高效雙向抽油機及抽油泵設(shè)計與試驗研究

艾白布·阿不力米提，劉永紅，林榮桔，蔡寶平

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 東營257061）①

目前，我國各油田的各類抽油機總數(shù)已超過10萬臺，按平均每臺電機容量40kW計算（實際上不止于此，部分使用45、55、75kW電機），裝機總?cè)萘吭?×106kW以上，而實際轉(zhuǎn)化為有用功的部分不到總能耗的42%，也即有每小時2.32×106kW·h的電能白白浪費在負載平衡和傳動機構(gòu)上。按國家大工業(yè)用電收費標準——￥0.848元／（kW·h）計算，這將給油田每年帶來約￥180億元的經(jīng)濟損失。

為解決抽油作業(yè)高能耗、低效率的問題，較常采用的方法有改進電機和開發(fā)新型抽油機2種，但目前抽油機拖動電機的負載率普遍較低，仍需要改進和提高。因此，為節(jié)約能源和開采成本，筆者設(shè)計了一種新型抽油機。

1 抽油設(shè)備現(xiàn)狀［1－13］

1.1 游梁式抽油機

游梁式抽油機自誕生以來已有百余年歷史，發(fā)展至今已相當成熟，它特別能適應野外惡劣的工作環(huán)境。常規(guī)梁式抽油機以其結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、耐用、可靠性高，操作簡單、維修方便、維護費用低等優(yōu)點得到廣泛應用。但其存在以下問題：

1） 游梁式抽油機將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復運動，效率較低，主要環(huán)節(jié)是皮帶傳動、減速箱和四連桿機構(gòu)。

2） 加大沖程時減速箱扭矩成正比例增大。

3） 游梁式抽油機的四連桿機構(gòu)使得驢頭運動規(guī)律類似簡諧運動，造成抽油運動過程不平穩(wěn)，降低了抽油機有效載荷的利用率，縮短了抽油機的使用壽命。

1.2 寬帶式抽油機

在鏈條抽油機的基礎(chǔ)上，由勝利油田和美國EVI－高原泵公司合作，改進設(shè)計成功的ROTAFLEX抽油機克服了常規(guī)游梁式抽油機運行不平穩(wěn)、設(shè)備龐大笨重和鏈條式抽油機使用壽命短的缺點。

由于它與現(xiàn)有的有桿抽油泵配合使用，只能實現(xiàn)單向抽油，限制了油井的排量。同時，為了平衡下沖程的慣性力而配置的平衡塊使設(shè)備變得笨重，也帶來了額外的功率損耗。

1.3 直線抽油機

直線電動機是將電能直接轉(zhuǎn)換為直線往復運動，不但提高了效率，而且能實現(xiàn)抽汲參數(shù)的無極調(diào)整，進而能根據(jù)抽油的需要調(diào)整懸點運動規(guī)律。但目前這種抽油機沒有普遍投入生產(chǎn)使用，有待進一步實踐和考驗。

1.4 異形游梁式抽油機

異形游梁式抽油機是在常規(guī)抽油機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以保持了常規(guī)抽油機的很多優(yōu)點，同時又由于它采用了“變參數(shù)四桿機構(gòu)”的主傳動機構(gòu)，克服了常規(guī)抽油機固定四桿機構(gòu)的弱點，不但解決了常規(guī)抽油機因添加平衡塊而能耗大的問題，也解決了固定四桿機構(gòu)的“死角”問題，有利于游梁擺角的加大，實現(xiàn)抽油機小結(jié)構(gòu)、大沖程，從而提高抽油機的綜合效率，成為一種目前較為理想的地面采油設(shè)備。

該機目前有6型、8型、10型、12型、14型、16型等規(guī)格型號的異形游梁系列抽油機，并有1 000余臺分別在華北、大港、勝利、大慶、遼河、吉林、冀東、吐哈、克拉瑪依等油田使用。

異形游梁式抽油機雖然很好地解決了抽油機上的問題，但沒有改變單泵抽油的缺點。

1.5 井下抽油泵

現(xiàn)有的常規(guī)抽油泵主要有管式泵和桿式泵，它們都是單作用泵，只能實現(xiàn)斷續(xù)抽油。在特殊抽油泵中為了提升泵效專門設(shè)計了雙作用泵，但不論是單作用泵還是雙作用泵都不能解決斷續(xù)抽油的缺點。

