油田抽油機(jī)的節(jié)能措施與選型方法探討

田彥瑞

（中國石化股份華北分公司，河南 鄭州 450006）

引言

在油田采油生產(chǎn)過程中，抽油機(jī)是常用的地面舉升設(shè)備。從結(jié)構(gòu)上，按照有無游梁，抽油機(jī)主要分為游梁式抽油機(jī)和無游梁式抽油機(jī)兩大類，當(dāng)前游梁式抽油機(jī)的使用量仍占絕大多數(shù)。近年來，隨著油氣開采的不斷深入，特低滲透、超低滲透油田不斷投入開發(fā)，為保證開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，需要不斷提高油田的采收率，控制前期投資成本，節(jié)能降耗，推進(jìn)低成本開發(fā)戰(zhàn)略；再者，當(dāng)前我國大力提倡節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展，對(duì)油田的主要設(shè)備抽油機(jī)的性能及能耗狀況都提出了更高的要求。本文總結(jié)了近年國內(nèi)不同類型抽油機(jī)節(jié)能措施的研究進(jìn)展，為油田抽油機(jī)的選型提供一些借鑒。

1 游梁式抽油機(jī)的節(jié)能措施

游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)、技術(shù)成熟、適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。但其也存在明顯的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：能耗高、效率低、笨重、占地面積大等，對(duì)于稠油井或含氣井等需要長沖程、低沖次的需求，一般難以滿足。

1.1 高能耗的原因

游梁式抽油機(jī)的耗電量約占油田總耗電量的40%，高耗能的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）懸點(diǎn)載荷為周期性變載荷，而普通三相異步電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩一般不變，為了滿足抽油機(jī)的峰值扭矩，不得不配用大功率電機(jī)，以致在大多數(shù)情況下，電機(jī)處于輕載狀態(tài)，一般負(fù)載率為30%左右。

2）在運(yùn)行過程中，曲柄的角度是變化的，不用角度的平衡效果也不同，當(dāng)相位角大于90°時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，平衡效果越差，發(fā)電越多。但從電動(dòng)機(jī)的工作原理來看，電動(dòng)和發(fā)電的轉(zhuǎn)換過程中電動(dòng)機(jī)正好處在效率最低段，整個(gè)過程中能量轉(zhuǎn)換的效率特別低。

3）游梁抽油機(jī)中抽油桿一般很長，有的能達(dá)到1 000m 以上，運(yùn)行時(shí)抽油桿易發(fā)生彈性形變，尤其是在換向過程中，這就造成抽油桿和抽油泵中活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生差別，造成抽油泵的充滿系數(shù)降低，從而降低整個(gè)抽油機(jī)的效率［1］。

1.2 節(jié)能措施

游梁式抽油機(jī)的節(jié)能措施非常多，包括改進(jìn)結(jié)構(gòu)、改變平衡方式、采用節(jié)能電機(jī)和節(jié)能傳動(dòng)元件等［2］。在實(shí)際應(yīng)用中，往往要綜合運(yùn)用多種節(jié)能措施，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

改進(jìn)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)，就是對(duì)四桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而改變曲柄軸凈扭矩曲線，減少負(fù)扭矩，使扭矩波動(dòng)變得平緩，減小周期載荷系數(shù)，進(jìn)而提高電動(dòng)機(jī)的工作效率。目前主要有雙驢頭抽油機(jī)、偏輪游梁抽油機(jī)、異相曲柄平衡抽油機(jī)、擺桿式游梁抽油機(jī)、天平式游梁抽油機(jī)等。

節(jié)能電機(jī)是采用高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)差率能達(dá)到8%～13%，代替普通電機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下電機(jī)運(yùn)行功率不同，從而提高電機(jī)的效率。在國內(nèi)，采用高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)的有功節(jié)電率為10.56%，綜合節(jié)電率為17.42%。采用永磁同步電動(dòng)機(jī)，其效率和功率因數(shù)都高于三相異步電機(jī)，例如：TYC250M－6 型電機(jī)，功率37kW，功率因素0.983，額定電流60.6A，堵轉(zhuǎn)電流12.7倍，堵轉(zhuǎn)力矩3.69倍。

