油田抽油机的节能措施与选型方法探讨

田彦瑞

（中国石化股份华北分公司，河南 郑州 450006）

引言

在油田采油生产过程中，抽油机是常用的地面举升设备。从结构上，按照有无游梁，抽油机主要分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机两大类，当前游梁式抽油机的使用量仍占绝大多数。近年来，随着油气开采的不断深入，特低渗透、超低渗透油田不断投入开发，为保证开发的经济效益，需要不断提高油田的采收率，控制前期投资成本，节能降耗，推进低成本开发战略；再者，当前我国大力提倡节能减排和可持续发展，对油田的主要设备抽油机的性能及能耗状况都提出了更高的要求。本文总结了近年国内不同类型抽油机节能措施的研究进展，为油田抽油机的选型提供一些借鉴。

1 游梁式抽油机的节能措施

游梁式抽油机具有结构简单、可靠性强、技术成熟、适应性强、维护成本低等优点，在世界范围内有着广泛的应用。但其也存在明显的缺点，主要表现为：能耗高、效率低、笨重、占地面积大等，对于稠油井或含气井等需要长冲程、低冲次的需求，一般难以满足。

1.1 高能耗的原因

游梁式抽油机的耗电量约占油田总耗电量的40%，高耗能的原因主要有以下几点：

1）悬点载荷为周期性变载荷，而普通三相异步电机输出的转速和扭矩一般不变，为了满足抽油机的峰值扭矩，不得不配用大功率电机，以致在大多数情况下，电机处于轻载状态，一般负载率为30%左右。

2）在运行过程中，曲柄的角度是变化的，不用角度的平衡效果也不同，当相位角大于90°时，电机处于发电状态，平衡效果越差，发电越多。但从电动机的工作原理来看，电动和发电的转换过程中电动机正好处在效率最低段，整个过程中能量转换的效率特别低。

3）游梁抽油机中抽油杆一般很长，有的能达到1 000m 以上，运行时抽油杆易发生弹性形变，尤其是在换向过程中，这就造成抽油杆和抽油泵中活塞的运动状态产生差别，造成抽油泵的充满系数降低，从而降低整个抽油机的效率［1］。

1.2 节能措施

游梁式抽油机的节能措施非常多，包括改进结构、改变平衡方式、采用节能电机和节能传动元件等［2］。在实际应用中，往往要综合运用多种节能措施，达到节能降耗的目的。

改进抽油机的结构，就是对四杆结构进行优化设计，从而改变曲柄轴净扭矩曲线，减少负扭矩，使扭矩波动变得平缓，减小周期载荷系数，进而提高电动机的工作效率。目前主要有双驴头抽油机、偏轮游梁抽油机、异相曲柄平衡抽油机、摆杆式游梁抽油机、天平式游梁抽油机等。

节能电机是采用高转差电动机，转差率能达到8%～13%，代替普通电机，实现不同状态下电机运行功率不同，从而提高电机的效率。在国内，采用高转差率电动机的有功节电率为10.56%，综合节电率为17.42%。采用永磁同步电动机，其效率和功率因数都高于三相异步电机，例如：TYC250M－6 型电机，功率37kW，功率因素0.983，额定电流60.6A，堵转电流12.7倍，堵转力矩3.69倍。

在抽油机上安装节能电控装置，也能达到节能降耗的效果。目前应用比较广泛的主要有三种：继电接触器，使用后，抽油机启动时，定子绕组接成三角形，能够输出大的转矩，正常工作时，接成三角形－星形混和绕组，降低相电压和功率；变频调速器，可以根据油井出液量来自动调节电动机转速，从而调整功率，达到节能目的；采用间抽控制器，能够避免空抽的发生。

2 无游梁式抽油机的节能措施

随着低渗透油田和稠油井的开采需要，长冲程、低冲次的无游梁抽油机近年得到了快速发展。塔架式无游梁抽油机的研制成功，标志着抽油机的设计原理发生了质的变化，其适应性、经济性、可靠性和先进性都达到了新的高度。

2.1 塔架式抽油机的结构

塔架式抽油机的主要组成包括：电机架、转动系统、工作机构、辅助机构等4部分。采用双循环链条，由联体减速机驱动，主悬梁分布在双循环链条中间与换相机并联，由换向机构将各链条串并联，从而实现换向功能。循环链条的循环运动经此换向机构变为主悬绳的上、下往复运动。工作时，电动机带动齿轮减速器，减速后带动主动链轮作连续定向转动、主动链轮带动封闭链轮和循环轴循环运行，循环轴的上下分别连接着两条钢丝绳：一条通过天轮与光杆上的悬绳器相连，另一条通过地轮和小天轮与平衡箱相连，循环轴上下循环运动的同时带动抽油杆上下往返运动，从而将原油抽出。