2 高效雙向抽油設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 抽油機結(jié)構(gòu)

高效雙向抽油機結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由電機、V形皮帶輪、變速箱、鏈輪、鏈條、導軌、換向器、皮帶輪、滑輪以及機架底座組成。圖中2個相同的滑輪安裝在機架頂部的同一平面，為鋼絲繩提供往復動力換向。下皮帶輪處于機架的右下方，上皮帶輪位于機架的右上方及右滑輪的下方，為皮帶提供往復運動換向。電機安裝在機身左下部，為整個系統(tǒng)提供動力。電機右上部是變速器，為抽油機轉(zhuǎn)換提供所需的轉(zhuǎn)速和扭矩。

圖1 高效雙向抽油機結(jié)構(gòu)

2.2 抽油機工作原理

電機通過V形皮帶把動力傳送到變速箱，變速箱帶動下鏈輪旋轉(zhuǎn)，下鏈輪和上鏈輪通過鏈條互相傳送動力，鏈條帶動換向器。當下鏈輪在變速箱的帶動下旋轉(zhuǎn)時，鏈條及上鏈輪一起動作，這時安裝在鏈條上的換向器在鏈條的帶動下在導軌上上下往復運動。換向器上端與鋼絲繩固定連接，鋼絲繩繞過機身頂部2個滑輪各換向90°，另一端與實心抽油桿連接。換向器下端與皮帶固定連接，皮帶繞過上下2個皮帶輪各換向180°，另一端與空心抽油桿連接。換向器向上運動時安裝在上端鋼絲繩的一端伸長，安裝在下端皮帶的另一端伸縮；當換向器向下運動時，安裝在上端鋼絲繩的一端伸縮，安裝在下端皮帶的另一端伸長。這樣通過鏈輪、鏈條、換向器、2個鏈輪和2個皮帶輪，把電機旋轉(zhuǎn)運動換向轉(zhuǎn)換為實心抽油桿和空心抽油桿的同步往復直線運動，同時為井下2套抽油泵提供所需的同步往復直線運動。

2.3 井下抽油泵結(jié)構(gòu)

高效雙向抽油設(shè)備井下抽油泵的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由實心抽油桿、空心抽油桿、油管、套管、空心活塞套、實心活塞套及游閥套等構(gòu)成。

圖2 井下抽油泵結(jié)構(gòu)

空心活塞套安裝在實心活塞套的上部，使2個活塞套之間形成柱形腔，為閥門的打開與關(guān)閉提供壓力差?？招幕钊子苫钊㈠N形閥座、活塞腔組成?？招幕钊椎倪\動動力由空心抽油桿提供，即空心活塞套的上端與空心抽油桿的下端固定連接。實心活塞套安裝在空心活塞套下端，空心活塞套由閥芯、上下閥座及閥套等組成。實心活塞套的往復動力由實心抽油桿提供，即實心活塞套的上端與實心抽油桿的下端固定連接。實心抽油桿穿過空心抽油桿與空心活塞套的中心，始終與油管及套管處于同心位置。

空心活塞套是高效抽油泵的技術(shù)關(guān)鍵，其工作原理與VR－S抽油泵相同，依靠油管內(nèi)各個腔內(nèi)的壓差使錐形閥打開、閉合。在結(jié)構(gòu)上，實心抽油桿穿過空心活塞套及空心抽油管，為實心活塞套提供往復直線運動的動力。游閥套固定安裝在井底。

