油田抽油機的節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

在油田采油生產過程中，抽油機是常用的地面舉升設備。從結構上，按照有無游梁，抽油機主要分為游梁式抽油機和無游梁式抽油機兩大類，當前游梁式抽油機的使用量仍占絕大多數。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，為保證開發的經濟效益，需要不斷提高油田的采收率，控制前期投資成本，節能降耗，推進低成本開發戰略；再者，當前我國大力提倡節能減排和可持續發展，對油田的主要設備抽油機的性能及能耗狀況都提出了更高的要求。本文總結了近年國內不同類型抽油機節能措施的研究進展，為油田抽油機的選型提供一些借鑒。

1 游梁式抽油機的節能措施

游梁式抽油機具有結構簡單、可靠性強、技術成熟、適應性強、維護成本低等優點，在世界范圍內有著廣泛的應用。但其也存在明顯的缺點，主要表現為：能耗高、效率低、笨重、占地面積大等，對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：

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

2）在運行過程中，曲柄的角度是變化的，不用角度的平衡效果也不同，當相位角大于90°時，電機處于發電狀態，平衡效果越差，發電越多。但從電動機的工作原理來看，電動和發電的轉換過程中電動機正好處在效率最低段，整個過程中能量轉換的效率特別低。

3）游梁抽油機中抽油桿一般很長，有的能達到1 000m 以上，運行時抽油桿易發生彈性形變，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動狀態產生差別，造成抽油泵的充滿系數降低，從而降低整個抽油機的效率［1］。

1.2 節能措施

游梁式抽油機的節能措施非常多，包括改進結構、改變平衡方式、采用節能電機和節能傳動元件等［2］。在實際應用中，往往要綜合運用多種節能措施，達到節能降耗的目的。

改進抽油機的結構，就是對四桿結構進行優化設計，從而改變曲柄軸凈扭矩曲線，減少負扭矩，使扭矩波動變得平緩，減小周期載荷系數，進而提高電動機的工作效率。目前主要有雙驢頭抽油機、偏輪游梁抽油機、異相曲柄平衡抽油機、擺桿式游梁抽油機、天平式游梁抽油機等。

節能電機是采用高轉差電動機，轉差率能達到8%～13%，代替普通電機，實現不同狀態下電機運行功率不同，從而提高電機的效率。在國內，采用高轉差率電動機的有功節電率為10.56%，綜合節電率為17.42%。采用永磁同步電動機，其效率和功率因數都高于三相異步電機，例如：TYC250M－6 型電機，功率37kW，功率因素0.983，額定電流60.6A，堵轉電流12.7倍，堵轉力矩3.69倍。

在抽油機上安裝節能電控裝置，也能達到節能降耗的效果。目前應用比較廣泛的主要有三種：繼電接觸器，使用后，抽油機啟動時，定子繞組接成三角形，能夠輸出大的轉矩，正常工作時，接成三角形－星形混和繞組，降低相電壓和功率；變頻調速器，可以根據油井出液量來自動調節電動機轉速，從而調整功率，達到節能目的；采用間抽控制器，能夠避免空抽的發生。

2 無游梁式抽油機的節能措施

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近年得到了快速發展。塔架式無游梁抽油機的研制成功，標志著抽油機的設計原理發生了質的變化，其適應性、經濟性、可靠性和先進性都達到了新的高度。

2.1 塔架式抽油機的結構

塔架式抽油機的主要組成包括：電機架、轉動系統、工作機構、輔助機構等4部分。采用雙循環鏈條，由聯體減速機驅動，主懸梁分布在雙循環鏈條中間與換相機并聯，由換向機構將各鏈條串并聯，從而實現換向功能。循環鏈條的循環運動經此換向機構變為主懸繩的上、下往復運動。工作時，電動機帶動齒輪減速器，減速后帶動主動鏈輪作連續定向轉動、主動鏈輪帶動封閉鏈輪和循環軸循環運行，循環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，循環軸上下循環運動的同時帶動抽油桿上下往返運動，從而將原油抽出。

