新型塔架式抽油機舉升技術應用效果評價

惠小龍（大慶油田采油工程研究院）

傳統游梁式抽油機由于其自身四連桿結構設計特點，曲柄凈扭矩脈動大，存在功率利用率低、平衡效果差、系統效率低、能耗高等不足，已不能完全適應當前油田節能降耗的發展趨勢[1-5]。據統計，游梁式抽油機占機采井總數的80%以上，運行耗電量占比超過油田總耗電量的40%以上，是油田能耗大戶[6-7]。

為了節能降耗，國內油田開展了各種塔架式抽油機技術引進及攻關研究工作，因塔架式抽油機相比于游梁式抽油機具有長沖程低沖次、高傳動效率、重力直接平衡等特點，使其具備良好的節能效果[8-9]。但由于機型眾多，缺乏科學評價，限制了其規模應用。為了充分發掘塔架式抽油機節能降耗潛力，選取一種具有代表性且初具應用規模的新型塔架式抽油機，通過開展室內模擬實驗、現場試驗及經濟技術評價，為未來塔架機在老井節能改造和新井產能方案應用提供技術指導，從而降低機采井系統能耗，提高企業經濟效益。

1 工作原理

1.1 結構原理

新型塔架式抽油機主要由機架、永磁同步電動機、鏈輪、大滾筒、小滾筒、皮帶、懸繩器、配重箱等部件組成。永磁同步電動機通過鏈輪直聯大、小滾筒，系統通過控制永磁同步電動機帶動大、小滾筒旋轉和換向，從而驅動纏繞在大、小滾筒上的皮帶上下往復運動，皮帶一端連接配重，一端連接抽油桿，在配重和抽油桿平衡下完成采油過程。

1.2 節能原理

電動機節能：永磁同步電動機功率因數高，無功損耗低，效率高，在30%額定負載工況下，三相異步電動機效率為77%，而永磁同步電動機為92%；高效區間廣，即使在低負載狀態下電動機功率因數、效率也接近額定負載水平，非常適用于抽油機井日常輕載運行工況。

結構節能：結構緊湊，動力傳動鏈短，傳動效率高。永磁電動機通過鏈輪直接驅動滾筒進行動力傳遞，無減速箱，減少傳動環節能量損耗。

平衡節能：采用重力直接平衡，抽油桿與配重之間平衡率達90%以上，系統做功僅需克服平衡差及阻力，運行消耗功率顯著降低。

2 技術特點

新型塔架式抽油機屬于“長沖程、低沖次”機電一體化抽油機，結合了現代數字控制技術和直線抽油方式，可以解決游梁式抽油機能耗高、系統效率低、調參困難的問題，具有四方面技術優勢[10]。

1）長沖程、低沖次，檢泵周期長。新型塔架式抽油機沖程最高可達8 m，沖程損失占比小，井下泵充滿系數增大，泵效高；低沖次，桿管磨損次數顯著減小，可有效降低抽油桿柱慣性載荷、振動載荷，有助于延長井下桿、管設備使用壽命。

2）傳動效率高，節能效果好。整機傳動結構為高效永磁同步電動機—鏈輪—驅動滾筒，與游梁式抽油機的四連桿機構相比，傳動鏈大幅縮短，能耗損失小，節能高效。

3）安全性好，維護簡便。采用電磁剎車制動系統，配重箱軌道式運行，在槽鋼內側加上ATS 磁力制動剎車功能，且配備配重緩降裝置，當桿斷失載后緩降裝置下立彈簧拉伸，兩側夾板張開夾緊機架兩側槽鋼，增大摩擦力，降低配重下降速度，可有效保障停機、失載情況下的安全可靠性。沖程、沖次通過控制面板操作完成，平衡調整僅需單人對平衡塊增減即可；日常維護保養工作量少，每年僅需對滾筒軸承、鏈輪、鏈條箱做潤滑保養2次即可。

4）自動化程度高。CPU 根據模糊控制，實時監測井下動液面位置，智能調節抽油機沖次，從而保證抽油泵始終在合理沉沒度范圍內穩定工作，避免了設備做無用功所帶來的能量損耗。

3 標準井模擬試驗

選取的試驗井為報廢井改造，射孔段已經進行封堵，試驗介質采用清水，可排除其他氣液等外因影響。評價采用“效果比定法”，即選擇理論產液量（沖程×沖次=定量）、動液面為統一定量，保持新型塔架式抽油機與原態游梁式抽油機在相同理論產液量、相同動液面條件下進行能耗對比分析。

3.1 試驗工況

試驗井深1 200 m；泵掛深度940 m；游梁式抽油機（CYJ10-3-37HB）沖程3 m，沖次4 次/min；新型塔架式抽油機（WCYJD10-8-23Z）沖程5 m，沖次2.4 次/min。

