艾白布·阿不力米提，劉永紅，林榮桔，蔡寶平

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 東營(yíng)257061）①

目前，我國(guó)各油田的各類抽油機(jī)總數(shù)已超過(guò)10萬(wàn)臺(tái)，按平均每臺(tái)電機(jī)容量40kW計(jì)算（實(shí)際上不止于此，部分使用45、55、75kW電機(jī)），裝機(jī)總?cè)萘吭?×106kW以上，而實(shí)際轉(zhuǎn)化為有用功的部分不到總能耗的42%，也即有每小時(shí)2.32×106kW·h的電能白白浪費(fèi)在負(fù)載平衡和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上。按國(guó)家大工業(yè)用電收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)——￥0.848元／（kW·h）計(jì)算，這將給油田每年帶來(lái)約￥180億元的經(jīng)濟(jì)損失。

為解決抽油作業(yè)高能耗、低效率的問(wèn)題，較常采用的方法有改進(jìn)電機(jī)和開(kāi)發(fā)新型抽油機(jī)2種，但目前抽油機(jī)拖動(dòng)電機(jī)的負(fù)載率普遍較低，仍需要改進(jìn)和提高。因此，為節(jié)約能源和開(kāi)采成本，筆者設(shè)計(jì)了一種新型抽油機(jī)。

1 抽油設(shè)備現(xiàn)狀［1－13］

1.1 游梁式抽油機(jī)

游梁式抽油機(jī)自誕生以來(lái)已有百余年歷史，發(fā)展至今已相當(dāng)成熟，它特別能適應(yīng)野外惡劣的工作環(huán)境。常規(guī)梁式抽油機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件少、耐用、可靠性高，操作簡(jiǎn)單、維修方便、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但其存在以下問(wèn)題：

1） 游梁式抽油機(jī)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，效率較低，主要環(huán)節(jié)是皮帶傳動(dòng)、減速箱和四連桿機(jī)構(gòu)。

2） 加大沖程時(shí)減速箱扭矩成正比例增大。

3） 游梁式抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)使得驢頭運(yùn)動(dòng)規(guī)律類似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，造成抽油運(yùn)動(dòng)過(guò)程不平穩(wěn)，降低了抽油機(jī)有效載荷的利用率，縮短了抽油機(jī)的使用壽命。

1.2 寬帶式抽油機(jī)

在鏈條抽油機(jī)的基礎(chǔ)上，由勝利油田和美國(guó)EVI－高原泵公司合作，改進(jìn)設(shè)計(jì)成功的ROTAFLEX抽油機(jī)克服了常規(guī)游梁式抽油機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)、設(shè)備龐大笨重和鏈條式抽油機(jī)使用壽命短的缺點(diǎn)。

由于它與現(xiàn)有的有桿抽油泵配合使用，只能實(shí)現(xiàn)單向抽油，限制了油井的排量。同時(shí)，為了平衡下沖程的慣性力而配置的平衡塊使設(shè)備變得笨重，也帶來(lái)了額外的功率損耗。

1.3 直線抽油機(jī)

直線電動(dòng)機(jī)是將電能直接轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不但提高了效率，而且能實(shí)現(xiàn)抽汲參數(shù)的無(wú)極調(diào)整，進(jìn)而能根據(jù)抽油的需要調(diào)整懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。但目前這種抽油機(jī)沒(méi)有普遍投入生產(chǎn)使用，有待進(jìn)一步實(shí)踐和考驗(yàn)。

1.4 異形游梁式抽油機(jī)

異形游梁式抽油機(jī)是在常規(guī)抽油機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以保持了常規(guī)抽油機(jī)的很多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又由于它采用了“變參數(shù)四桿機(jī)構(gòu)”的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，克服了常規(guī)抽油機(jī)固定四桿機(jī)構(gòu)的弱點(diǎn)，不但解決了常規(guī)抽油機(jī)因添加平衡塊而能耗大的問(wèn)題，也解決了固定四桿機(jī)構(gòu)的“死角”問(wèn)題，有利于游梁擺角的加大，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)小結(jié)構(gòu)、大沖程，從而提高抽油機(jī)的綜合效率，成為一種目前較為理想的地面采油設(shè)備。

該機(jī)目前有6型、8型、10型、12型、14型、16型等規(guī)格型號(hào)的異形游梁系列抽油機(jī)，并有1 000余臺(tái)分別在華北、大港、勝利、大慶、遼河、吉林、冀東、吐哈、克拉瑪依等油田使用。

異形游梁式抽油機(jī)雖然很好地解決了抽油機(jī)上的問(wèn)題，但沒(méi)有改變單泵抽油的缺點(diǎn)。

1.5 井下抽油泵

現(xiàn)有的常規(guī)抽油泵主要有管式泵和桿式泵，它們都是單作用泵，只能實(shí)現(xiàn)斷續(xù)抽油。在特殊抽油泵中為了提升泵效專門設(shè)計(jì)了雙作用泵，但不論是單作用泵還是雙作用泵都不能解決斷續(xù)抽油的缺點(diǎn)。

2 高效雙向抽油設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

高效雙向抽油機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由電機(jī)、V形皮帶輪、變速箱、鏈輪、鏈條、導(dǎo)軌、換向器、皮帶輪、滑輪以及機(jī)架底座組成。圖中2個(gè)相同的滑輪安裝在機(jī)架頂部的同一平面，為鋼絲繩提供往復(fù)動(dòng)力換向。下皮帶輪處于機(jī)架的右下方，上皮帶輪位于機(jī)架的右上方及右滑輪的下方，為皮帶提供往復(fù)運(yùn)動(dòng)換向。電機(jī)安裝在機(jī)身左下部，為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力。電機(jī)右上部是變速器，為抽油機(jī)轉(zhuǎn)換提供所需的轉(zhuǎn)速和扭矩。