在抽油機(jī)上安裝節(jié)能電控裝置，也能達(dá)到節(jié)能降耗的效果。目前應(yīng)用比較廣泛的主要有三種：繼電接觸器，使用后，抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，定子繞組接成三角形，能夠輸出大的轉(zhuǎn)矩，正常工作時(shí)，接成三角形－星形混和繞組，降低相電壓和功率；變頻調(diào)速器，可以根據(jù)油井出液量來自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整功率，達(dá)到節(jié)能目的；采用間抽控制器，能夠避免空抽的發(fā)生。

2 無游梁式抽油機(jī)的節(jié)能措施

隨著低滲透油田和稠油井的開采需要，長沖程、低沖次的無游梁抽油機(jī)近年得到了快速發(fā)展。塔架式無游梁抽油機(jī)的研制成功，標(biāo)志著抽油機(jī)的設(shè)計(jì)原理發(fā)生了質(zhì)的變化，其適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和先進(jìn)性都達(dá)到了新的高度。

2.1 塔架式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)

塔架式抽油機(jī)的主要組成包括：電機(jī)架、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、工作機(jī)構(gòu)、輔助機(jī)構(gòu)等4部分。采用雙循環(huán)鏈條，由聯(lián)體減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，主懸梁分布在雙循環(huán)鏈條中間與換相機(jī)并聯(lián)，由換向機(jī)構(gòu)將各鏈條串并聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)換向功能。循環(huán)鏈條的循環(huán)運(yùn)動(dòng)經(jīng)此換向機(jī)構(gòu)變?yōu)橹鲬依K的上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪減速器，減速后帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪作連續(xù)定向轉(zhuǎn)動(dòng)、主動(dòng)鏈輪帶動(dòng)封閉鏈輪和循環(huán)軸循環(huán)運(yùn)行，循環(huán)軸的上下分別連接著兩條鋼絲繩：一條通過天輪與光桿上的懸繩器相連，另一條通過地輪和小天輪與平衡箱相連，循環(huán)軸上下循環(huán)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)抽油桿上下往返運(yùn)動(dòng)，從而將原油抽出。

2.2 塔架式抽油機(jī)的節(jié)能原理

從結(jié)構(gòu)上，塔架式抽油機(jī)摒棄了離心式回轉(zhuǎn)平衡的方法，用全新的電機(jī)換向、天平式的平衡方法，采用簡單的繩輪傳動(dòng)取代了四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，使得電機(jī)、傳動(dòng)裝置、導(dǎo)向輪等都做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，大大縮短了傳動(dòng)線路，減少能量損耗，使抽油機(jī)的機(jī)械效率顯示提高，達(dá)到85%～95%。

相比游梁式抽油機(jī)的三相異步電機(jī)，塔架式抽油機(jī)采用的永磁同步低速制動(dòng)電機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性啟動(dòng)加速、減速以及超低速運(yùn)行，能夠有效避免抽油機(jī)在啟動(dòng)、換向、砂卡及蠟卡時(shí)受到的機(jī)械沖擊，從而提升電機(jī)的功率因素，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。同時(shí)，塔架式抽油機(jī)減速箱輸出軸扭矩曲線更平緩，扭矩峰值與等值扭矩較小，使裝配電動(dòng)機(jī)功率變小，且抽油機(jī)受力狀況得到了改善，這些都有助于降低能耗和延長抽油機(jī)的使用壽命［3］。

塔架式抽油機(jī)的機(jī)身簡練和配套的輔助設(shè)備也少，占地面積較同型的游梁式抽油機(jī)能夠節(jié)省65%，例如：游梁式抽油機(jī)有12個(gè)注油點(diǎn)，而塔架式只有6個(gè)，自身體積和質(zhì)量的減少，也能促進(jìn)能耗的降低。同時(shí)，目前塔架式抽油機(jī)的最大沖程達(dá)到了7m，最小沖次能夠小于0.5次／min，沖程和沖次的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)節(jié)，對(duì)于需要長沖程、低沖次的低滲透油田，塔架式抽油機(jī)的節(jié)能效果更為明顯。

