陳昌龍，李東海

（吐哈油田公司a.吐魯番采油廠；b.機(jī)械廠，新疆鄯善 838202）＊

目前，國內(nèi)油田處于開發(fā)中后期，油田含水不斷增加，造成原油的開采能耗增加。另外，新疆油田、勝利油田和遼河油田普遍存在井深和稠油的問題，使開采難度增加，要求采油設(shè)備能滿足深抽、大排量提液、沖次調(diào)節(jié)范圍寬、節(jié)能以及間抽等工藝要求，現(xiàn)有的游梁式抽油機(jī)不能完全滿足該要求。為滿足油田中后期開發(fā)的需要，已研制出多種立式抽油機(jī)。本文以4種典型的立式抽油機(jī)為例，分析了其結(jié)構(gòu)和性能及在新疆3個油田的使用情況。

1 立式抽油機(jī)技術(shù)綜述

立式抽油機(jī)為塔架式結(jié)構(gòu)，占地面積小，高度高。目前使用較多的立式抽油機(jī)主要以鏈條抽油機(jī)、ROTAFLEX 長沖程寬帶抽油機(jī)、直線電機(jī)式抽油機(jī)機(jī)、摩擦換向式抽油機(jī)4種為主。其余的立式抽油機(jī)均是這幾種抽油機(jī)的改進(jìn)型。

1.1 鏈條抽油機(jī)

勝利油田從1966年就開始了LCJ1250型鏈條抽油機(jī)的研究工作，至今已在勝利、遼河等油田推廣應(yīng)用1800多臺，是國內(nèi)除游梁式抽油機(jī)外在用數(shù)量較多的主力機(jī)型［1］。在東部油田中的高含水期開采和稠油開采井中發(fā)揮了重要作用，有效地解決了稠油、高凝油開采和低滲透油藏深抽的技術(shù)難題。

早期鏈條抽油機(jī)是采用軌跡鏈條換向機(jī)構(gòu)把動力機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成往復(fù)運(yùn)動。采用氣動平衡系統(tǒng)，在下沖程中壓縮平衡氣缸內(nèi)的氣體來儲存能量，上沖程中氣體膨脹推動柱塞幫助抽油。其結(jié)構(gòu)如圖1［2］。

圖1 LCJ型鏈條抽油機(jī)結(jié)構(gòu)（氣平衡）

鏈條抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)比游梁式抽油機(jī)的復(fù)雜，現(xiàn)場維護(hù)工作難度較大。隨著該機(jī)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，存在的問題也日益突出。

1）換向機(jī)構(gòu)受力不合理，往返架存在垂直于軌跡鏈條傳動平面的側(cè)彎力矩。

2）氣動平衡系統(tǒng)故障率較高，潤滑油泄漏和砂粒易拉傷柱塞，造成平衡氣缸早期損壞。

3）鋼絲繩使用壽命短，鋼絲繩使用壽命平均只有3～6個月。

20世紀(jì)90年代，勝利、遼河等油田針對氣平衡鏈條抽油機(jī)存在的問題進(jìn)行了一系列的技術(shù)改造，例如氣平衡改為配重平衡，調(diào)整、加固導(dǎo)軌和導(dǎo)向滾輪和改進(jìn)失載保護(hù)裝置等，使鏈條抽油機(jī)的可靠性得到明顯的提高。對新式鏈條抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)的可靠性、現(xiàn)場使用的方便性得到明顯提高。改進(jìn)后的鏈條抽油機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 改進(jìn)的鏈條抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 ROTAFLEX長沖程寬帶抽油機(jī)

ROTAFLEX 長沖程寬帶抽油機(jī)由美國WEATERFORD 公司在鏈條式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上研制而成，采用鏈條＋寬皮帶傳動，配重對稱平衡。抽油機(jī)系統(tǒng)效率達(dá)到81.2%，比常規(guī)游梁式抽油機(jī)節(jié)能25%。勝利高原公司引進(jìn)了該技術(shù)，并結(jié)合其他類型抽油機(jī)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化，取得較廣泛的應(yīng)用。勝利、大港、遼河等油田有5000多臺皮帶抽油機(jī)在現(xiàn)場應(yīng)用。

