抽油机文献综述

文献综述

抽油机井采油是国外油田最主要的机械采油方式。石油开采已经有很长历史了,其中有杆抽油系统起了很重要的作用。有杆抽油系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵等三部分组成，抽油机是有杆抽油系统最主要的举升设备。根据是否具有游梁，抽油机可以划分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。由于游梁式抽油机具有结构简单、工作可靠等优点，游梁式抽油机一直是国外油田应用最广泛的举升设备。

抽油机就形式分有以下几种：常规式抽油机、偏置式抽油机、前置式抽油机以及链条式抽油机等。

前置式抽油机平衡后的理论净扭矩曲线是一条比较均匀的接近水平的直线，因此其运行平稳，减速器齿轮基本无反向负荷，连杆游梁不易疲劳损坏，机械磨损小，噪声比常规型抽油机低5 dB,整机寿命长。其曲柄在旋转时有195°的上冲程和165°的下冲程。由于光杆运动的加速度与运动时间的平方成正比，上冲程时间延长就是光杆加速度明显减小。计算和测定表明，其加速度可减少40%，相应的使减速器扭矩减少35%左右，节能效果显著,当然也减少了抽油杆的事故.与同等级的常规式抽油机相比，前置式抽油机可配置较小功率的电动机，一般功率可减少20%左右。试验表明，前置式抽油机比常规式抽油机节电31.9～39.6%.

随着我国及世界石油工业的发展，钻井深度不断增加，油田深井、超深井的比例不断提高，因此对抽油机的提出了更高的要求。

一·工作原理

抽油机工作原理是电机的转动通过减速器传给四连杆机构，由四连杆机构（曲柄、连杆、游梁、横梁）把减速器输出轴的旋转运动变为游梁驴头的上下往复运动，驴头带动光杆和抽油杆作上下往复直线运动，通过抽油杆再将这个运动传递给井下抽油泵中的柱塞。在井下抽油泵泵筒的下部装有固定阀（吸入阀），而在柱塞上装有游动阀（排出阀）。当抽油杆向上运动，柱塞作上冲程时，固定阀打开，泵从井中吸入原油。同时，由于游动阀关闭，柱塞将其上面油管中的原油举升到井中，这是抽油泵中原油的吸入过程。当抽油杆向下运动，柱塞作下冲程，固定阀关闭，而游动阀打开，柱塞下面的油通过游动阀排出到它的上面，这就是抽油泵的排出过程。实际上，抽油泵装置相当于一个特殊结构的单缸单作用柱塞泵，只不过将它的水力部分放到井下成为抽油泵，将它的驱动部分放到地面变成抽油机，两者用又细又长的活塞杆—抽油杆连接起来。

然而，井下油层的情况特别复杂，有富油井、贫油井之分，有稀油井、稠油井之别。恒速应用问题显而易见。如抛却这些不谈，就抽油机油泵本身而言，磨损后的活塞与衬套的间隙漏失等都是很难解决的问题，况且变化的地层因素如油中含砂、蜡、水、气等复杂情况也对每冲次抽出的油量有很大的影响。看来，只有调速驱动才能达到最佳控制。

引进调速传动后，可根据井下状态调节抽油机冲程频次及分别调节上、下行程的速度，在提高泵的充满系数的同时减少泵的漏失，以获得最大出油量。尤其是采用变频调速既无启动冲击，又可解决选型保守、线路较长等所致的功率因数偏低等问题，获得节能增效的同时又能提高整机寿命。尤其是油泵的寿命，减少机械故障提高可靠性.

