張學(xué)魯 王濟(jì)新（中國(guó)石油天然氣股份公司新疆油田分公司）

新疆克拉瑪依油田是新中國(guó)成立后開發(fā)的第一個(gè)大油田，2002年的年產(chǎn)量達(dá)到1000×104t，目前排名中國(guó)陸上油田第四位。截至2011年底，已為國(guó)家累計(jì)生產(chǎn)原油近3×108t。油田原油開發(fā)初期以自噴生產(chǎn)為主，上世紀(jì)80年代初期逐漸進(jìn)入機(jī)械采油階段，常規(guī)游梁式抽油機(jī)是主要的采油設(shè)備。截至1998年底，抽油機(jī)井?dāng)?shù)達(dá)到8393口，占油田生產(chǎn)井?dāng)?shù)的92.7%。隨著常規(guī)游梁式抽油機(jī)使用年代的增加，安全性差、能耗高、管理難度大等問題逐步顯現(xiàn)。1990年前后，油田上試用了幾種節(jié)能抽油機(jī)，由于不適應(yīng)油田惡劣環(huán)境、故障太多而逐步報(bào)廢，這為實(shí)施抽油機(jī)的再制造提供了前提。90年代末，新疆油田與新疆第三機(jī)床廠合作，從改造報(bào)廢的14型氣平衡抽油機(jī)開始了再制造研究。從1999年至2011年，將在抽油機(jī)再制造技術(shù)研究中形成的新技術(shù)用于廢舊抽油機(jī)的再制造，生產(chǎn)出性能高于原機(jī)的抽油機(jī)再制造產(chǎn)品。

1 抽油機(jī)再制造的基礎(chǔ)

1.1 抽油機(jī)的工作原理

常規(guī)游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖1，其工作原理是，減速機(jī)構(gòu)（皮帶和減速箱）將電動(dòng)機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)減速為曲柄的低速運(yùn)轉(zhuǎn)，再由曲柄、游梁、連桿和支架構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu)將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成為驢頭的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再通過懸繩器、光桿和抽油桿帶動(dòng)井下的抽油泵工作，將井下的原油舉升到地面。可以看出，抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但能量和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)較多。

圖1 常規(guī)型抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 老舊抽油機(jī)再制造的物質(zhì)基礎(chǔ)

抽油機(jī)的工作環(huán)境一般都比較惡劣，在風(fēng)沙雪雨和高溫嚴(yán)寒下運(yùn)行；抽油機(jī)各個(gè)部件在運(yùn)行中還要承受頻率很高的交變載荷。例如，當(dāng)抽油機(jī)沖速為6min-1時(shí)，24h驢頭就要上下往復(fù)8640次。這就使得抽油機(jī)的傳動(dòng)皮帶、曲柄銷子、懸繩器等成為容易出現(xiàn)故障的易損件；其他部件如底座、支架、游梁、驢頭、控制箱等，因受力集中或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等問題，在焊接或應(yīng)力集中的部位有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)開裂等故障。但就抽油機(jī)的主體部分來說，大多數(shù)老舊抽油機(jī)都有再利用價(jià)值，這是實(shí)施抽油機(jī)再制造的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.3 對(duì)抽油機(jī)不能做強(qiáng)制報(bào)廢處理

石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]中規(guī)定，“到報(bào)廢為止，游梁式抽油機(jī)的總使用時(shí)間不少于15年”。雖然有此規(guī)定，但油田上并沒有按照15年的使用年限進(jìn)行強(qiáng)制性報(bào)廢，而是通過大修理等措施延長(zhǎng)抽油機(jī)的使用年限。其原因是：抽油機(jī)用于原油開采，并非是與人身接觸密切的設(shè)備；油田上抽油機(jī)數(shù)量眾多，定期報(bào)廢需要大量資金，使原油生產(chǎn)的成本大幅上升。

1.4 再制造理念是抽油機(jī)再制造的理論依據(jù)

