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1、抽油机文献综述 文献综述 抽油机井采油是国内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。依据是否具有游梁，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洁、工作牢靠等优点，游梁式抽油机始终是国内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匀称的接近水平的直线，因此其运行平稳，减速器齿轮基本无反向负荷，连杆游梁不易疲惫损
2、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，其加速度可削减40%，相应的使减速器扭矩削减35%左右，节能效果显著,当然也削减了抽油杆的事故.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，一般功率可削减20%左右。试验表明，前置式抽油机比常规式抽油机节电31.939.6%. 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
3、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。事实上，抽油泵装置相当于一个特别结构的单缸单作
4、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，井下油层的状况特殊困难，有富油井、贫油井之分，有稀油井、稠油井之别。恒速应用问题自不待言。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，况且改变的地层因素如油中含砂、蜡、水、气等困难状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限制。 引进调速传动后，可依据井下状态调整抽油机冲程频次及分别调整上、下行程的速度，在提高泵的充溢系数的同时削减泵的漏失，以获得最大出油量。尤其是采纳变频调速既无启动冲击，又可解
5、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，削减机械故障提高牢靠性.二国内外探讨现状与发展趋势 1国内探讨现状与发展趋势 1.1国内探讨现状 油机是有杆抽油系统中最主要举升设备。依据是否有游梁，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运用功能上，都产生了很大的改变。特殊是近几十年来，世界对原油的需求量不断加大，对油田深度开采的实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, 国内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
6、于主导地位。依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, 基本满意了陆地油田开采的须要。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, 如由成功油田研制的无游梁链条抽油机, 经过国内十几个油田稠油及丛式井的推广运用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
7、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, 也积累了肯定的阅历6。其他型式新奇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简单实现长冲程低冲次的要求，因而不能满意稠油井、深抽井和吉气井采油作业的须要。同时，长冲程低冲次的无游梁式抽油机的性能尚有待完善 (如油田正在运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
8、轨刚度不足简单变形等问题)，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国内发展趋势 20世纪9O年头以来，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：一是急需采纳长冲程抽油机，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探讨的重点之一，在抽油机效率和节能方面，还有很大的提升空间，具有特别迷人的前景19。 长冲程抽油机的研制应用实力不足始终是我国抽油机发展的瓶颈，长冲程抽油机具有减小冲程
9、损失、提高系统效率、延长机杆泵的运用寿命、削减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非常突出，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。为适应油田采油须要, 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。依据我国实际状况, 发展无游梁大冲程、低能耗、具有高
10、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。利用变频限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，并可依据油井供液实力实时调整冲次频率，实现增产节能效果26；另外，探讨开发机电一体化抽油装置，依据抽油机井特性实时限制和变更抽油状态，实现高效智能化采油27。如美国NSCO公司智能抽油机，采纳微处理器和自适应电子限制器进行限制与监测，具有功能多、抽油效率高、自动化程度高、经济性好、平安牢靠、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
11、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纳大型抽油机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改变，如开发一种机型能适应不同自然气候与地貌环境的差异、地层油层的迁移变更、冲程冲次的变更、油气层性状的变更、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限制的困难性，体积的浩大，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，采纳综合平衡方式和节能方式，达到最好的作业效果31。 2国外探讨现状与发展趋势 2.1国外探讨现状 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。为了削减能耗,
12、 提高采油经济效益, 近年来国外研制与应用了很多节能型抽油机。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, 国外研制与应用了很多节能型抽油机, 在采油实践中, 取得较好的运用效果。如变平衡力矩抽油机, 可使上冲
13、程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡抽油机, 由于可在动态下调整气平衡, 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, 受力匀称, 运转平稳, 节约电耗35