2.2 塔架式抽油機的節能原理

從結構上，塔架式抽油機摒棄了離心式回轉平衡的方法，用全新的電機換向、天平式的平衡方法，采用簡單的繩輪傳動取代了四連桿機構傳動，使得電機、傳動裝置、導向輪等都做往復直線運動，大大縮短了傳動線路，減少能量損耗，使抽油機的機械效率顯示提高，達到85%～95%。

相比游梁式抽油機的三相異步電機，塔架式抽油機采用的永磁同步低速制動電機，能夠實現柔性啟動加速、減速以及超低速運行，能夠有效避免抽油機在啟動、換向、砂卡及蠟卡時受到的機械沖擊，從而提升電機的功率因素，實現節能降耗。同時，塔架式抽油機減速箱輸出軸扭矩曲線更平緩，扭矩峰值與等值扭矩較小，使裝配電動機功率變小，且抽油機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的使用壽命［3］。

塔架式抽油機的機身簡練和配套的輔助設備也少，占地面積較同型的游梁式抽油機能夠節省65%，例如：游梁式抽油機有12個注油點，而塔架式只有6個，自身體積和質量的減少，也能促進能耗的降低。同時，目前塔架式抽油機的最大沖程達到了7m，最小沖次能夠小于0.5次／min，沖程和沖次的調節實現了無級調節，對于需要長沖程、低沖次的低滲透油田，塔架式抽油機的節能效果更為明顯。

3 選型方法

游梁式抽油機盡管能耗較高、效率較低，但經過多方面的改進，其效率也有一定程度的提高，另外其數量龐大、結構簡單、技術成熟、維修成本低，所以游梁式抽油機在目前還占絕對統治地位。塔架式抽油機結構先進，具有非常廣闊的發展前景。但新的無游梁式抽油機，普遍可靠度不高、標準規格參差不齊、維修比較麻煩。其中，塔架式抽油機是為數不多的已經在一定范圍內應用效果較好的無游梁抽油機，盡管有各種優勢，但也存在機構較為復雜，撓性構件較多，易磨損精密元件多等問題，使得一些關鍵零部件故障率較高，維修也較為困難，運行維護成本較高。

鑒于不同抽油機各具有優劣勢，在選型時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個油田、近1 300口井，大多屬于特低滲透、超低滲透油井，產量遞減速度比較快，這就要求抽油機具有長沖程、低沖次的特點，塔架式抽油機能夠較好的滿足這一需要；再者選型時還要考慮后續的運行維護成本，考慮到經濟性、可靠性和使用壽命，節能是一個很重要的指標，因此，在滿足沖程、沖次和懸點載荷要求的條件下，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。

安全系數的確定。過去，在確定懸點載荷時，基于安全考慮，將安全系數定為1.3，也就是抽油機的額定載荷為預測載荷的1.3倍。對于低滲透油田，在生產過程中，水相的滲透率緩慢上升，而油相滲透率快速下降，總的產液量并不隨開發時間的延長而增大，或者增幅較小，這樣開采初期的產液量最高。選1.3的安全系數，就造成抽油機“大馬拉小車”的情況。因為產液量不隨開發時間的延長而增大，可以將安全系數降為1.1，即P＝1.1Pmax，在開發初期抽油機能夠充分發揮，后期也不會出現滿載，能有效提高其負載率，降低能耗。

4 結語

隨著抽油機的迅速發展，每年都有新型改進的抽油機誕生，抽油機不斷地朝著低能耗、長沖程、大載荷、精確平衡、自動化和智能化方向發展。但每種抽油機都有自身的優點與不足，所以在油田抽油機選型時，要在滿足油田需求的前提下，盡可能兼顧節能性和可靠性，以綜合經濟性來選擇適合不同油田的抽油機，對于低滲透油田，可按P＝1.1Pmax來選型。

［1］方仁杰，朱維兵.抽油機歷史現狀與發展趨勢分析［J］.鉆采工藝，2011（2）：60－63.

［2］馮成寶.油田抽油機的現狀及節能方式綜述［J］.內蒙古石油化工，2008（24）：31－33.

［3］張喜順，吳曉東，周朝.塔架式數控抽油機運動學及動力學特性分析［J］.石油礦場機械，2012（8）：63－65.