再制造工程起源于二次世界大戰(zhàn)，在上世紀(jì)90年代末引入我國(guó)，目前已在機(jī)械設(shè)備再制造方面取得了顯著成績(jī)[2]。在油田抽油機(jī)的維修上，以往只是簡(jiǎn)單地更換易損件，恢復(fù)原有的使用功能，但未提高其性能。新疆油田首次在國(guó)內(nèi)將再制造的相關(guān)理論用于抽油機(jī)的再制造，取得重要成果。

2 抽油機(jī)再制造技術(shù)研究與試驗(yàn)

2.1 抽油機(jī)再制造理論研究

在抽油機(jī)再制造實(shí)踐中，首先在理論方面開展了相關(guān)研究并取得突破。游梁式抽油機(jī)在運(yùn)行中的最大特點(diǎn)是上下行載荷變化很大，抽油機(jī)載荷的平衡情況與能耗的高低有正相關(guān)的關(guān)系。在這方面提出了以下理論觀點(diǎn)：

1）下偏杠鈴平衡方式遵守5條曲線平衡理論[3]。該項(xiàng)理論分析了下偏杠鈴抽油機(jī)設(shè)計(jì)的幾種方案，為下偏杠鈴平衡體所處相位的平衡效果分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2）游梁式抽油機(jī)利用四連桿機(jī)構(gòu)將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成驢頭的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這一過程中要消耗一定的功，這就是換向功。據(jù)分析，抽油機(jī)的曲柄半徑與連桿長(zhǎng)度之比對(duì)換向功的影響較大，比值越小，則換向功越低，節(jié)能效果越好，這就為抽油機(jī)再制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3）懸點(diǎn)載荷的1/2液柱平衡原則表明，在不考慮附加載荷的情況下，平衡重所產(chǎn)生的平衡效果，除了與抽油桿質(zhì)量抵消外，應(yīng)等于1/2液柱的載荷，這一原則為平衡質(zhì)量的分配提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

4）抽油機(jī)再制造分為三個(gè)層次：恢復(fù)型再制造，通過維修和更換零部件使原設(shè)備恢復(fù)使用，抽油機(jī)的大修理屬于這種類型；改進(jìn)型再制造，在保持原結(jié)構(gòu)尺寸下，提高零部件的性能，獲得更好的技術(shù)、安全和操作性，一般性技術(shù)改造屬于這種類型；創(chuàng)造型再制造，通過結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、表面處理、制造工藝和零部件創(chuàng)新，整體提升設(shè)備的技術(shù)、安全、操作和遠(yuǎn)程監(jiān)控性能。針對(duì)抽油機(jī)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，提升了抽油機(jī)的整體性能，屬于創(chuàng)造型再制造。

2.2 抽油機(jī)再制造技術(shù)研究

2.2.1 偏置懸掛型抽油機(jī)

1990年前后，新疆油田試用了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)看好的一種節(jié)能新機(jī)型——?dú)馄胶獬橛蜋C(jī)。這種抽油機(jī)節(jié)能效果較好，但由于存在氣缸密封部件質(zhì)量和系統(tǒng)控制技術(shù)不過關(guān)等問題，很快就停止使用。這些設(shè)備如果報(bào)廢，就會(huì)造成幾百萬元的經(jīng)濟(jì)損失，再制造研究工作就始于對(duì)這些抽油機(jī)的改造。

通過對(duì)氣平衡抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，確定了再制造的方案。拆除氣平衡系統(tǒng)，增加了游梁后臂和后驢頭（又稱為雙驢頭抽油機(jī)），形成了懸掛平衡重和下偏杠鈴平衡重相結(jié)合的平衡方式（圖2）。2000年10月，研制的偏置懸掛游梁平衡抽油機(jī)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并獲得成功。在項(xiàng)目實(shí)施階段，采用該技術(shù)再制造抽油機(jī)260臺(tái)，生產(chǎn)新抽油機(jī)3848臺(tái)。

圖2 懸掛偏置抽油機(jī)的原機(jī)型與改造機(jī)型

2.2.2 下偏杠鈴型抽油機(jī)

