【正文】 1 緒 論 油田開采原油的方法分為兩類：一類是利用地層本身的能量來舉升原油，稱為自噴采油法，常見于新開發(fā)且儲(chǔ)量大的一些油田；另一類是到了油田開發(fā)的中后期，地層本身能量不足以使原油產(chǎn)生自噴，必須人為地利用機(jī)械設(shè)備將原油舉升到地面，稱為人工舉升采油法或機(jī)械采油法[1]。 上述采油方法中不利用抽油桿傳遞能量的抽油設(shè)備統(tǒng)稱為無桿抽油設(shè)備，利用抽油桿上下往復(fù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的抽油設(shè)備統(tǒng)稱為有桿抽油設(shè)備。利用抽油桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)井下單螺旋泵裝置，雖然也有抽油桿，但習(xí)慣上不列入有桿抽油設(shè)備[3]。有桿泵采油技術(shù)是應(yīng)用最早也最為廣泛的一種人工舉升機(jī)械采油方法。有桿抽油系統(tǒng)主要有三部分組成：一是地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備即抽油機(jī)，它由電動(dòng)機(jī)、減速器和四連桿機(jī)構(gòu)(包括曲柄、連桿和游梁)等組成：二是井下的抽油泵(包括吸入閥、泵筒、柱塞和排出閥等)，安裝于油管的下端：三是抽油桿，它把地面驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳給井下抽油泵。抽油機(jī)是一種把原動(dòng)機(jī)的連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)變成往復(fù)自線運(yùn)動(dòng)，通過抽油桿帶動(dòng)抽油泵進(jìn)行抽油的機(jī)械設(shè)備。游梁式抽油機(jī)是機(jī)械采油設(shè)備中問世最早的抽油機(jī)機(jī)種，1919年美國就開始批量生產(chǎn)這種抽油機(jī)。目前我國大多數(shù)油田己相繼進(jìn)入了開發(fā)的中后期，油井逐漸喪失自噴能力，基本上己從自噴轉(zhuǎn)入機(jī)采。80年代初，我國擁有機(jī)采油井2萬口，%，機(jī)采原油產(chǎn)量占總產(chǎn)量的27 %， 2000年我國油氣田共有抽油機(jī)采油井約8萬口，占油田總井?dāng)?shù)的90%。在這些機(jī)采油井中，采用抽油機(jī)有桿式抽油的占90%，采用電潛泵、水力活塞泵、射流泵、氣舉等其它無桿式抽油的只占10%。近幾年，隨著穩(wěn)油控水和節(jié)能的要求不斷提高，各種型式的節(jié)能型抽油機(jī)和長沖程抽油機(jī)的數(shù)量不斷增加。由此可見，抽油機(jī)在各油田的生產(chǎn)中有著舉足輕重的地位，并且隨著油田的進(jìn)一步開發(fā)，各種新型節(jié)能抽油機(jī)將會(huì)得到廣泛地推廣和應(yīng)用。 國內(nèi)外抽油機(jī)的發(fā)展概況 國外抽油機(jī)的發(fā)展概況在國外，研究開發(fā)與應(yīng)用抽油機(jī)已有100多年的歷史[4]。在這一百多年的采油實(shí)踐中，抽油機(jī)發(fā)生了很大的變化，特別是近20年來，世界抽油機(jī)技術(shù)發(fā)展較快，先后研究開發(fā)了多種新型抽油機(jī)。起特性主要有以下九個(gè)方面：(1) 為了適應(yīng)各種地質(zhì)油藏條件和采油的工況， 研制與應(yīng)用了液壓缸式抽油機(jī)、氣壓缸式抽油機(jī)、長沖程低沖次抽油機(jī)和螺桿泵采油系統(tǒng)等。(2) 為了滿足陸地、城市、農(nóng)村水利噴灌區(qū)、山區(qū)、沼澤、森林地帶、沙漠地區(qū)、淺海和海灘、海洋地區(qū)和更復(fù)雜地區(qū)抽油的需要， 研制與應(yīng)用了低矮型抽油機(jī)、城市抽油機(jī)、前置式抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、緊湊型抽油機(jī)、兩點(diǎn)式抽油機(jī)和井架型抽油機(jī)等。(3) 為了適應(yīng)垂直井、斜井、叢式井和水平井抽油工況， 研制了斜井抽油機(jī)、叢式井抽油機(jī)、雙驢頭抽油機(jī)和高效能叢式井抽油機(jī)等。(4) 為了滿足稠油和深井開采的需要， 研制與應(yīng)用了各種大型抽油機(jī)。例如常規(guī)型抽油機(jī)最大載荷160kN，前置式抽油機(jī)最大載荷193kN ；前置式氣平衡抽油機(jī)最大載荷213kN。(5) 為了提高抽油系統(tǒng)效率， 減少抽油機(jī)動(dòng)載荷與振動(dòng)載荷， 研制了增大沖程游梁抽油機(jī)和增大沖程無游梁抽油機(jī)及長沖程無游梁抽油機(jī)(分立式和臥式兩種)。(6) 為了提高采油經(jīng)濟(jì)效益， 降低能源消耗，減少抽油成本， 研制與應(yīng)用了各種新型節(jié)能抽油機(jī)和節(jié)能部件。例如異相型抽油機(jī)、前置式抽油機(jī)、前置式氣平衡抽油機(jī)、大圈式抽油機(jī)、輪式抽油機(jī)、全膠帶傳動(dòng)抽油機(jī)、井架型抽油機(jī)、滾筒式抽油機(jī)、缸體式抽油機(jī)、玻璃鋼抽油桿用抽油機(jī)、自動(dòng)化抽油機(jī)和智能抽油機(jī)等。