丁健（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

抽油機(jī)的工作原理是：電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸入電能，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。抽油機(jī)通過皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)和減速箱，將電動(dòng)機(jī)輸出的圓周運(yùn)動(dòng)減速到適合抽油機(jī)主體運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，抽油機(jī)通過四連桿機(jī)構(gòu)，將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)井下的抽油泵工作[1]。從功能上說，抽油機(jī)只是一個(gè)減速和運(yùn)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)換裝置，離不開電控箱和電動(dòng)機(jī)等輔助設(shè)備，因此抽油機(jī)井實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)[2]。抽油機(jī)系統(tǒng)作為一個(gè)機(jī)械群體，既要使其高效的運(yùn)行，又要保證抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性，研究抽油機(jī)系統(tǒng)合理的工作區(qū)間，對(duì)機(jī)采設(shè)備的優(yōu)化、調(diào)整，保證其安全、可靠、高效地運(yùn)行，從而提高石油企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，具有十分主要的指導(dǎo)意義[3]。

1 抽油機(jī)系統(tǒng)合理工作區(qū)間的研究

抽油機(jī)系統(tǒng)具有“負(fù)載啟動(dòng)，交變載荷”的工作特點(diǎn)，要保證其安全工作，就必須考慮其啟動(dòng)和正常工作時(shí)的承載差異。抽油機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，由于慣性力的作用，所承受的載荷遠(yuǎn)大于其正常運(yùn)行時(shí)所承受的載荷，因此，設(shè)備的配置必須留有余地。

抽油機(jī)系統(tǒng)的承載設(shè)備主要由電動(dòng)機(jī)、游梁、扭矩傳輸裝置三大部件組成，運(yùn)行時(shí)應(yīng)該根據(jù)其不同的特點(diǎn)，從設(shè)備安全和效率兩個(gè)方面考慮其合理的工作區(qū)間。

1.1 電動(dòng)機(jī)的合理工作區(qū)間

電動(dòng)機(jī)是向抽油機(jī)系統(tǒng)提供動(dòng)力的裝置，電動(dòng)機(jī)輸出的消耗功率與額定功率的比值稱為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率，負(fù)載率是衡量電動(dòng)機(jī)負(fù)載程度的指標(biāo)。

抽油機(jī)啟動(dòng)功率與正常運(yùn)行功率的對(duì)比如圖1所示， 抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大功率為33.45 kW，而正常運(yùn)行最大功率為8.34 kW，啟動(dòng)時(shí)最大功率是正常運(yùn)行最大功率的4.01 倍。如果啟動(dòng)時(shí)最大功率與裝機(jī)功率相等，則正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率接近于25%，考慮到一般電動(dòng)機(jī)都有20%的過載能力，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率上限應(yīng)在45%左右[4]。如圖2 所示，當(dāng)負(fù)載率處于20%～30%時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率達(dá)到了43%～60%，則電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的下限應(yīng)為20%以上。綜上所述，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的工作區(qū)間為20%～45%。

圖2 電動(dòng)機(jī)特性曲線

1.2 游梁的合理工作區(qū)間

抽油機(jī)游梁是一個(gè)以中軸為支點(diǎn)的杠桿，是動(dòng)力與載荷直接對(duì)抗的場(chǎng)所。在抽油機(jī)管理中，用“載荷利用率”來衡量游梁的承載程度，只要抽油機(jī)的載荷利用率小于100%，就是安全的，這是游梁承受載荷的上限。

機(jī)械的承載程度是衡量機(jī)械是否得到充分利用的尺度。如果機(jī)械的承載程度過低，運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)損耗偏大和運(yùn)行效率的降低，造成設(shè)備的浪費(fèi)[5]。在機(jī)械行業(yè)，設(shè)備的負(fù)荷率一般都應(yīng)該在50%以上[6]。因此，抽油機(jī)載荷利用率也應(yīng)大于50%，這樣才能保證抽油機(jī)的充分利用和在比較高效的狀態(tài)下運(yùn)行。

由于游梁結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單，影響其效率的因素只有軸承的潤滑。一般只要按期保養(yǎng)，其效率一般都很高，能夠達(dá)到98%～99%，因此，負(fù)荷率對(duì)其影響很小，可以不予考慮。

1.3 扭矩傳輸裝置的工作區(qū)間

抽油機(jī)的設(shè)計(jì)程序：根據(jù)油井工況，確定抽油機(jī)的最大載荷和額定扭矩。根據(jù)最大載荷和額定扭矩設(shè)計(jì)各構(gòu)件的尺寸。對(duì)抽油機(jī)的扭矩傳遞構(gòu)件最重要的是抽油機(jī)的額定扭矩，原則上說，只要減速箱輸出軸所承受的扭矩不超過抽油機(jī)的額定扭矩，這些構(gòu)件是安全的。抽油機(jī)額定扭矩指的是減速器中各部件的強(qiáng)度和剛度所限制的作用于減速箱輸出軸上的最大扭矩的允許值，即扭矩曲線峰值的允許值[7-8]。額定扭矩是在嚴(yán)格平衡狀態(tài)時(shí)經(jīng)過平衡塊平衡后的“靜扭矩”，在考慮抽油機(jī)的扭矩傳遞的裝置或構(gòu)件是否安全時(shí)，必須考慮抽油機(jī)的平衡狀態(tài)。

