產(chǎn)生多種變形機。例如雙鏈條抽油機（如圖8）、長環(huán)形齒條抽油機、復(fù)式永磁電動機抽油機，塔架式抽油機、數(shù)控絞盤式抽油機、曳引式抽油機等。

圖8 雙鏈條式抽油機結(jié)構(gòu)

2 立式抽油機對比分析

現(xiàn)有立式抽油機主要在換向方式、平衡方式、電機類型、驅(qū)動方式上進行一系列的變形和優(yōu)化，造成各種類型的立式抽油機在傳動效率、懸點特性上有所不同，以下將從這幾個方面進行對比分析。

2.1 換向方式及機構(gòu)

現(xiàn)有立式抽油機的換向方式主要有機械換向、電機換向以及液壓換向3種。

2.1.1 機械換向

機械換向主要是以鏈傳動＋特殊鏈節(jié)換向方式為主。其中，鏈條抽油機機、勝利高原公司的寬皮帶抽油機采用單鏈傳動機構(gòu)（如圖2～3）；吉林油田機械廠、新疆油田總機廠、新疆第三機床廠鏈條機采用雙鏈條傳動（如圖8）。此外，還有勝利盛運公司研制的長環(huán)形齒條抽油機，采用環(huán)形齒輪齒條機構(gòu)代替鏈傳動機構(gòu)。

雙鏈條傳動路線是：電機與聯(lián)軸器帶動2個減速器輸入軸同步運轉(zhuǎn)，2個減速器輸出軸通過安裝在上面的鏈輪分別帶動兩側(cè)傳動鏈條運動，通過跨接在兩傳動鏈上特殊鏈節(jié)中心軸帶動換向架驅(qū)動配重箱與懸繩上下運動。平衡箱牽引系統(tǒng)由單鏈條機的懸臂梁結(jié)構(gòu)改為簡支梁結(jié)構(gòu)，改善了傳動系統(tǒng)核心部件——換向架主軸與特殊鏈節(jié)的受力狀況，延長其使用壽命。平衡箱運行過程的平穩(wěn)性也得到很大程度的提高。

2.1.2 電機換向及電機類型

電機換向有旋轉(zhuǎn)電機正反轉(zhuǎn)和直線電機2種。采用旋轉(zhuǎn)電機正反轉(zhuǎn)換向取代機械換向，簡化了機械傳動結(jié)構(gòu)。電機可以是普通Y 系列異步電機、永磁電機、變頻電機及開關(guān)磁阻電機。抽油機專用變頻器的性能和可靠性有了很大的提高，價格顯著降低，推動了電機換向立式抽油機的發(fā)展。開關(guān)磁阻電機（SRD）及其控制技術(shù)在大功率電機上性能日益完善，推動摩擦式抽油機的研制。復(fù)式永磁電動機是新型雙盤面電機與外轉(zhuǎn)子電動機復(fù)合的三維永磁電機，結(jié)合了變極變頻、永磁材料、盤面電動機、外轉(zhuǎn)子電動機各方面的優(yōu)勢，具有大扭矩、低速、效率高、功率因數(shù)高、噪音小、壽命長等良好性能。貴州林泉公司研制的復(fù)式永磁電機抽油機得到成功的應(yīng)用，但電機及控制系統(tǒng)的制造成本較高。

2.2 平衡方式

立式抽油機的平衡方式主要有氣動平衡、配重重力平衡。采用配重平衡其平衡效果好、調(diào)平衡也方便，是目前主要的平衡方式。

2.3 驅(qū)動方式

立式抽油機的驅(qū)動輪主要有摩擦輪驅(qū)動、滾筒驅(qū)動、天輪傳動3種，配合的柔性件有鋼絲繩、寬皮帶、鋼絲繩寬帶等。因此，驅(qū)動輪和柔性件可以組成不同的驅(qū)動方式。

摩擦式抽油機采用摩擦輪＋鋼絲繩（或?qū)捚В?qū)動，復(fù)式永磁電機式抽油機將電機和摩擦輪做成一體，也是摩擦輪＋寬皮帶驅(qū)動；北京成群公司的塔架式抽油機采取滾筒＋鋼絲繩驅(qū)動方式、鏈條抽油機采用天輪＋鋼絲繩驅(qū)動方式；勝利高原公司的寬皮帶抽油機采用天輪＋寬皮帶驅(qū)動方式、直線電機抽油機采用天輪＋鋼絲繩寬帶驅(qū)動方式；勝利順天公司的數(shù)控絞盤抽油機采取組合驅(qū)動方式，摩擦輪＋寬皮帶作為主驅(qū)動方式，滾筒＋鋼絲繩作為防皮帶滑動和失載的輔助驅(qū)動方式；河南濮陽信宇公司研制的曳引式抽油機采用鋼絲繩、滾筒驅(qū)動，滾筒上增加曳引槽增加摩擦力。