3 選型方法

游梁式抽油機(jī)盡管能耗較高、效率較低，但經(jīng)過多方面的改進(jìn)，其效率也有一定程度的提高，另外其數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、維修成本低，所以游梁式抽油機(jī)在目前還占絕對(duì)統(tǒng)治地位。塔架式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)，具有非常廣闊的發(fā)展前景。但新的無游梁式抽油機(jī)，普遍可靠度不高、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格參差不齊、維修比較麻煩。其中，塔架式抽油機(jī)是為數(shù)不多的已經(jīng)在一定范圍內(nèi)應(yīng)用效果較好的無游梁抽油機(jī)，盡管有各種優(yōu)勢(shì)，但也存在機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，撓性構(gòu)件較多，易磨損精密元件多等問題，使得一些關(guān)鍵零部件故障率較高，維修也較為困難，運(yùn)行維護(hù)成本較高。

鑒于不同抽油機(jī)各具有優(yōu)劣勢(shì)，在選型時(shí)要首先考慮滿足油田需求，以中國石化股份華北分公司下屬油田為例，其下屬的6個(gè)油田、近1 300口井，大多屬于特低滲透、超低滲透油井，產(chǎn)量遞減速度比較快，這就要求抽油機(jī)具有長沖程、低沖次的特點(diǎn)，塔架式抽油機(jī)能夠較好的滿足這一需要；再者選型時(shí)還要考慮后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)成本，考慮到經(jīng)濟(jì)性、可靠性和使用壽命，節(jié)能是一個(gè)很重要的指標(biāo)，因此，在滿足沖程、沖次和懸點(diǎn)載荷要求的條件下，也要考慮使用壽命長、可靠性高、維修成本低的游梁式抽油機(jī)。

安全系數(shù)的確定。過去，在確定懸點(diǎn)載荷時(shí)，基于安全考慮，將安全系數(shù)定為1.3，也就是抽油機(jī)的額定載荷為預(yù)測(cè)載荷的1.3倍。對(duì)于低滲透油田，在生產(chǎn)過程中，水相的滲透率緩慢上升，而油相滲透率快速下降，總的產(chǎn)液量并不隨開發(fā)時(shí)間的延長而增大，或者增幅較小，這樣開采初期的產(chǎn)液量最高。選1.3的安全系數(shù)，就造成抽油機(jī)“大馬拉小車”的情況。因?yàn)楫a(chǎn)液量不隨開發(fā)時(shí)間的延長而增大，可以將安全系數(shù)降為1.1，即P＝1.1Pmax，在開發(fā)初期抽油機(jī)能夠充分發(fā)揮，后期也不會(huì)出現(xiàn)滿載，能有效提高其負(fù)載率，降低能耗。

4 結(jié)語

隨著抽油機(jī)的迅速發(fā)展，每年都有新型改進(jìn)的抽油機(jī)誕生，抽油機(jī)不斷地朝著低能耗、長沖程、大載荷、精確平衡、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。但每種抽油機(jī)都有自身的優(yōu)點(diǎn)與不足，所以在油田抽油機(jī)選型時(shí)，要在滿足油田需求的前提下，盡可能兼顧節(jié)能性和可靠性，以綜合經(jīng)濟(jì)性來選擇適合不同油田的抽油機(jī)，對(duì)于低滲透油田，可按P＝1.1Pmax來選型。

［1］方仁杰，朱維兵.抽油機(jī)歷史現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.鉆采工藝，2011（2）：60－63.

［2］馮成寶.油田抽油機(jī)的現(xiàn)狀及節(jié)能方式綜述［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2008（24）：31－33.

［3］張喜順，吳曉東，周朝.塔架式數(shù)控抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012（8）：63－65.