14、 %。 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削减25 % , 可运用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 : 有限公司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 有限公司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 有限公司
15、研制的智能抽油机减速器峰值扭矩削减34.7 %, 电动机功率削减1 7.4 % , 产量增加19 % , 抽油机系统效率平均提高47.8 % , 投资费用削减20 % , 成本利用率提高2 0.7 %。自然气发动机驱动抽油机 美国生产的自然气发动机驱动抽油机可比电动机功率削减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摇摆机构作用原理, 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、削减抽油机电力消耗的目的。 2.2国外发展趋势 如前所述, 世界范围
16、内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，采纳大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采纳大型抽油机，所以近年来，国外出现了很多大载荷抽油机，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。采纳长冲程抽油方式，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很多长冲程抽油机，如法国Mape公司抽油机，最大冲程10m35；美国WGC
17、O公司抽油机最大冲程24.38m，NSCO公司抽油机最大冲程27.48m；原苏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纳低冲次抽油方式，Mape公司抽油机最大冲次5min，GDCO公司抽油机最大冲次为3min36。 2.2.2朝着低能耗方向发展 为了削减能耗，提高采油经济效益，近年来国外研制与应用了很多节能型抽油机。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%
18、；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，由于可在动态下调整气平衡，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，以便拓宽运用范围39。例如适应各种自然地理和地质构造条件抽油的须要；适应各种成分石油抽汲的须要；适应各种类型油井抽
19、汲的须要；适应深井抽油须要；适应长冲程抽油的须要；适应节电的须要；适应精确平衡的须要；适应无电源和间歇抽油的须要；适应优化抽油的须要等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记是自动化和智能化。美国Baker提升系统公司、Delta-X公司、A
20、PS公司等均研制了自动化抽油机，具有爱护和报警功能，实时测得油井运行参数，刚好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，采纳微处理机和自适应电子限制器进行限制与监测，具有抽油效率高、节电、功能多、平安牢靠、自动化程度高、经济性好、适应性强等优点43。 三节能方法 1.采纳节能型抽油机 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变更抽 油机平衡方式来变更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
21、的。 2.采纳节能驱动设备 这种方法是从探讨电机的特性入手，探讨开发新型的电动机，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，即采纳高转 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 227 ；在国内，超高 转差率电动机有功节电率为1O56 ，综合节电率为 1742 。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状况下小马拉大 车的状况，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
22、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0983，额定电流606A，堵转电流127倍，堵转力 矩 369倍；还有双定子 电机，电磁调速 电机等专用 电机。 另外，还有采纳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，限制简洁。 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，能量在两者之间相互转换。这样，感性负 荷所需的无功功率
23、可由容性负荷供应，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。依据以上的想法，假如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 .采纳节能电控装置节能 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、节能效果显著以及运用便利 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。变频调速器节能采纳间抽限制器 4.采纳高效节能泵提高泵效，即降低了百米吨耗，实现节能。 41 探讨提高抽油泵充溢系数措施 ，如安装气 锚。对于油气比较高的井，运用气锚可提高泵的容积
24、 效率来达到提高系统效率目的。 42 加强降低冲程损失技术探讨 ，研制平安牢靠 的油管锚定工具，降低冲程损失，提高泵效 。 43 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探讨工作。 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，刚好驾驭抽油 机运行状况，实行 抽油机分类管理，刚好检泵、换泵，提高抽油机井 的 系统效率；并应 用 系统效率限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
25、井系统效率愈低，其能耗愈高 。 总之在抽油机节能改造中，须要不断引进新技术、新工艺，在实践 中渐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。 参考文献 1.邓兴平.基于Pro/E的前置式抽油机连杆牢靠性设计J.科技信息（学术探讨）2007年，第31期 2.刘牧洲,王树行,等.抽油机平衡重导向机构的探讨J.新疆石油科技.2006年，第1期（第16卷） 3.李虎君,李英，等.用实测功率曲线计算前置式抽油机井的示功图J.石油矿场机械.1992年，第21卷第5期 4.张晓玲,于海迎.抽油机的节能技术及其发展趋势J.石油和化工节能.2007年，第2期 5.李绪炎，李环.前置式
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