評價標準為SY/T 6422—2016 《石油企業用節能產品節能效果測定》、Q/SY 101—2011《抽油機及輔助配套設備節能檢測和評價方法》。

3.2 結果分析

新型塔架式抽油機與游梁式抽油機系統效率對比曲線見圖1、新型塔架式抽油機綜合節電率對比曲線見圖2。從對比曲線看：新型塔架式抽油機在動液面100～700 m 范圍內均有一定的節能效果，且隨著動液面逐漸加深，負載率增大，系統效率提高，節能效果逐漸變差，在100 m 液面，新型塔架式抽油機負載率為18%，系統效率為12.24%，綜合節電率26.95%；在700 m 液面，新型塔架式抽油機負載率為64.5%，系統效率為36.98%，綜合節電率僅為5.76%，節電效果變差。

圖1 新型塔架式抽油機與游梁式抽油機系統效率對比曲線Fig.1 Comparison curve of comprehensive power saving rate of new tower-frame pumping unit

圖2 新型塔架式抽油機綜合節電率對比曲線Fig.2 Comparison curve of comprehensive power saving rate of new tower-frame pumping unit

經分析，產生上述變化的原因是隨著動液面深度的加深，抽油機負載率增大，游梁式抽油機三相異步電動機效率相應大幅度提高，能耗損失逐步減小，因而新型塔架式抽油機綜合節電率逐漸下降。

4 現場試驗

新型塔架式抽油機在大慶油田A 采油廠開展現場試驗5 口井，機型均為WCYJD8-8-23Z，截至目前平穩運行，免修期已超900 d。與改造前游梁式抽油機相比，平均裝機功率由35.4 kW 下降到20 kW，下降43.5%，系統效率由27.96%提高到35.31%，提高7.35個百分點，有功單耗由1.04 kWh/100 m·t 下降到0.84 kWh/100 m·t，有功節電率19.23%，綜合節電率23.44%，節能降耗效果顯著，新型塔架式抽油機安裝前后節能效果對比見表1。

表1 新型塔架式抽油機安裝前后節能效果對比Tab.1 Comparison of energy conservation effect of new tower-frame pumping unit before and after installation

5 經濟效益評價

以同機型游梁式抽油機為參照物，從一次性投資、能耗、維護費、作業費等方面對新型塔架式抽油機進行經濟效益評價。

5.1 一次性投資對比

新型塔架式抽油機的價格構成中包含永磁電動機和智能控制箱，而游梁式抽油機的價格構成不包含，按抽油設備目前最新價格計算，新型塔架式抽油機一次性投資略高于游梁式抽油機4.09 萬元。

5.2 平均能耗對比

與游梁式抽油機對比，塔架機平均消耗功率下降0.74 kWh，單井日節約電量17.76 kWh，平均年可節約電費0.41 萬元，平均能耗對比見表2。

表2 平均能耗對比Tab.2 Comparison of average energy consumption

5.3 維護費對比

游梁式抽油機維護工作量包括加潤滑油、換皮帶、加盤根、更換中軸承、尾軸承、曲柄銷子等20 多種零部件，年換皮帶費用約2 000 元，年加盤根6～10 次，平均單井維護性費用按油田公司1 口井4 500 元計算，預計單井10 a 維護性費用4.5 萬元。

新型塔架式抽油機維護工作量包括加潤滑油、換皮帶、加盤根，皮帶質保期5 a 以上，更換皮帶費用0.7 萬元，年加盤根2～3 次，預計單井10 a 維護性費用1 萬元。

5.4 作業費對比

新型塔架式抽油機沖次為1～3 次/min，與抽油機平均沖次6 次/min 相比，抽油桿上下往復運動次數比抽油機減少一半以上，通常桿、管的壽命按照8 a 計算，為此，抽油機的桿、管按照10 a 內更換一半計算共節約5.5 萬元。檢泵周期依據A 油田2021 年水驅抽油機平均檢泵周期及塔架機平均檢泵周期計算由845 d 延長至1 356 d；檢泵費用包括勞務費及更換井下工具的材料費用。單次節省1.2 萬元，共節約5.5 萬元。按10 a 壽命計算，新型塔架式抽油機比抽油機單井年節約作業費用1.72 萬元。

5.5 總體經濟效益分析

按照十年使用壽命計算，新型塔架式抽油機與游梁式抽油機相比，年均可節約運行成本2.071萬元，差值投資回收期為1.97 a，10 a 運行總成本對比見表3。

表3 10 a 運行總成本對比Tab.3 Comparison of ten-year total operating costs

6 結論及認識

1）從標準井模擬試驗結果來看，新型塔架式抽油機在不同工況下均具有一定的節能效果，且在低負載工況下節能效果更佳。

2）相同地質條件及井況下，與改造前游梁式抽油機相比，新型塔架式抽油機系統效率由27.96%提高到35.31%，提高7.35 個百分點，有功單耗由1.04 kWh/100 m·t 下降到0.84 kWh/100 m·t，綜合節電率23.44%。

3）新型塔架式抽油機相比于游梁式抽油機年可節約運行成本2.071 萬元，差值投資回收期為1.97 a，經濟效益顯著。