二·国外研究现状与发展趋势

1·国研究现状与发展趋势

1.1国研究现状

油机是有杆抽油系统中最主要举升设备。根据是否有游梁，可分为游梁式抽

油机和无游梁式抽油机。经过一百多年的实践和不断的改进创新，抽油机不管是结构形式还是在使用功能上，都产生了很大的变化。特别是近几十年来，世界对原油的需求量不断加大，对油田深度开采的能力有了更进一步的要求，在很大程度上加快了抽油机技术发展的速度，催生出多种类型。目前, 国抽油机制造厂有数十家, 产品类型已多样化, 但游梁式抽油机仍处于主导地位。根据公开发表的资料统计, 我国现有6 大类共45 种新型抽油机[ 1] , 并且每年约有30 种新型抽油机专利, 十多种新试制抽油机[2] , 已形成了系列, 基本满足了陆地油田开采的需要。各种新型节能游梁式抽油机如双驴头式抽油机、前置式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、下偏杠铃系列节能抽油机[ 3]和用窄V 形带传动的常规抽油机等均已在全国各个油田推广应用, 并取得了显著的经济效益。长冲程、低冲次的无游梁式抽油机的研制也取得了一些进展, 如由胜利油田研制的无游梁链条抽油机, 经过国十几个油田稠油及丛式井的推广使用[4], 在低冲次抽油和抽稠油方面已初见成效。此外, 桁架结构的滑轮组增距式抽油机、滚筒式长冲程抽油机已在某些油田进行了工业试验[5]; 齿轮增距式长冲程抽油机的研制工作也取得了新的进展; 质量轻、成本低、便于调速和调整冲程的液压抽油机经过几年的研制和工业性试采油, 也积累了一定的经验[6]。其他型式新颖的抽油机如数控抽油机、连续抽油杆抽油机、车载抽油机、磨擦式抽油机、六连杆游梁式抽油机和斜直井抽油机等也正处于不断改造和试生产过程中[7]。然而，游梁式抽油机的缺点是不容易实现长冲程低冲次的要求，因而不能满足稠油井、深抽井和吉气井采油作业的需要。同时，长冲程低冲次的无游梁式抽油机的性能尚有待完善 (如油田正在使用的链条式抽油机还存在链

条寿命短、换向冲击载荷大和钢丝绳易断、导轨刚．度不足容易变形等问题)，而且品种规格还很少，不能适应当前石油工业的发展[8]。液压抽油机至今仍处在研制阶段[9]。

1.2国发展趋势

20世纪9O年代以来，我国东部各主要油田相继进入中高含水开发期[17]。为确保高效生产，对抽油机的要求呈现两个特点：一是急需采用长冲程抽油机，以增加油井的产液量；二是为了降低油井的单位生产成本，对抽油机的节能性提出了更高的要求[18]。其次就目前抽油机耗电量大，工作效率、能量利用率低这一现状仍是我国抽油机研究的重点之一，在抽油机效率和节能方面，还有很大的提升空间，具有非常诱人的前景[19]。

长冲程抽油机的研制应用能力不足一直是我国抽油机发展的瓶颈，长冲程抽油机具有减小冲程损失、提高系统效率、延长机杆泵的使用寿命、减少故障及提高整机运行质量等优点[20]。因此, 发展长冲程抽油机对当前我国老油田高含水井后期开采, 减缓产量递减速度, 开采稠油、低渗透油田以及沙漠油田深井及超深井的机械开采, 都具有重要的现实意义[21]。游梁式抽油机的局限性十分突出，多方面事实说明，长冲程、低冲次、低功耗的无游梁式抽油机是今后抽油机发展的主要方向[22]。为适应油田采油需要, 在适当发展游梁式长冲程抽油机的同时, 应加速开发各类无游梁式长冲程抽油机[23]。

开发无游梁曲柄摇杆轮式斜井抽油机和大型斜直井抽油机将对我国油气资源开采有重要意义[24]。根据我国实际情况, 发展无游梁大冲程、低能耗、具有高适应性的直井抽油机和斜井抽油机, 将是我国今后抽油机发展的主要方向[25]。

近年来，变频技术在抽油机上得到了广泛应用。利用变频控制系统实时调整工作参数，提高电机功率因数，减小供电电流，还可以实现电机的软起动，减小冲击，并可根据油井供液能力实时调整冲次频率，实现增产节能效果[26]；另外，研究开发机电一体化抽油装置，根据抽油机井特性实时控制和改变抽油状态，实现高效智能化采油[27]。如美国NSCO公司智能抽油机，采用微处理器和自适应电子控制器进行控制与监测，具有功能多、抽油效率高、自动化程度高、经济性好、安全可靠、适应性强等优点[28]。

研发大型、高适应性的丛式井抽油机，随着世界油气资源的不断开发，油层开采深度逐年加大，油田含水量的增多，大泵提液采油工艺和稠油开采等都要求采用大型抽油机[29]。

现代大型抽油机应具备有高适应性，以适应多种恶劣环境和地层油层的变化，如开发一种机型能适应不同自然气候与地貌环境的差异、地层油层的迁移改变、冲程冲次的改变、油气层性状的改变、连续与间歇抽油的调整等[30]。另外，由于现代大型抽油机的结构和控制的复杂性，体积的庞大，其工作面积也相应增大，同一抽油机可以对多口相邻油井同时抽油作业，采用综合平衡方式和节能方式，达到最好的作业效果[31]。