寬帶式抽油機(jī)為塔架結(jié)構(gòu)，塔架內(nèi)垂直布置鏈傳動機(jī)構(gòu)，軌跡鏈條掛在上下鏈輪上，在下鏈輪的驅(qū)動下作長環(huán)形運(yùn)動，結(jié)構(gòu)如圖3。曲拐軸的頭部實(shí)際上充當(dāng)著軌跡鏈條的一個特殊鏈節(jié)，當(dāng)曲拐軸隨軌跡鏈條的直線部分上行時，曲拐軸帶動滾輪架，滾輪架帶動換向架沿著抽油機(jī)塔梁H 鋼內(nèi)壁作上下往復(fù)運(yùn)動。這樣就把鏈輪的圓周運(yùn)動變成往返架的直線運(yùn)動。塔架的頂部有一個滾筒，上面搭著承載皮帶，該皮帶的一端與平衡箱、往返架總成連接；另一端連接懸繩器，滾筒相當(dāng)于一個定滑輪，這樣就把往返架的直線往返運(yùn)動變成了懸繩器的直線往返運(yùn)動。

圖3 寬帶抽油機(jī)換向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

寬帶式抽油機(jī)與鏈條抽油機(jī)都采用鏈條傳動＋特殊鏈節(jié)換向機(jī)構(gòu)，換向系統(tǒng)原理實(shí)際上完全相同，即都是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖4。只是在特殊鏈節(jié)、主軸銷、換向架、滾輪架部件的具體結(jié)構(gòu)上各不相同。

圖4 鏈條抽油機(jī)曲柄滑塊換向機(jī)構(gòu)原理

1.3 摩擦換向式抽油機(jī)

摩擦換向式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5。其工作原理是：以交流變頻電機(jī)＋交流變頻控制為動力源，經(jīng)過齒輪減速器減速后驅(qū)動摩擦輪，摩擦輪上布置有驅(qū)動懸繩，一端通過懸繩器與光桿連接，另一端與配重箱連接，在摩擦力作用下摩擦輪克服懸繩兩端載荷差扭矩，帶動懸繩往返運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的上下運(yùn)動。

圖5 摩擦式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

控制變頻電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)沖次的控制和調(diào)節(jié)。通過改變上下接近開關(guān)的位置，就可調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖程。通過增減配重箱質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)，如圖6［3］。

圖6 摩擦式抽油機(jī)原理

摩擦式抽油機(jī)傳動鏈短，功率損失小，系統(tǒng)效率80%，節(jié)能；調(diào)參（沖程、沖次）方便；電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。已經(jīng)在大慶、遼河、勝利、新疆等油田推廣近1000臺。

1.4 直線電機(jī)抽油機(jī)

直線電機(jī)抽油機(jī)采用直線電機(jī)作為驅(qū)動源，直線電機(jī)動子在通入變頻控制器輸出的低頻電流后，沿導(dǎo)軌上下往復(fù)運(yùn)動，并通過鋼絲繩寬帶經(jīng)過承載桁架的頂部轉(zhuǎn)向輪后直接與抽油桿連接，并帶動抽油桿達(dá)到往復(fù)抽吸目的。結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 直線電機(jī)式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)抽油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是解決了直線電機(jī)大推力的難題，抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷80～200kN，沖程3～8m，電機(jī)推力20～60kN。

直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動的機(jī)械能，取消中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，提高了傳動效率。經(jīng)現(xiàn)場檢測，該抽油機(jī)功率因數(shù)高達(dá)0.996。但抽油機(jī)造價極高，僅在塔里木油田少量應(yīng)用。

1.5 其他立式抽油機(jī)

在上述4種主流立式抽油機(jī)的基礎(chǔ)上，通過變換換向、驅(qū)動方式又產(chǎn)生多種變形機(jī)。例如雙鏈條抽油機(jī)（如圖8）、長環(huán)形齒條抽油機(jī)、復(fù)式永磁電動機(jī)抽油機(jī)，塔架式抽油機(jī)、數(shù)控絞盤式抽油機(jī)、曳引式抽油機(jī)等。

圖8 雙鏈條式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

2 立式抽油機(jī)對比分析

現(xiàn)有立式抽油機(jī)主要在換向方式、平衡方式、電機(jī)類型、驅(qū)動方式上進(jìn)行一系列的變形和優(yōu)化，造成各種類型的立式抽油機(jī)在傳動效率、懸點(diǎn)特性上有所不同，以下將從這幾個方面進(jìn)行對比分析。

2.1 換向方式及機(jī)構(gòu)

