喇嘛甸油田閑置抽油機(jī)節(jié)能改造實(shí)踐及評(píng)價(jià)

楊廣軍（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

1 現(xiàn)狀

“十一五”期間，喇嘛甸油田在機(jī)采井節(jié)能方面開展大量工作，應(yīng)用了大量新的節(jié)能舉升設(shè)備，同時(shí)也造成大量常規(guī)舉升設(shè)備閑置，其中抽油機(jī)占了較大部分。調(diào)查表明，閑置抽油機(jī)設(shè)備無論從優(yōu)化改造還是從再利用方面都具有很大的節(jié)約能耗、降低成本的潛力。因此，從節(jié)能降耗的角度出發(fā)，研究可行的閑置抽油機(jī)的改造方法，同時(shí)從優(yōu)化改造的方向上進(jìn)行試驗(yàn)，具有十分重要的意義。

目前喇嘛甸油田有大批抽油機(jī)井設(shè)備閑置，由于更機(jī)使用和產(chǎn)能需要再利用率不高，有待進(jìn)行改造再利用。據(jù)調(diào)查油田閑置抽油機(jī)201臺(tái)，以10型和11型機(jī)閑置率較高，分別占總閑置數(shù)量的48.5%和34.83%。見表1。

表1 閑置抽油機(jī)機(jī)型分類統(tǒng)計(jì)

2 閑置抽油機(jī)節(jié)能改造

與電泵井、螺桿泵井舉升設(shè)備構(gòu)成少、技術(shù)集成化比例高相比，常規(guī)抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，但其曲柄軸靜轉(zhuǎn)矩峰值大，波動(dòng)幅度大，甚至出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，造成能耗增加。但抽油機(jī)設(shè)備改造易于實(shí)施、改造難度小。

常規(guī)抽油機(jī)節(jié)能改造應(yīng)遵循以下原則：首先是原抽油機(jī)最大沖程長(zhǎng)度、沖速和安裝尺寸不能改變；其次理論節(jié)電率應(yīng)為10%～15%，懸點(diǎn)載荷可提高10%以上，零部件應(yīng)力增加量不應(yīng)超過20%；在此前提下，改造方法要簡(jiǎn)便易行，改造費(fèi)用要低。

結(jié)合喇嘛甸油田閑置機(jī)型，優(yōu)選異相后臂、下偏杠鈴型游梁復(fù)合平衡以及雙驢頭變徑三種節(jié)能改造方式。三種方式改造均以四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為主，能減小曲柄凈扭矩峰值。

2.1 異相后臂型節(jié)能改造

異相后臂改造原理是增加常規(guī)抽油機(jī)尾軸的支座高度，同時(shí)相應(yīng)縮短連桿長(zhǎng)度，其它部位則保持不變，因此相對(duì)改變游梁后臂的尺寸，使尾軸與中軸的距離縮短。在上死點(diǎn)時(shí)，可在連桿與垂線間制造常規(guī)機(jī)型不具備的極位夾角（16.7°）。連桿與曲柄運(yùn)動(dòng)的極位夾角具有一定的節(jié)能效果，只要在合理范圍內(nèi)，可確保整機(jī)承載能力不下降[1]，如圖1所示。同時(shí)極位夾角的出現(xiàn)，使輸出軸扭矩曲線出現(xiàn)位移，與載荷扭矩曲線更加同步，最終使凈扭矩曲線趨于平緩，消除了負(fù)功，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1 異相后臂抽油機(jī)改造后效果

異相后臂抽油機(jī)改造5臺(tái)，每臺(tái)費(fèi)用0.5萬元，安裝費(fèi)用0.5萬元，總計(jì)1萬元。單井年節(jié)電可達(dá)1.4×104kWh，年節(jié)約費(fèi)用0.71萬元，投資回收期16個(gè)月。

2.2 下偏杠鈴復(fù)合平衡改造

下偏杠鈴改造主要根據(jù)曲柄輸出轉(zhuǎn)矩和井下負(fù)荷變化規(guī)律，利用下偏杠鈴和原游梁形成復(fù)合平衡[2]。改造在游梁尾端加裝一套下偏杠鈴裝置，通過調(diào)整杠上平衡塊的數(shù)量可對(duì)懸點(diǎn)載荷進(jìn)行平衡。

改造后下偏杠鈴的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡為繞中軸支座中心的一段圓弧，其半徑不變但力臂值變化，即上沖程開始和下沖程結(jié)束時(shí)游梁的平衡作用削減載荷的峰值扭矩，使作用到曲柄輸出軸扭矩不至于過大，同時(shí)產(chǎn)生的與井下相反的負(fù)扭矩，可以減小電動(dòng)機(jī)輸出功率[3]。上沖程結(jié)束和下沖程開始，由于懸點(diǎn)載荷小，下偏杠鈴力臂較小，作用在曲柄軸扭矩不至于過小，從而加強(qiáng)平衡效果，并避免電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)的狀況發(fā)生而產(chǎn)生的不良后果[3]。