2·国外研究现状与发展趋势

2.1国外研究现状

目前，世界上生产抽油机的国家主要有美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等[10]。为了减少能耗, 提高采油经济效益, 近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15%~ 35%; 前置式抽油机节电368% 前置式气平衡抽油机节电35% 轮式抽油机节电50%~ 80% 大圈式抽油机节电30%; 自动平衡抽油机节电30% ~ 50%; 低矮型抽油机节电5% ~20%; ROTAFLEX 抽油机节电25% 智能抽油机节电174%; 螺杆泵采油系统节电

40%~ 50% [11]。近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果, 使抽油机得到更精确平衡。

近年来, 为了节约能耗、提高采油经济效益, 国外研制与应用了许多节能型抽油机, 在采油实践中, 取得较好的使用效果。如变平衡力矩抽油机, 可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡抽油机, 由于可在动态下调节气平衡, 平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90% 以上载荷得到平衡[12]。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡效果[13]。

近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机, 其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机[14]。；

2.1.1前置式气平衡抽油机

美国工J uf kin 公司生产的A 系列前置式气平衡抽油机具有较好的技术经济指标, 抽油机重量减轻40 %, 尺寸缩小3 5 % , 动载荷较小, 受力均匀, 运转平稳, 节约电耗35 %。

2 .1.2无游梁长冲程抽油机

美国R O T A F L E x 宽带传动抽油机实践表明: 抽油机系统效率为5 % , 而常规抽油机只有40 %。提升液体能耗比常规抽油机减少25 % , 可使用29. 4 kw 电动机, 而同级常规抽油机须用只kw 电动机。美国W es t er n G e a : 研制的液压驱动无游梁长冲程抽油机占地面积较小, 可节约电耗10 % 一1 5 % 。美国N a ti o n al Su p p ly 研制的无游梁长冲程抽油机节约电耗10 %一20 %

2.1.3 智能抽油机

美国N a t io n al S u p p ly 研制的智能抽油机减速器峰值扭矩减少34. 7 %, 电动机功率减少1 7. 4 % , 产量增加19 % , 抽油机系统效率平均提高47. 8 % , 投资费用减少

20 % , 成本利用率提高2 0. 7 %。天然气发动机驱动抽油机

美国生产的天然气发动机驱动抽油机可比电动机功率减少30 % , 动力费用与采油成本均较低。

2.1. 4 变平衡力矩抽油机

美国Pi on ne r 公司研制了变平衡力矩抽油机, 利用抽油机连杆运动以及新增加的连杆摆动机构作用原理, 使得上冲程时平衡力矩大于下冲程时的平衡力矩, 实现更精确地平衡抽油机载荷、减少抽油机电力消耗的目的。

2.2国外发展趋势

如前所述, 世界围抽油机技术发展的总趋势是向着多样化、超大载荷、长冲程、节能型、无游梁式和自动化、智能化方向发展[32]。

2.2.1朝着大型化方向发展

随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也在不断增多，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机，所以近年来，国外出现了许多大载荷抽油机，如前置式气平衡抽油机最大载荷213kN，气囊平衡抽油机最大载荷227kN 等[33]。还会出现更大载荷新型抽油机[34]。采用长冲程抽油方式，抽油效率高，抽油机寿命长，动载荷小，排量稳定，具有较好的采油经济效益，所以近年来国外出现了许多长冲程抽油机，如法国Mape公司抽油机，最大冲程10m[35]；美国WGCO公司抽油机最大冲程24.38m，NSCO公司抽油机最大冲程27.48m；原联钢带式超长冲程抽油机最大冲程1500m。长冲程抽油机全部采用低冲次抽油方式，Mape公司抽油机最大冲次5min，GDCO公司抽油机最大冲次为3min[36]。

2.2.2朝着低能耗方向发展

为了减少能耗，提高采油经济效益，近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15%～35%；前置式抽油机节电36.8%；前置式气平衡抽油机节电35%；轮式抽油机节电50%～80%；大圈式抽油机节电30%；自动平衡抽油机节电30%～50%；低矮型抽油机节电5%～20%；ROTAFLEX抽油机节电25%；智能抽油机节电17.4%；螺杆泵采油系统节电40%～50%[37]。

2.2.