現(xiàn)有立式抽油機(jī)的換向方式主要有機(jī)械換向、電機(jī)換向以及液壓換向3種。

2.1.1 機(jī)械換向

機(jī)械換向主要是以鏈傳動＋特殊鏈節(jié)換向方式為主。其中，鏈條抽油機(jī)機(jī)、勝利高原公司的寬皮帶抽油機(jī)采用單鏈傳動機(jī)構(gòu)（如圖2～3）；吉林油田機(jī)械廠、新疆油田總機(jī)廠、新疆第三機(jī)床廠鏈條機(jī)采用雙鏈條傳動（如圖8）。此外，還有勝利盛運(yùn)公司研制的長環(huán)形齒條抽油機(jī)，采用環(huán)形齒輪齒條機(jī)構(gòu)代替鏈傳動機(jī)構(gòu)。

雙鏈條傳動路線是：電機(jī)與聯(lián)軸器帶動2個減速器輸入軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)，2個減速器輸出軸通過安裝在上面的鏈輪分別帶動兩側(cè)傳動鏈條運(yùn)動，通過跨接在兩傳動鏈上特殊鏈節(jié)中心軸帶動換向架驅(qū)動配重箱與懸繩上下運(yùn)動。平衡箱牽引系統(tǒng)由單鏈條機(jī)的懸臂梁結(jié)構(gòu)改為簡支梁結(jié)構(gòu)，改善了傳動系統(tǒng)核心部件——換向架主軸與特殊鏈節(jié)的受力狀況，延長其使用壽命。平衡箱運(yùn)行過程的平穩(wěn)性也得到很大程度的提高。

2.1.2 電機(jī)換向及電機(jī)類型

電機(jī)換向有旋轉(zhuǎn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和直線電機(jī)2種。采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)換向取代機(jī)械換向，簡化了機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)。電機(jī)可以是普通Y 系列異步電機(jī)、永磁電機(jī)、變頻電機(jī)及開關(guān)磁阻電機(jī)。抽油機(jī)專用變頻器的性能和可靠性有了很大的提高，價格顯著降低，推動了電機(jī)換向立式抽油機(jī)的發(fā)展。開關(guān)磁阻電機(jī)（SRD）及其控制技術(shù)在大功率電機(jī)上性能日益完善，推動摩擦式抽油機(jī)的研制。復(fù)式永磁電動機(jī)是新型雙盤面電機(jī)與外轉(zhuǎn)子電動機(jī)復(fù)合的三維永磁電機(jī)，結(jié)合了變極變頻、永磁材料、盤面電動機(jī)、外轉(zhuǎn)子電動機(jī)各方面的優(yōu)勢，具有大扭矩、低速、效率高、功率因數(shù)高、噪音小、壽命長等良好性能。貴州林泉公司研制的復(fù)式永磁電機(jī)抽油機(jī)得到成功的應(yīng)用，但電機(jī)及控制系統(tǒng)的制造成本較高。

2.2 平衡方式

立式抽油機(jī)的平衡方式主要有氣動平衡、配重重力平衡。采用配重平衡其平衡效果好、調(diào)平衡也方便，是目前主要的平衡方式。

2.3 驅(qū)動方式

立式抽油機(jī)的驅(qū)動輪主要有摩擦輪驅(qū)動、滾筒驅(qū)動、天輪傳動3種，配合的柔性件有鋼絲繩、寬皮帶、鋼絲繩寬帶等。因此，驅(qū)動輪和柔性件可以組成不同的驅(qū)動方式。

摩擦式抽油機(jī)采用摩擦輪＋鋼絲繩（或?qū)捚В?qū)動，復(fù)式永磁電機(jī)式抽油機(jī)將電機(jī)和摩擦輪做成一體，也是摩擦輪＋寬皮帶驅(qū)動；北京成群公司的塔架式抽油機(jī)采取滾筒＋鋼絲繩驅(qū)動方式、鏈條抽油機(jī)采用天輪＋鋼絲繩驅(qū)動方式；勝利高原公司的寬皮帶抽油機(jī)采用天輪＋寬皮帶驅(qū)動方式、直線電機(jī)抽油機(jī)采用天輪＋鋼絲繩寬帶驅(qū)動方式；勝利順天公司的數(shù)控絞盤抽油機(jī)采取組合驅(qū)動方式，摩擦輪＋寬皮帶作為主驅(qū)動方式，滾筒＋鋼絲繩作為防皮帶滑動和失載的輔助驅(qū)動方式；河南濮陽信宇公司研制的曳引式抽油機(jī)采用鋼絲繩、滾筒驅(qū)動，滾筒上增加曳引槽增加摩擦力。