在同等模擬工況條件下，減速器凈扭矩理論曲線如圖2所示。

圖2 下偏杠鈴抽油機(jī)改造前后凈扭矩對(duì)比

以CYJ10-3-37HB為例：上沖程峰值扭矩42.84 kN·m，下沖程峰值扭矩34.65 kN·m，改造后，上沖程峰值扭矩37.35 kN·m，下沖程峰值扭矩30.14 kN·m，改造后上沖程峰值扭矩降低5.49 kN·m，下沖程峰值扭矩降低4.51 kN·m，由于峰值扭矩的降低，有利于延長(zhǎng)減速箱、曲柄銷、井下管柱的使用壽命。

抽油機(jī)曲柄靜扭矩峰值的降低不僅有利于節(jié)能，而且有利于抽油機(jī)選用扭矩較小的減速器和功率較低的電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)共改造40臺(tái)，每臺(tái)改造費(fèi)用2.5萬元，單井年節(jié)電1.64×104kWh，年節(jié)約成本0.84萬元。

2.3 雙驢頭變徑型節(jié)能改造

利用雙驢頭抽油機(jī)原理，對(duì)常規(guī)抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行關(guān)鍵性技術(shù)改造，改造前后主要區(qū)別在于將固定長(zhǎng)度的游梁后臂變?yōu)樽儼霃降膱A弧曲線，即采用變徑圓弧狀游梁后臂，形成變參數(shù)四連桿機(jī)構(gòu)。其具體做法是：采用特殊的曲線型游梁后臂、游梁與橫梁之間采用柔性連接結(jié)構(gòu)，形成游梁后臂長(zhǎng)度、連桿長(zhǎng)度隨曲柄轉(zhuǎn)角同時(shí)變化的新四桿機(jī)構(gòu)。運(yùn)行時(shí)通過游梁后臂有效長(zhǎng)度的規(guī)律性變化，改變抽油機(jī)扭矩因數(shù)的變化規(guī)律，提高抽油機(jī)平衡效果，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)增程和降低裝機(jī)功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的[4]。

現(xiàn)場(chǎng)改造CYJ10-3-53HB型常規(guī)抽油機(jī)為YCYJ10-3-53HB型共3臺(tái)。縮短連桿長(zhǎng)度，加長(zhǎng)曲柄回轉(zhuǎn)半徑，與原機(jī)型相比增程1.2 m；原裝機(jī)功率30 kW電動(dòng)機(jī)可更換為18.5 kW。改造后單井年節(jié)電可達(dá)1.81×104kWh，年節(jié)約成本0.93萬元。

2.4 節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

從改造技術(shù)看，三種機(jī)型改造技術(shù)均較成熟，但改造程度不同。下偏杠鈴復(fù)合平衡改造不對(duì)抽油機(jī)主體改造，只需設(shè)計(jì)加裝下偏杠鈴；異型后臂改造需對(duì)尾軸加高，同時(shí)進(jìn)行縮短連桿改造，改造后配件通用性強(qiáng)，能與原常規(guī)機(jī)通用[5]；雙驢頭變徑需對(duì)游梁、四連桿進(jìn)行改造，同時(shí)增加游梁后部驢頭。

從改造技術(shù)適用范圍看，異型后臂型改造適用于非異相型常規(guī)機(jī)改造，下偏杠鈴復(fù)合平衡型對(duì)于各種常規(guī)機(jī)均適用，雙驢頭變徑型受更適合10型以下常規(guī)機(jī)的改造。

從改造成本看，受技術(shù)難易程度影響，雙驢頭變徑型改造的技術(shù)最復(fù)雜、成本最高，下偏杠鈴復(fù)合平衡改造次之，異型后臂改造成本最低，見表2。

從適用改造機(jī)型范圍看，下偏杠鈴復(fù)合平衡型適用范圍最廣；雙驢頭變徑型改造范圍則以10型以下常規(guī)機(jī)改造更節(jié)能實(shí)用；異型后臂改造不能用于異相型機(jī)改造，范圍略小。

表2 常規(guī)抽油機(jī)節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)投入對(duì)比

從節(jié)能改造效果看，改造后機(jī)型各項(xiàng)性能指標(biāo)均比改前降低，因此可降低配套電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)功率，同時(shí)改善平衡效果，改善設(shè)備運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。節(jié)能效果受實(shí)際應(yīng)用井況而異，其中雙驢頭變徑型改造節(jié)能效果最好，下偏杠鈴復(fù)合平衡型、異相后臂改造次之。

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）油田閑置抽油機(jī)井設(shè)備可進(jìn)行改造再利用，具有一定可操作性，對(duì)于提高資產(chǎn)利用率、降低固定資產(chǎn)投入，以及油田節(jié)能降耗均具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

2）常規(guī)抽油機(jī)改造應(yīng)本著技術(shù)成熟，改造簡(jiǎn)單，效果好的原則進(jìn)行。通過改造提高抽油機(jī)的平衡效果，同時(shí)增程和降低裝機(jī)功率，就能實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

3）現(xiàn)場(chǎng)改造試驗(yàn)表明，異型后臂改造成本最低，下偏杠鈴復(fù)合平衡型適用范圍廣，雙驢頭變徑型改造節(jié)能效果最好，均可作為油田閑置機(jī)型改造的主要首選方式。