節(jié)能部件有： 高轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)節(jié)能控制柜、窄V 聯(lián)組膠帶、同步膠帶、齒型膠帶等。上述抽油機(jī)和部件能節(jié)電10%～50%。(7) 為了提高抽油機(jī)精確平衡效果， 達(dá)到節(jié)電和提高抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與使用壽命， 研制與應(yīng)用了各種平衡方式抽油機(jī)。例如變平衡力矩抽油機(jī)、氣平衡抽油機(jī)、氣囊平衡抽油機(jī)、雙井平衡抽油機(jī)和自動(dòng)平衡抽油機(jī)等。(8) 為了滿足邊遠(yuǎn)地區(qū)沒有電源的抽油井試油或采油以及間歇抽油的需要， 研制與應(yīng)用了車裝式抽油機(jī)， 采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)或汽油機(jī)、柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)抽油機(jī)， 具有使用移動(dòng)靈活等特點(diǎn)。(9) 為了提高采油效率， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開采石油， 研制與應(yīng)用了各種自動(dòng)化抽油機(jī)和智能抽油機(jī)， 采用先進(jìn)的微機(jī)系統(tǒng)控制、檢測(cè)和診斷抽油機(jī)運(yùn)行與故障， 以確保高效安全經(jīng)濟(jì)抽油。 國內(nèi)抽油機(jī)的發(fā)展概況我國游梁式抽油機(jī)的制造雖然只有40多年的歷史，但發(fā)展很快。目前已有生產(chǎn)廠家三十多個(gè)，抽油機(jī)的規(guī)格有十余種。國內(nèi)抽油機(jī)按起傳動(dòng)、換向系統(tǒng)和平衡方式分類，主要有以下幾種：(1)常規(guī)游梁式抽油機(jī)及其改型抽油機(jī)常規(guī)游梁式抽油機(jī)是油田生產(chǎn)的主力機(jī)型，最大的沖程為6米。該機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械換向簡(jiǎn)單，機(jī)械換向平穩(wěn)；同時(shí)在傳動(dòng)件中很少使用壽命較短、可靠性較差的擾性構(gòu)件，因此使用和維護(hù)都比較簡(jiǎn)單，可靠性也高，是現(xiàn)有各抽油機(jī)中最成熟的機(jī)種，且適用于全天候工作，至今在眾多有桿式抽油機(jī)的應(yīng)用中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。(2)四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)抽油機(jī)這類抽油機(jī)主要是以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為主機(jī)夠的增程式、浮動(dòng)輪式等幾種。但該抽油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝維護(hù)困難，目前在油田應(yīng)用很少。(3)六桿機(jī)構(gòu)的抽油機(jī)為了克服四桿機(jī)構(gòu)抽油機(jī)的缺點(diǎn)，有研制了數(shù)種采用六桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的抽油機(jī)。但這種機(jī)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性不高，動(dòng)力性改善并不明顯。(4)筒式抽油機(jī) 滾筒式抽油機(jī)是利用換向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滾筒正、反轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)柔性見饒國天輪驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)做上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的抽油機(jī)。這類抽油機(jī)沒能在油田大面積推廣，原因是換向系統(tǒng)的可靠性和壽命較低，而且沖擊和噪音大，平衡困難。(5)鏈條式抽油機(jī)鏈條式抽油機(jī)是利用軌跡鏈條上的特殊鏈節(jié)，帶動(dòng)往返架往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)懸點(diǎn)上、下運(yùn)動(dòng)的抽油機(jī)。平衡方式主要是氣平衡和重塊平衡。但前者存在密封和失載保護(hù)等問題，故障率高；后者慣性載荷大，鏈條和特殊鏈節(jié)的受力情況惡化，故障率較高。而且該類抽油機(jī)維修費(fèi)用大大高于常規(guī)型游梁式抽油機(jī)。(6)液壓式抽油機(jī)它是以液壓傳動(dòng)技術(shù)為特征的抽油機(jī)。