3.朝着精确平衡方向发展

近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果，使抽油机得到更精确平衡。例如变平衡力矩抽油机，可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡抽油机，由于可在动态下调节气平衡，平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90%以上载荷得到平衡。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡效果[38]。

2.2.4.朝着高适应性方向发展

现代抽油机应具有较高的适应性，以便拓宽使用围[39]。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的需要；适应各种成分石油抽汲的需要；适应各种类型油井抽汲的需要；适应深井抽油需要；适应长冲程抽油的需要；适应节电的需要；适应精确平衡的需要；适应无电源和间歇抽油的需要；适应优化抽油的需要等[40]。

2.2.5.朝着长冲程无游梁方向发展

近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机，其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机[41]；实践与理论分析表明，增大冲程游梁抽油机是常规游梁抽油机的发展方向；增大冲程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向；长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油机的发展方向[42]。

2. 2.6.朝着自动化和智能化方向发展

近年来抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化。美国Baker提升系统公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自动化抽油机，具有保护和报警功能，实时测得油井运行参数，及时显示与记录并通过计算机进行综合计算分析，推出最优工况参数，进一步指导抽油机以最优工况抽油。美国NSCO公司智能抽油机，采用微处理机和自适应电子控制器进行控制与监测，具有抽油效率高、节电、功能多、安全可靠、自动化程度高、经济性好、适应性强等优点[43]。

三·节能方法

1.采用节能型抽油机

所谓节能型抽油机，主要是通过改进了抽油机的结构，即对抽油机四杆机构的优化设计和改变抽油机平衡方式来改变抽油机曲柄轴净扭矩曲线的形状和大小，减小负扭矩，使扭矩波动平缓，从而减小抽油机的周期载荷系数，提高电动机的工作效率，达到节能的目的。

2.采用节能驱动设备

这种方法是从研究电机的特性入手，研究开发新型的电动机，使之与采油井井况相匹配进而达到提高电动机的效率和功率因数的目的，即采用高转差率电动机(转差率8 ～13％)和超高转差率电动机代替常规转差率电动机(转差率小于5％)。美国Baldor电器公司生产的高转差率电动机驱动抽油机可提高功率因数74 ，节电22．7 ；在国，超高转差率电动机有功节电率为1O．56 ，综合节电率为17．42 。通过对在用的高转差率电机转矩进行动态调整，解决了在不更换现有设备的情况下小马拉大车的情况，优化了设备运行状况。又如永磁同步同步电机，是一种油田所用的新型抽油机电机，其效率和功率因素都优于一般异步电机。电机本身是硬特性，运行中无转差。如TYC250M一6，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；还有双定子电机，电磁调速电机等专用电机。

另外，还有采用节能配电箱来实现节电的。

定子绕组Y一△转换调压：电机正常运行时，定子绕组为△接法，起动时为Y接法。起动时绕组电压为电网额定线电压的1／√ 3，起动电压降低，待接近额定转速时，定子绕组转换为△接法，控制简单。

电容器动态无功补偿及静态无功补偿：无功补偿的基本原理是把容性负荷与感性负荷并联在同一个系统中，能量在两者之间互相转换。这样，感性负荷所需的无功功率可由容性负荷提供，功率因数也提高了，既减小了无功损耗，还可以提高设备的有功功力、降低功率损耗和电能损失。根据以上的想法，如果在高压电动机起动时并联适当电容值的电容

器，同样可以补偿起动时的无功功率，减小起动电压降。

3 .采用节能电控装置节能

在抽油机上配备节能电控装置，在油田节能改造技术上具有投人低、节能效果显著以及使用方便等特点。我国油田目前应用比较广泛的节能电控装置主要有以下3种：继电接触器调压节能。变频调速器节能采用间抽控制器

4.采用高效节能泵提高泵效，即降低了百米吨耗，实现节能。

4．1 研究提高抽油泵充满系数措施，如安装气锚。对于油气比较高的井，使用气锚可提高泵的容积效率来达到提高系统效率目的。

4．2 加强降低冲程损失技术研究，研制安全可靠的油管锚定工具，降低冲程损失，提高泵效。

4．3 以系统效率最大为目标，抽油机井优化设计软件为手段，利用现有的模拟试验设备，开展不同工况参数条件下常规抽油机井的系统效率评价试验研究工作。

5 加强抽油机井管理水平

通过完善抽油机管理制度，强化抽油机保养制度，定期组织检查，及时掌握抽油机运行情况，实行抽油机分类管理，及时检泵、换泵，提高抽油机井的系统效率；并应

用系统效率控制图对抽油机井加强技术管理，抽油机的有效功率与输入功率的比值为抽油机井的系统效率，抽油机井系统效率愈高，其能耗愈低；抽油机井系统效率愈低，其能耗愈高。

总之在抽油机节能改造中，需要不断引进新技术、新工艺，在实践中逐渐改善和提高将节能电控装置的节能效果，使其在抽油机节能中发挥更大的作用。

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