2.2 塔架式抽油机的节能原理

从结构上，塔架式抽油机摒弃了离心式回转平衡的方法，用全新的电机换向、天平式的平衡方法，采用简单的绳轮传动取代了四连杆机构传动，使得电机、传动装置、导向轮等都做往复直线运动，大大缩短了传动线路，减少能量损耗，使抽油机的机械效率显示提高，达到85%～95%。

相比游梁式抽油机的三相异步电机，塔架式抽油机采用的永磁同步低速制动电机，能够实现柔性启动加速、减速以及超低速运行，能够有效避免抽油机在启动、换向、砂卡及蜡卡时受到的机械冲击，从而提升电机的功率因素，实现节能降耗。同时，塔架式抽油机减速箱输出轴扭矩曲线更平缓，扭矩峰值与等值扭矩较小，使装配电动机功率变小，且抽油机受力状况得到了改善，这些都有助于降低能耗和延长抽油机的使用寿命［3］。

塔架式抽油机的机身简练和配套的辅助设备也少，占地面积较同型的游梁式抽油机能够节省65%，例如：游梁式抽油机有12个注油点，而塔架式只有6个，自身体积和质量的减少，也能促进能耗的降低。同时，目前塔架式抽油机的最大冲程达到了7m，最小冲次能够小于0.5次／min，冲程和冲次的调节实现了无级调节，对于需要长冲程、低冲次的低渗透油田，塔架式抽油机的节能效果更为明显。

3 选型方法

游梁式抽油机尽管能耗较高、效率较低，但经过多方面的改进，其效率也有一定程度的提高，另外其数量庞大、结构简单、技术成熟、维修成本低，所以游梁式抽油机在目前还占绝对统治地位。塔架式抽油机结构先进，具有非常广阔的发展前景。但新的无游梁式抽油机，普遍可靠度不高、标准规格参差不齐、维修比较麻烦。其中，塔架式抽油机是为数不多的已经在一定范围内应用效果较好的无游梁抽油机，尽管有各种优势，但也存在机构较为复杂，挠性构件较多，易磨损精密元件多等问题，使得一些关键零部件故障率较高，维修也较为困难，运行维护成本较高。

鉴于不同抽油机各具有优劣势，在选型时要首先考虑满足油田需求，以中国石化股份华北分公司下属油田为例，其下属的6个油田、近1 300口井，大多属于特低渗透、超低渗透油井，产量递减速度比较快，这就要求抽油机具有长冲程、低冲次的特点，塔架式抽油机能够较好的满足这一需要；再者选型时还要考虑后续的运行维护成本，考虑到经济性、可靠性和使用寿命，节能是一个很重要的指标，因此，在满足冲程、冲次和悬点载荷要求的条件下，也要考虑使用寿命长、可靠性高、维修成本低的游梁式抽油机。

安全系数的确定。过去，在确定悬点载荷时，基于安全考虑，将安全系数定为1.3，也就是抽油机的额定载荷为预测载荷的1.3倍。对于低渗透油田，在生产过程中，水相的渗透率缓慢上升，而油相渗透率快速下降，总的产液量并不随开发时间的延长而增大，或者增幅较小，这样开采初期的产液量最高。选1.3的安全系数，就造成抽油机“大马拉小车”的情况。因为产液量不随开发时间的延长而增大，可以将安全系数降为1.1，即P＝1.1Pmax，在开发初期抽油机能够充分发挥，后期也不会出现满载，能有效提高其负载率，降低能耗。

4 结语

随着抽油机的迅速发展，每年都有新型改进的抽油机诞生，抽油机不断地朝着低能耗、长冲程、大载荷、精确平衡、自动化和智能化方向发展。但每种抽油机都有自身的优点与不足，所以在油田抽油机选型时，要在满足油田需求的前提下，尽可能兼顾节能性和可靠性，以综合经济性来选择适合不同油田的抽油机，对于低渗透油田，可按P＝1.1Pmax来选型。

［1］方仁杰，朱维兵.抽油机历史现状与发展趋势分析［J］.钻采工艺，2011（2）：60－63.

［2］冯成宝.油田抽油机的现状及节能方式综述［J］.内蒙古石油化工，2008（24）：31－33.

［3］张喜顺，吴晓东，周朝.塔架式数控抽油机运动学及动力学特性分析［J］.石油矿场机械，2012（8）：63－65.