它可以最大限度地發(fā)揮油井產(chǎn)能，延長地面和井下設(shè)備的使用壽命，具有很好的產(chǎn)油經(jīng)濟(jì)性。但在國內(nèi)，由于液壓元件制造水平的制約，液壓抽油機(jī)可靠性不高，維護(hù)比較困難，故起發(fā)展比較遲緩。1010kWh，%，年電費(fèi)支出達(dá)42億；每臺(tái)在用的抽油機(jī)平均年維護(hù)費(fèi)用約3000元，，；。抽油機(jī)井是油田生產(chǎn)量大面廣、投入較大的項(xiàng)口，因此，降低抽油機(jī)井的生產(chǎn)成本、提高原油生產(chǎn)效率，將是油田實(shí)現(xiàn)挖潛增效的主戰(zhàn)場(chǎng)。若每口抽油井(其中90%以上為常規(guī)游梁式抽油機(jī))實(shí)用功率按10kW計(jì)， 5104臺(tái)抽油機(jī)每天耗電近12106kWh，109 kWh[5]。若我們將抽油機(jī)的系統(tǒng)效率平均提高15 %， 109 kWh。，還可以緩解油田用電緊張狀況，既有經(jīng)濟(jì)效益又有社會(huì)效益。常規(guī)游梁式抽油機(jī)自誕生以來，歷經(jīng)百年使用，經(jīng)歷了各種上況和各種地域油田的考驗(yàn)，經(jīng)久不哀，目前仍在國內(nèi)外油田普遍使用。常規(guī)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維修方便、適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況等優(yōu)點(diǎn)，在采油機(jī)械中占有舉足輕重的地位。但是由于常規(guī)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，決定了它平衡效果差，曲柄凈扭矩脈動(dòng)大，存在負(fù)扭矩、載荷率低、上作效率低和能耗大等缺點(diǎn)。在采油成本中，抽油機(jī)電費(fèi)占30%左右，年耗電量占油田總耗電量的20～30%，為油田電耗的第二位，僅次于注水。常規(guī)抽油機(jī)的主要問題是能耗大，效率低。我國油田在用的常規(guī)型游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)效率較低，只有16%～23%，先進(jìn)的地區(qū)至今也不到30%，美國的常規(guī)型抽油機(jī)系統(tǒng)效率較高，但也僅為46%。究其原因，在于系統(tǒng)總效率是系統(tǒng)在地面和井下近個(gè)組成部分的分效率和相關(guān)反饋系數(shù)的乘積，顯然要提高抽油機(jī)系統(tǒng)的總效率實(shí)現(xiàn)節(jié)能是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)上程問題，任何一環(huán)的分效率變低，都會(huì)是總效率變低，由此可見降低系統(tǒng)高能耗的迫切性和難度。但由于在同一工況、井況和同一時(shí)刻下，井下的損耗因地面游梁機(jī)型不同而發(fā)生的差異不會(huì)很大，因此本文僅從游梁機(jī)的地面效率角度，研究其節(jié)能問題。抽油機(jī)能耗大的主要原因：抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷狀況是影響抽油機(jī)能耗的主要因素。人們普遍認(rèn)為，游梁機(jī)上作效率不高的主要原因是其載荷特性與所用普通三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性不相匹配，電機(jī)的負(fù)載率過低致使電機(jī)以較低的效率運(yùn)行。 抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)和抽油泵上作的特點(diǎn)，形成了抽油機(jī)特有的負(fù)荷特性：帶有沖擊的周期交變載荷。在抽油機(jī)運(yùn)行的一個(gè)周期內(nèi)：上沖程時(shí)，懸點(diǎn)要提升沉重的抽油桿和油液柱需要減速器傳遞很大的正向轉(zhuǎn)矩：下沖程時(shí)，輸出軸被下落的懸點(diǎn)負(fù)荷(抽油桿自重)正向拖動(dòng)，使主動(dòng)軸反向做功，減速器要傳遞較大的反向轉(zhuǎn)矩。電機(jī)在一個(gè)沖程中的某些時(shí)段被下落的抽油桿反向拖動(dòng)，運(yùn)行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落所釋放的機(jī)械能有部分轉(zhuǎn)變成了電能回饋電網(wǎng)，但所回饋的電能不能全部被電網(wǎng)吸收，引起附加能量損失。抽油機(jī)工作時(shí)，電機(jī)所受的負(fù)荷變化極大，在每一沖程的末尾，減速器輸出軸上往往出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，在這種情況下，電機(jī)會(huì)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。(特別是當(dāng)抽油機(jī)平衡不良時(shí)，其電機(jī)輸出功率甚至可能在－20%～120%額定功率值的范圍內(nèi)變化)，目前游梁式抽油機(jī)主要采用曲柄平衡，即使在平衡良好的情況下，減速器輸出