新型抽油设备研发与推广应用的启示

2014-05-02王济新

石油工业技术监督 2014年4期

王济新

中国石油新疆油田分公司工程技术处（新疆克拉玛依 834000）

目前国内大多数油田采用机械方式开采原油。虽然国内近年来一些新的举升工艺和设备的研发（例如螺杆泵和往复电潜泵等）取得了长足进展，但有杆泵机械采油井仍然占到总采油井数的80%以上，各种类型的抽油机仍然是油田上机械采油的主要设备。20多年来，在抽油机的研发和推广方面，各种新型节能抽油机层出不穷，除了在常规抽油机基础上进行改良或提升智能化水平的游梁式节能抽油机外，立式抽油机的研发与推广成为十分热门的话题。但是从目前的情况看，真正在油田上得到大规模推广的新型抽油机种类并不多。国内节能型抽油设备的发展历程实际上是走过了许多弯路，并造成了大量的资金和人力物力的浪费。在抽油设备研发与推广中，有5个方面的问题值得生产厂家和油田用户考虑。

1 抽油设备设计与选型

对于所研发抽油设备的使用环境和运行工况进行认真的调研，是一种新设备设计初期都必须要做的事情。但在实践中，确实存在许多由于在研发初期没有认真做好调研而产生问题的实例。例如在稠油生产井上使用的游梁式抽油机，由于没有充分考虑蒸汽吞吐开采稠油井的载荷特点，或出于降低设备制造成本的考虑，设备动力和减速箱的配置偏低，出现过抽油机减速箱齿轮打齿成批损坏的情况。有的因设计的强度不够或加工制造工艺有问题而出现驴头与支架等部位开裂、游梁断裂等问题。还出现过抽油机的平衡重量配置不够，使抽油机长期处于过度的欠平衡运行状态的情况。这些问题虽然在后期都得到了解决，但也浪费了大量的资金和人力，严重影响了原油生产。因此，在新型抽油设备设计（用户在设备选型）的前期，要认真收集生产区块抽油机的实际载荷等现场资料，有针对性地进行设计和选型。

这一问题的另外一个方面，是油田用户和生产厂家都要关注设备的选型和运行问题。油田现场的人员要熟悉各种新型抽油机的结构特点和性能，正确选择和使用抽油机，避免因选型和使用不当造成的损坏。生产厂家要认真关注抽油设备在现场的选用和运行使用情况，收集相关资料，了解油田现场的使用条件是否超出了设备的能力（例如电机功率、减速箱扭矩和平衡重量的配置），避免因使用不当而造成不应有的设备损坏现象。

在蒸汽吞吐稠油井的设备选型中，认真处理好抽油机的悬点载荷、减速箱额定扭矩和电机功率3者之间的关系，以避免出现因设备能力配置不足造成设备损坏而影响油田生产的情况。行业标准[1]对抽油系统的设计提出具体做法和要求，标准[2-3]规定了抽油机电动机的技术要求，但这些标准对于抽油机用电动机特别是稠油井电动机的选择都没有具体的要求，建议加强这方面技术标准的制定工作。

2 抽油设备性能试验

2.1 抽油机的载荷试验

按照石油行业标准[4-5]的规定，新的抽油机在出厂前需要做载荷试验。对于新的抽油设备样机，厂家一般也参照这种做法进行台架运行试验，以验证设计方案的可行性。但这种做法的主要问题是，在厂内对抽油机所进行的悬重运行试验与油田现场油井实际的工况有很大差距。除了工作场合的自然环境有差距外，主要是厂内悬重试验的载荷特点与抽油机井的实际工况有很大的差距，这种一般性的厂内试验无法代替在油田现场的运行试验，不能真正检验设备的实际能力。