從圖3 可以看出，經(jīng)過平衡塊平衡后，抽油機(jī)實(shí)際所承受的扭矩峰值比未平衡時(shí)的扭矩降低了1/3左右，這就極大地改善了抽油機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)程度和工作環(huán)境。因此，抽油機(jī)的平衡對(duì)抽油機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)程度和壽命有著重要的影響。

圖3 抽油機(jī)載荷扭矩曲線和靜扭矩曲線

抽油機(jī)采油系統(tǒng)常用“扭矩利用率”來衡量抽油機(jī)扭矩傳遞單元的承載狀況?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)平衡狀態(tài)的良莠不齊，扭矩利用率的工作區(qū)間為50%～80%。

通過以上分析研究，明確三大承載部件的承載指標(biāo)，給出了其各自的合理工作區(qū)間。綜上所述，三大承載部件的承載指標(biāo)及各自合理工作區(qū)間如表1 所示。

表1 三大承載部件的承載指標(biāo)及及各自合理工作區(qū)間統(tǒng)計(jì)

從表1 中可以看出，上述載荷區(qū)間使得抽油機(jī)游梁、曲柄、電動(dòng)機(jī)均在其設(shè)計(jì)載荷范圍內(nèi)工作，在沒有其它意外因素的情況下，完全可以達(dá)到其設(shè)計(jì)使用壽命。一般抽油機(jī)的設(shè)計(jì)使用壽命為30年，抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)使用壽命為15 年。

2 節(jié)能效果預(yù)測(cè)

2020 年底，大慶油田XB 開發(fā)區(qū)運(yùn)行抽油機(jī)井6 639 口，平均消耗功率為6.86 kW，系統(tǒng)效率為32.97%。抽油機(jī)井年耗電量為3.825 7×108kWh，用于舉升產(chǎn)出液的有用功為1.261 3×108kWh，被設(shè)備浪費(fèi)掉的無用功為2.564 4×108kWh；運(yùn)行抽油機(jī)井游梁載荷利用率為46.58%，曲柄扭矩利用率為49.72%，電動(dòng)機(jī)功率利用率（負(fù)載率） 為18.31%。

經(jīng)分析，全區(qū)目前載荷利用率和扭矩利用率不合理的井分別有678 口和548 口，由于油井供液?jiǎn)栴}和設(shè)備問題制約，可調(diào)整的分別為316 口和134 口；電動(dòng)機(jī)匹配不合理可調(diào)整的井有213 口，三項(xiàng)可調(diào)整井共計(jì)663 口。其中三大承載部件調(diào)整后，預(yù)計(jì)全區(qū)抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)功率利用率（負(fù)載率）可上升0.2 個(gè)百分點(diǎn)，即達(dá)到18.51%。

考慮到電動(dòng)機(jī)功率級(jí)別的差異對(duì)節(jié)能貢獻(xiàn)的不同，從電動(dòng)機(jī)特性曲線查得，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率為31.11%時(shí)的效率為62%。依此計(jì)算，地面部分除電動(dòng)機(jī)外，電控箱、皮帶傳動(dòng)、減速箱傳動(dòng)、四連桿機(jī)構(gòu)的總體效率為94.05%。

目前油田已經(jīng)進(jìn)入了中、高含水期，含水比較穩(wěn)定，用于舉升的有用功不能變動(dòng)。調(diào)整后抽油機(jī)井的總能耗為 3.765 1×108kWh， 節(jié)能效果0.060 6×108kWh，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益382.2 萬元。

3 結(jié)論

1）抽油機(jī)井是一個(gè)由各單元組成的系統(tǒng)。抽油機(jī)八大部分的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)抽油機(jī)井的總體效率都非常重要，任何一個(gè)部分存在問題，都會(huì)影響抽油機(jī)總體效率。

2） 三大承載部件都有其各自的合理工作區(qū)間。由于各部分所處的力學(xué)、電學(xué)環(huán)境不同，各部件的合理工作區(qū)間也不同。

3）抽油機(jī)井的動(dòng)態(tài)調(diào)整必須兼顧設(shè)備安全和效率兩個(gè)方面，才能實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井長期、高效運(yùn)行，從而保證石油企業(yè)取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4）地面設(shè)備調(diào)整是一項(xiàng)非常經(jīng)濟(jì)的措施。相對(duì)于抽油機(jī)調(diào)整必須采取作業(yè)施工，且作業(yè)費(fèi)用高達(dá)數(shù)萬元，地面設(shè)備調(diào)整實(shí)施起來操作方便，費(fèi)用較低[9-10]。從電動(dòng)機(jī)調(diào)整的情況來看，取得了非常理想的效果，類似的還有沖程調(diào)整、沖次調(diào)整、平衡調(diào)整等。