該機(jī)型的再制造始于1998年，是要將淘汰下來的3型機(jī)用到需要4型機(jī)的稠油井上。采用的技術(shù)有：安裝下偏平衡裝置、加固薄弱部分、更換損壞零部件。其主要特點(diǎn)是在游梁尾部加裝一個(gè)類似杠鈴的下偏平衡裝置，運(yùn)用變矩平衡原理改善受力狀況，提高了承載能力。該技術(shù)還用于大型抽油機(jī)再制造上，與常規(guī)機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)的配置功率下降15%～40%，節(jié)電率達(dá)到11%以上。在項(xiàng)目實(shí)施階段再制造這類抽油機(jī)942臺(tái)，生產(chǎn)新機(jī)8002臺(tái)。

2.2.3 調(diào)徑變矩抽油機(jī)

該機(jī)型是下偏平衡再制造技術(shù)的延伸，是一種新型節(jié)能抽油機(jī)產(chǎn)品。其主要特征是在游梁與直線形吊臂的連接處有一調(diào)徑銷，用來調(diào)整平衡重力臂的角度，吊臂末端配可調(diào)質(zhì)量的配重箱。游梁和支架之間有一支撐裝置，便于調(diào)整抽油機(jī)的沖程。在項(xiàng)目實(shí)施階段，新疆油田再制造抽油機(jī)634臺(tái)，生產(chǎn)新機(jī)1642臺(tái)。

1999年9月，在中石油集團(tuán)公司節(jié)能型抽油機(jī)專題會(huì)議上，新疆油田的下偏杠鈴和調(diào)徑變矩2種節(jié)能抽油機(jī)分獲第一名和第二名，入圍全國(guó)推廣的7種節(jié)能型抽油機(jī)。

采用偏置懸掛（雙驢頭）、下偏杠鈴和調(diào)徑變矩3種技術(shù)生產(chǎn)的抽油機(jī)再制造產(chǎn)品見圖3。3種機(jī)型均得到了油田現(xiàn)場(chǎng)的好評(píng)。十幾年來，通過對(duì)平衡方式的理論和技術(shù)研究，形成了平衡節(jié)能、安全制動(dòng)、拆卸清洗、檢測(cè)手段、評(píng)判方法、型式試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等一系列廢舊抽油機(jī)再制造技術(shù)。把抽油機(jī)大修升級(jí)為現(xiàn)代再制造技術(shù)，并覆蓋了3至14型游梁式抽油機(jī)系列。

圖3 3種再制造抽油機(jī)

2.3 抽油機(jī)再制造工藝流程

抽油機(jī)再制造的主要流程見圖4。

圖4 抽油機(jī)再制造流程

抽油機(jī)再制造主要流程是，編制再制造技術(shù)方案并審查，對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行拆卸和清洗（軸承、減速箱等），對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行檢測(cè)，修復(fù)或更換部件（控制箱、懸繩器、曲柄銷子、固定螺栓等），組裝抽油機(jī)并按新產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行檢測(cè)和試運(yùn)行，最后進(jìn)行刷漆、安裝銘牌和包裝，安裝調(diào)試組織驗(yàn)收，然后進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)。

2.4 抽油機(jī)再制造技術(shù)路線圖

通過多年探索，形成以下抽油機(jī)再制造的技術(shù)路線圖（圖5），該路線圖將抽油機(jī)再制造的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)地聯(lián)系在一起。

圖5 抽油機(jī)再制造技術(shù)路線圖

3 抽油機(jī)再制造技術(shù)的效益

3.1 抽油機(jī)再制造產(chǎn)品

1998年以來再制造的抽油機(jī)數(shù)量見表1。

表1 再制造抽油機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)

1998年以來推廣的節(jié)能型新機(jī)見表2。

表2 推廣節(jié)能型抽油機(jī)統(tǒng)計(jì)

3.2 抽油機(jī)再制造的經(jīng)濟(jì)效益

抽油機(jī)再制造的費(fèi)用約占新購(gòu)抽油機(jī)費(fèi)用的20%～50%。新疆油田在項(xiàng)目實(shí)施階段所付出的改造費(fèi)用為9700多萬元，節(jié)約設(shè)備購(gòu)置費(fèi)32057.37萬元。