2.2 抽油机悬点载荷的基本特点

抽油机悬点载荷有3个基本的特点。一是上下冲程的载荷存在一定的差值。在稀油井上如果忽略摩擦载荷时，这个载荷差基本上等于深井抽油泵截面上的液柱载荷。在稠油井上，由于采出液的黏滞阻力很大，这种载荷差可能会达到很高的程度，这是抽油机载荷最大的和最基本的一个特点。二是悬点载荷有加载和减载的过程。由于抽油杆和油管在运行中发生弹性变形，在示功图上会出现一个明显的加载和减载的过程，泵挂越深，这一过程所占的时间就越长。三是存在一定的惯性载荷。由于运动中惯性力的影响，在上下冲程中都存在一定的惯性载荷，抽油机的冲次越高，惯性载荷就越大。

图1是一幅考虑了惯性载荷及管杆弹性变形的抽油机悬点载荷理论示功图。图中的横坐标是悬点位移，纵坐标是悬点载荷。虚线ABCD是没有考虑惯性载荷的静力示功图，图上有显著的载荷差（BC和AD之间的垂直距离）和加载与减载的过程（AB线和 CD 线），实线 A＇B＇C＇D＇是受到惯性载荷影响而产生一定角度扭转的理论示功图，上下冲程的载荷线有较大的波动。该理论示功图反映了抽油机悬点载荷的3个基本特点。

2.3 解决载荷试验存在问题的途径

生产厂家用金属重块进行的载荷试验则基本上不具备抽油机载荷的3个特点。同时，在厂内试验时可以将载荷的平衡度调整的很好，特别是采用对称平衡方式的立式抽油机更是如此，此时电机只需做少量的功就可以维持运转，这对于抽油机的电动机功率、减速箱扭矩的需求以及对设备各个系统的考验程度远不及油田现场。

图1 抽油井的理论示功图

如果没有能够较好地模拟抽油机井载荷的装置，在抽油机的工作原理和设计制造质量通过厂内试验的初步验证后，生产厂家应该尽快将样机投入油田现场进行载荷试验。在厂内进行半年甚至1年以上的运行试验实际上是不必要的。为减少试验期间对油田原油生产的影响，可以与用户协商，选择报废再利用的低产油井进行抽油机性能的验证试验。

3 抽油设备可靠性

3.1 抽油设备使用的自然环境

使用环境是任何设备研发者都要首先考虑的问题。目前，国内外大多数油田都位于自然环境和气候较差甚至十分恶劣的地方，机械采油设备作为一种长时间运行的户外设备，其使用的外部环境可以概括成几句话：“设备连续运行，野外无人值守，承受风沙雨雪，历经严冬酷暑”。

在节能抽油机的研发推广过程中，有的厂家由于对这种设备使用环境的严酷性认识不够，设备的性能指标（杆件强度、控制部分耐温性）偏低，造成设备研发的失败。

3.2 用户对设备可靠性的要求

使用采油设备的生产单位对设备的连续运行能力（即可靠性）要求较高，主要原因是“原油产量按计划生产，操作成本严格控制”。自然环境和用户的要求这2方面的因素就决定了用于现场的采油设备必须满足以下要求：“高度可靠、操作方便、安全性好、适应性强、维护费低、节能降耗”。

在这里，“高度可靠”是对抽油设备最重要的要求。在节能抽油机的研发推广中，一些机型投入使用后不久就退出了油田，出现“昙花一现”的现象，其主要原因就是故障率偏高，可靠性差，运行时率低，不能满足油田现场对抽油设备可靠性的要求。

3.3 节能与可靠性的关系

在新型抽油机的推广过程中，“节能效果好”一直是一个亮点，也是生产厂家经常拿来宣传其产品的主要“噱头”。但经过多年的现场实践，人们已经普遍认识到“可靠性”才是对抽油设备最重要的要求，没有高度的可靠性节能就无从谈起。这是由于生产原油的价值远高于节约的电费。用实例来说明该问题。使用节能设备节约电量折合费用为