高效雙向抽油機及抽油泵整體試驗樣機如圖3所示。

圖3 高效雙向抽油機及抽油泵整體試驗樣機

2.4 井下抽油泵工作原理

如圖2所示，空心活塞套在空心抽油桿的帶動下由最低位置向上運動，空心活塞在重力和油管上腔（空心活塞套以上）內(nèi)原油壓力的作用下與錘形下座密封接觸。隨著空心活塞套上行，原油沿油管上腔排到地面，同時實心柱塞由最高位置在自身重力與實心抽油桿的作用下運動，這時油管中腔（空心活塞套與實心活塞套之間的柱形空間）與油管下腔（實心活塞套以下）產(chǎn)生壓差，使實心活塞套的球閥在壓差的作用下被頂開（相當于進油閥）；油管中腔開始進油，直到實心活塞套下行到最低位置、空心活塞上行到最高位置點。達到2個極限以后，井上抽油機換向器換向以后，實心抽油桿帶著實心活塞套從最低位置開始向上運動，實行活塞套內(nèi)的球閥在重力與壓差的作用下與下閥座密封接觸；空心活塞由最高位置開始下行，此時油管中腔產(chǎn)生壓差，在壓差的作用下空心活塞打開，形成油路，原油沿油管中腔與油管上腔排到地面，直到空心活塞下行到最低位置、實心活塞套上行到最高位置。完成了連續(xù)抽油的1個循環(huán)，周而復始地將原油抽到地面。

3 性能試驗

3.1 理論排量

抽油機的排量是衡量抽油機性能的主要技術(shù)指標之一。抽油機的理論排量由2部分組成，即下沖程和上沖程時的理論排量之和。

抽油機在上沖程時的理論排量為

式中：H為抽油機沖程；D為油管直徑；d為抽油桿直徑。

抽油機在下沖程時的理論排量為

通過式（1）～（2）得出抽油機在1個循環(huán)工作過程中的理論排量為

通過傳統(tǒng)抽油機的排量計算公式可推導出高效雙向抽油機的理論排量計算公式。高效雙向抽油機空心抽油泵組完成1次抽油工作時的理論排量為

高效雙向抽油機實心抽油泵組完成1次抽油工作時的理論排量為

由式（4）～（5）得出高效雙向抽油機在1個循環(huán)工作過程中的理論排量為

抽油機試驗樣機技術(shù)指標參數(shù)如表1所示。

表1 抽油機試驗樣機技術(shù)參數(shù)

在油管直徑和抽油機沖程相等的情況下，高效雙向抽油的理論排量提高百分比為

則由表1可以得出高效雙向抽油機的理論排量提高百分比為

3.2 排量試驗

由于抽油泵的制造精度誤差影響密封性能，存在漏失率，因此理論排量計算數(shù)據(jù)不能完全反應高效雙向抽油機優(yōu)點。本文對相同油管直徑、相同沖程和相同抽油桿（實心桿）直徑的抽油泵進行試驗對比，分別給出5組試驗數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)是抽油機完成1次循環(huán)工作時的實際排量。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 高效抽油泵與單作用泵的抽油排量試驗數(shù)據(jù)對比

通過試驗數(shù)據(jù)可計算出高效抽油泵試驗排量提高值百分比：（油泵試驗排量均值－單作用泵試驗排量均值）／單作用泵試驗排量均值，即

3.3 理論排量與試驗排量對比分析

表2中泵效是指完成1次循環(huán)工作時的實際排量與理論排量的比值。泵效直接反應加工精度對工作性能的影響。通過泵效數(shù)據(jù)可得出：在相同加工精度的條件下，高效抽油泵的泵效低于單作用泵，說明高效抽油泵對加工精度的要求比單作用泵的低。

從以上數(shù)據(jù)可以看出：理論提高排量QL（90.82%）明顯高于試驗提高排量QS（88.19%），主要原因是2臺抽油泵的制造精度誤差導致密封性不一樣，漏失率也不同，從而影響試驗結(jié)果。但從2組數(shù)據(jù)可以看出：本新型抽油機可以明顯地提高原油排量，提高泵效，從而節(jié)約了能源，降低了采油成本，能給油田帶來可觀的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

首次提出利用2臺同步反向抽油泵在井下構(gòu)成雙作用組合泵的設(shè)計理念，創(chuàng)新設(shè)計出了可實現(xiàn)高效雙向抽油的抽油機。在抽油機換向器上下端固定連接鋼絲繩和皮帶，為井下2臺泵提供所需的同步反向動力。通過合理布置滑輪和皮帶輪位置，使實心抽油桿和空心抽油桿在同一平面，進而保障2臺泵處于同心位置。此新型抽油機井下采用2臺抽油泵，1臺抽油泵的抽油桿套在另1臺抽油泵的抽油桿內(nèi)，2個抽油桿通過井上的換向機構(gòu)來實現(xiàn)同步反向運動，從而實現(xiàn)抽油機的連續(xù)抽油，提高泵效。試驗結(jié)果表明：該抽油機及抽油泵能夠滿足使用要求，具有較好的推廣應用前景。

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