再制造抽油機(jī)的節(jié)能效果顯著，裝機(jī)功率減少20%～45%，有功節(jié)電10%～30%。累計(jì)節(jié)約電量4645.2×104kWh，節(jié)約電費(fèi)3809萬元，合計(jì)達(dá)到3.5866億元。

使用新型抽油機(jī)可以有效地減少變壓器的容量，僅統(tǒng)計(jì)采油二廠八區(qū)的情況，全區(qū)1241臺(tái)抽油機(jī)，從2000年至2011年，僅減少變壓器容量費(fèi)就達(dá)到15969.32萬元，節(jié)約供電系統(tǒng)改擴(kuò)建費(fèi)用194.15萬元，合計(jì)1.61635億元。

僅統(tǒng)計(jì)上述3項(xiàng)費(fèi)用，從1999年到2011年，新疆油田采用抽油機(jī)再制造產(chǎn)品及其技術(shù)制造的新機(jī)型所產(chǎn)生的總效益達(dá)到5.203億元。

4 抽油機(jī)再制造實(shí)踐中的問題

抽油機(jī)再制造過程中，遇到了來自傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的一些阻力。一般人會(huì)將修修補(bǔ)補(bǔ)的設(shè)備改造與再制造工程混為一談。而實(shí)際上再制造是一個(gè)創(chuàng)新的過程，再制造產(chǎn)品屬于一種全新的產(chǎn)品，是老設(shè)備加新技術(shù)成果的結(jié)晶。實(shí)施設(shè)備再制造工程，轉(zhuǎn)變認(rèn)識(shí)和傳統(tǒng)觀念尤為重要，并需要政策上的規(guī)范和扶持，才能使再制造真正成為企業(yè)的一種長(zhǎng)期的、自覺的經(jīng)營(yíng)行為。

5 結(jié)論

1）抽油機(jī)再制造的前景廣闊。我國(guó)原油開采以機(jī)械采油方式為主，中石油集團(tuán)公司所屬油田的抽油機(jī)總數(shù)約為14萬臺(tái)，而全國(guó)抽油機(jī)總量估計(jì)超過20萬臺(tái)。按照平均使用壽命15年計(jì)算，每年將有1萬臺(tái)以上的抽油機(jī)可成為再制造的對(duì)象。如果實(shí)施再制造，不僅可以節(jié)約大量的采購(gòu)資金，節(jié)能減排的意義更大。

2）油田抽油機(jī)再制造技術(shù)已經(jīng)成熟。新疆油田在游梁式抽油機(jī)再制造方面基本形成了一套較為完整的理論、技術(shù)、工作程序、工藝方法和管理經(jīng)驗(yàn)。再制造抽油機(jī)的使用量達(dá)到1836臺(tái)，按照再制造技術(shù)生產(chǎn)的新機(jī)使用量達(dá)到13610臺(tái)，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3）新疆油田將繼續(xù)實(shí)施抽油機(jī)再制造工程。持續(xù)完善抽油設(shè)備再制造技術(shù)和管理，大力實(shí)施再制造工程。做到老井不更換新機(jī)；逐步清理廢棄抽油機(jī)，凡有再制造價(jià)值的都列入計(jì)劃實(shí)施，把克拉瑪依油田打造成為可持續(xù)發(fā)展的綠色生產(chǎn)企業(yè)。

4）抽油機(jī)再制造技術(shù)已具備在全國(guó)推廣普及的條件。新疆油田將不斷完善并提高再制造關(guān)鍵技術(shù)、工藝方法、檢測(cè)手段和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。通過國(guó)家、企業(yè)和社會(huì)的共同努力，再制造工程理念必將深入人心，形成共識(shí)，在相關(guān)政策、法規(guī)的指導(dǎo)和約束下，再制造工程必將得到健康、快速的發(fā)展。

[1]全國(guó)石油鉆采設(shè)備和工具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).SY/T 5044—2003游梁式抽油機(jī)[S].北京:石油工業(yè)出版社,2004.

[2]徐彬士.中國(guó)再制造工程及其進(jìn)展[J].中國(guó)表面工程,2010,23(2):1-6.

[3]張學(xué)魯,季祥云,羅仁全,等.游梁式抽油機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001:101-106.