式中：A为节约电费折价，元；Mdy为吨液耗电，kW·h/t；δ为有功节电率，%；DP为电费价格，元/kW·h。

由于故障影响产油量的折价为

式中：B为影响产量折价,元；Q为日产液量，t/d；Ψ 为原油含水率，%；OP为原油价格，元/t。

某油田的吨液耗电为20kW·h/t，油井产液量4t/d，含水75%，使用节能设备的有功节电率为50%（一般达不到这样的效果），电费为0.7元/kW·h，原油价格为3 000元/t，用公式（1）计算出每天节约电量折价为28.0元，若因故障停机1天，按（2）计算的原油价值为3 000元，2者相比，需要约107天的节电效果才能弥补这一损失。由此可见，如果故障率偏高，则抽油机节电所产生的效益会远低于损失产量的价值。因此，设备制造厂家应将抽油设备的可靠性放在第一位，真正下大力气努力提高抽油设备的可靠性，这是节能抽油设备能够持续发展的根本所在。

4 抽油设备的辅助功能

4.1 辅助功能的内容

抽油机作为油田上一种最常见的采油设备，其主要功能是通过悬点的往复运动举升抽油杆柱，带动抽油泵完成抽油生产过程。与此同时，为了满足正常的生产管理、安全运行和设备维护等方面的需要，抽油机还需要具备便于实施各种操作的辅助性功能。这些操作包括悬点对中、悬点载荷的卸载与挂载、给修井设备作业让位、平衡调节、参数调整以及配合油井测试，等等。新的抽油设备要在设备运行高度可靠的基础上，同时具备完善的各项辅助功能，才能成为生命力强大、深受用户欢迎的设备。常规游梁式抽油机经过百余年的发展，各种辅助功能比较健全，油田现场也非常熟悉这些辅助功能的使用，这也是游梁式抽油机能够长盛不衰的一个重要原因。

4.2 辅助功能不足所产生的问题

新型抽油设备在研发过程中，发生过某些辅助功能不够健全的问题，这在立式抽油机上表现的比较突出。立式抽油机由于其特殊的结构和运行控制的机理，冲程、冲次等参数的调节和平衡调整比较方便，受到油田现场的普遍欢迎。但某些机型在作业让位、依靠自身动力实施卸载与挂载以及配合测试等方面费时费力，操作比较困难。这些问题增加了设备使用的难度，严重影响了油田现场使用这种抽油机的积极性，成为妨碍新机型试验和推广的一个重要原因。因此，抽油设备生产厂家应该加强对新型抽油机各种辅助功能的研究，并在油田现场的反复试验中不断完善这些功能。在相关的技术标准[4-5]中应逐步完善这方面的要求。

5 抽油新设备的售后技术服务

生产厂家良好的售后服务是新设备试用和推广过程中的必备条件。因为是新设备，用户了解不够，在使用和维护方面有一定困难，厂家必须提供好的技术服务，在这一点上厂家和用户都已经达成了共识。近年来，随着电子技术的快速发展，在抽油设备的控制系统中采用了较多的自动化技术，使设备的操作和使用更加方便，但这些方面正是油田现场维护的难点，厂家必须提供较好的服务才能保证设备的试验和正常使用。

实现技术服务的本地化是新设备成功推广的一个重要因素。例如近年来发展较快的立式抽油机具有参数调整十分简便的特点，但这种简便是由于采用了变频及智能控制等比较先进的技术，其控制系统与常规游梁式抽油机相比要复杂许多，维护的难度较大，一般需要厂家的专业人员负责维护。在油田现场发现，一些新型立式抽油机试验时的运行时率远低于正常运行的游梁式抽油机，对油井生产造成不良影响，因而成为阻碍新设备推广的主要因素之一。如果能通过提高控制系统标准化、模块化设计水平，并在售后服务方面建立完善的质量管理体系，加强对现场维护人员的培训或通过代理方式实现设备维护工作的本地化，无疑能够推动新设备的大面积推广。