2.4 懸點特性對比

常規(guī)抽油機、鏈條（寬皮帶）抽油機、直線電機抽油機以及摩擦換向式抽油機的懸點速度、加速度曲線分別如圖9～11［4］。

圖9 常規(guī)游梁式抽油機和直線電機抽油機懸點速度曲線

圖10 鏈條（寬皮帶）抽油機懸點速度、加速度曲線

圖11 摩擦換向式抽油機懸點位移、速度、加速度曲線

由圖9～11可以得出：立式抽油機懸點速度、加速度明顯平緩，具有換向區(qū)域接近勻加速、上行和下行中勻速的特點，明顯降低抽油機運轉(zhuǎn)尤其是換向過程的慣性載荷，減少慣性載荷對抽油機、桿、泵的不良影響［4］。

3 立式抽油機在新疆各油田的應(yīng)用對比

新疆油田下屬的采油一廠、二廠、百口泉、彩南、風(fēng)城、陸梁、石西、準東各采油廠從1990年陸續(xù)開始各種立式抽油機的礦場試驗，摩擦式抽油機、寬皮帶抽油機2種立式抽油機取得較好的應(yīng)用效果。2010年起，新疆油田正式在油田內(nèi)部成區(qū)域進行這2種立式抽油機的批量推廣應(yīng)用。

在塔里木油田，主要開展摩擦式抽油機、直線電機抽油機2種立式抽油機的推廣應(yīng)用。2008年，20型直線電機抽油機創(chuàng)下了當時抽油機采油下泵深度4600m的記錄。

2004—2006年，吐哈油田進行了8臺摩擦式抽油機的試驗，其中吐魯番采油廠4臺CYJMZ16－7.3－53DB型，鄯善、溫米采油廠各2臺CYJMZ14－7.3－53DB型。因油井產(chǎn)量低，目前5臺停用；因電氣故障維修服務(wù)跟不上無法修復(fù)、大修作業(yè)需要整機拆除的問題，其余3臺已經(jīng)拆除。經(jīng)過現(xiàn)場驗證，摩擦式抽油機節(jié)能50%以上，電機的功率因數(shù)達到0.75以上，甚至達到1.0，機械部分、變頻控制部分的可靠性較高，能夠滿足吐哈油田惡劣環(huán)境的要求。

2011年，吐哈油田在魯克沁采油廠的超深井稠油開采上試驗了宇隆公司制造的16型W 曳引式抽油機和河南長江公司的WCYJK16－8－53Z型塔架抽油機。經(jīng)過近1a的礦場試驗，節(jié)能顯著，抽油機抽汲參數(shù)能夠滿足吐哈稠油開采的要求，但可靠性較低。

4種立式抽油機在新疆各油田使用情況及對比如表1～2。由表2知，立式抽油機具有2個優(yōu)點：傳動效率高，達到80%以上；節(jié)能顯著，最高達到50%。

表1 立式抽油機在新疆各油田使用情況

表2 4種立式抽油機應(yīng)用對比

4 結(jié)論

1）立式抽油機較游梁式抽油機具有節(jié)能、材料消耗低、運行平穩(wěn)、沖程大、調(diào)參方便、智能控制的優(yōu)點，隨著抽油機變頻控制技術(shù)的不斷完善，必然會有更大的發(fā)展前景。

2）鏈條抽油機、寬皮帶抽油機、摩擦式抽油機經(jīng)過現(xiàn)場十幾年、甚至幾十年的推廣應(yīng)用，并經(jīng)過不斷的改進完善，目前已經(jīng)具備了在新疆各油田區(qū)塊推廣的條件，對解決稠油開采，實現(xiàn)超深井、長沖程、低沖次抽汲參數(shù)具有很重要的意義。

3）復(fù)式永磁電機抽油機、直線電機抽油機在技術(shù)上還不完善，制造成本還較高，仍然需要更長時間的現(xiàn)場驗證和完善。

［1］李新華.淺談鏈條抽油機的應(yīng)用與改進［J］.鉆采工藝，1998，21（3）：48－50.

［2］SY／T 5442—1992，鏈條抽油機［S］.

［3］綦耀光，陳軍.電機換向滾筒式抽油機的動力性能分析［J］.石油礦場機械，2008，37（3）：62－65.

［4］王全賓，肖文生.直線電機抽油機與游梁式抽油機性能對比［J］.石油礦場機械，2006，35（5）：80－83.