2.4 懸點(diǎn)特性對比

常規(guī)抽油機(jī)、鏈條（寬皮帶）抽油機(jī)、直線電機(jī)抽油機(jī)以及摩擦換向式抽油機(jī)的懸點(diǎn)速度、加速度曲線分別如圖9～11［4］。

圖9 常規(guī)游梁式抽油機(jī)和直線電機(jī)抽油機(jī)懸點(diǎn)速度曲線

圖10 鏈條（寬皮帶）抽油機(jī)懸點(diǎn)速度、加速度曲線

圖11 摩擦換向式抽油機(jī)懸點(diǎn)位移、速度、加速度曲線

由圖9～11可以得出：立式抽油機(jī)懸點(diǎn)速度、加速度明顯平緩，具有換向區(qū)域接近勻加速、上行和下行中勻速的特點(diǎn)，明顯降低抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)尤其是換向過程的慣性載荷，減少慣性載荷對抽油機(jī)、桿、泵的不良影響［4］。

3 立式抽油機(jī)在新疆各油田的應(yīng)用對比

新疆油田下屬的采油一廠、二廠、百口泉、彩南、風(fēng)城、陸梁、石西、準(zhǔn)東各采油廠從1990年陸續(xù)開始各種立式抽油機(jī)的礦場試驗(yàn)，摩擦式抽油機(jī)、寬皮帶抽油機(jī)2種立式抽油機(jī)取得較好的應(yīng)用效果。2010年起，新疆油田正式在油田內(nèi)部成區(qū)域進(jìn)行這2種立式抽油機(jī)的批量推廣應(yīng)用。

在塔里木油田，主要開展摩擦式抽油機(jī)、直線電機(jī)抽油機(jī)2種立式抽油機(jī)的推廣應(yīng)用。2008年，20型直線電機(jī)抽油機(jī)創(chuàng)下了當(dāng)時抽油機(jī)采油下泵深度4600m的記錄。

2004—2006年，吐哈油田進(jìn)行了8臺摩擦式抽油機(jī)的試驗(yàn)，其中吐魯番采油廠4臺CYJMZ16－7.3－53DB型，鄯善、溫米采油廠各2臺CYJMZ14－7.3－53DB型。因油井產(chǎn)量低，目前5臺停用；因電氣故障維修服務(wù)跟不上無法修復(fù)、大修作業(yè)需要整機(jī)拆除的問題，其余3臺已經(jīng)拆除。經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，摩擦式抽油機(jī)節(jié)能50%以上，電機(jī)的功率因數(shù)達(dá)到0.75以上，甚至達(dá)到1.0，機(jī)械部分、變頻控制部分的可靠性較高，能夠滿足吐哈油田惡劣環(huán)境的要求。

2011年，吐哈油田在魯克沁采油廠的超深井稠油開采上試驗(yàn)了宇隆公司制造的16型W 曳引式抽油機(jī)和河南長江公司的WCYJK16－8－53Z型塔架抽油機(jī)。經(jīng)過近1a的礦場試驗(yàn)，節(jié)能顯著，抽油機(jī)抽汲參數(shù)能夠滿足吐哈稠油開采的要求，但可靠性較低。

4種立式抽油機(jī)在新疆各油田使用情況及對比如表1～2。由表2知，立式抽油機(jī)具有2個優(yōu)點(diǎn)：傳動效率高，達(dá)到80%以上；節(jié)能顯著，最高達(dá)到50%。

表1 立式抽油機(jī)在新疆各油田使用情況

表2 4種立式抽油機(jī)應(yīng)用對比

4 結(jié)論

1）立式抽油機(jī)較游梁式抽油機(jī)具有節(jié)能、材料消耗低、運(yùn)行平穩(wěn)、沖程大、調(diào)參方便、智能控制的優(yōu)點(diǎn)，隨著抽油機(jī)變頻控制技術(shù)的不斷完善，必然會有更大的發(fā)展前景。

2）鏈條抽油機(jī)、寬皮帶抽油機(jī)、摩擦式抽油機(jī)經(jīng)過現(xiàn)場十幾年、甚至幾十年的推廣應(yīng)用，并經(jīng)過不斷的改進(jìn)完善，目前已經(jīng)具備了在新疆各油田區(qū)塊推廣的條件，對解決稠油開采，實(shí)現(xiàn)超深井、長沖程、低沖次抽汲參數(shù)具有很重要的意義。

3）復(fù)式永磁電機(jī)抽油機(jī)、直線電機(jī)抽油機(jī)在技術(shù)上還不完善，制造成本還較高，仍然需要更長時間的現(xiàn)場驗(yàn)證和完善。

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