圖1 高效雙向抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 抽油機(jī)工作原理

電機(jī)通過(guò)V形皮帶把動(dòng)力傳送到變速箱，變速箱帶動(dòng)下鏈輪旋轉(zhuǎn)，下鏈輪和上鏈輪通過(guò)鏈條互相傳送動(dòng)力，鏈條帶動(dòng)換向器。當(dāng)下鏈輪在變速箱的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，鏈條及上鏈輪一起動(dòng)作，這時(shí)安裝在鏈條上的換向器在鏈條的帶動(dòng)下在導(dǎo)軌上上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。換向器上端與鋼絲繩固定連接，鋼絲繩繞過(guò)機(jī)身頂部2個(gè)滑輪各換向90°，另一端與實(shí)心抽油桿連接。換向器下端與皮帶固定連接，皮帶繞過(guò)上下2個(gè)皮帶輪各換向180°，另一端與空心抽油桿連接。換向器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)安裝在上端鋼絲繩的一端伸長(zhǎng)，安裝在下端皮帶的另一端伸縮；當(dāng)換向器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，安裝在上端鋼絲繩的一端伸縮，安裝在下端皮帶的另一端伸長(zhǎng)。這樣通過(guò)鏈輪、鏈條、換向器、2個(gè)鏈輪和2個(gè)皮帶輪，把電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)換向轉(zhuǎn)換為實(shí)心抽油桿和空心抽油桿的同步往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為井下2套抽油泵提供所需的同步往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

2.3 井下抽油泵結(jié)構(gòu)

高效雙向抽油設(shè)備井下抽油泵的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由實(shí)心抽油桿、空心抽油桿、油管、套管、空心活塞套、實(shí)心活塞套及游閥套等構(gòu)成。

圖2 井下抽油泵結(jié)構(gòu)

空心活塞套安裝在實(shí)心活塞套的上部，使2個(gè)活塞套之間形成柱形腔，為閥門的打開(kāi)與關(guān)閉提供壓力差?？招幕钊子苫钊?、錘形閥座、活塞腔組成?？招幕钊椎倪\(yùn)動(dòng)動(dòng)力由空心抽油桿提供，即空心活塞套的上端與空心抽油桿的下端固定連接。實(shí)心活塞套安裝在空心活塞套下端，空心活塞套由閥芯、上下閥座及閥套等組成。實(shí)心活塞套的往復(fù)動(dòng)力由實(shí)心抽油桿提供，即實(shí)心活塞套的上端與實(shí)心抽油桿的下端固定連接。實(shí)心抽油桿穿過(guò)空心抽油桿與空心活塞套的中心，始終與油管及套管處于同心位置。

空心活塞套是高效抽油泵的技術(shù)關(guān)鍵，其工作原理與VR－S抽油泵相同，依靠油管內(nèi)各個(gè)腔內(nèi)的壓差使錐形閥打開(kāi)、閉合。在結(jié)構(gòu)上，實(shí)心抽油桿穿過(guò)空心活塞套及空心抽油管，為實(shí)心活塞套提供往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。游閥套固定安裝在井底。

高效雙向抽油機(jī)及抽油泵整體試驗(yàn)樣機(jī)如圖3所示。

圖3 高效雙向抽油機(jī)及抽油泵整體試驗(yàn)樣機(jī)

2.4 井下抽油泵工作原理

如圖2所示，空心活塞套在空心抽油桿的帶動(dòng)下由最低位置向上運(yùn)動(dòng)，空心活塞在重力和油管上腔（空心活塞套以上）內(nèi)原油壓力的作用下與錘形下座密封接觸。隨著空心活塞套上行，原油沿油管上腔排到地面，同時(shí)實(shí)心柱塞由最高位置在自身重力與實(shí)心抽油桿的作用下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)油管中腔（空心活塞套與實(shí)心活塞套之間的柱形空間）與油管下腔（實(shí)心活塞套以下）產(chǎn)生壓差，使實(shí)心活塞套的球閥在壓差的作用下被頂開(kāi)（相當(dāng)于進(jìn)油閥）；油管中腔開(kāi)始進(jìn)油，直到實(shí)心活塞套下行到最低位置、空心活塞上行到最高位置點(diǎn)。達(dá)到2個(gè)極限以后，井上抽油機(jī)換向器換向以后，實(shí)心抽油桿帶著實(shí)心活塞套從最低位置開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)行活塞套內(nèi)的球閥在重力與壓差的作用下與下閥座密封接觸；空心活塞由最高位置開(kāi)始下行，此時(shí)油管中腔產(chǎn)生壓差，在壓差的作用下空心活塞打開(kāi)，形成油路，原油沿油管中腔與油管上腔排到地面，直到空心活塞下行到最低位置、實(shí)心活塞套上行到最高位置。完成了連續(xù)抽油的1個(gè)循環(huán)，周而復(fù)始地將原油抽到地面。

3 性能試驗(yàn)

3.1 理論排量

抽油機(jī)的排量是衡量抽油機(jī)性能的主要技術(shù)指標(biāo)之一。抽油機(jī)的理論排量由2部分組成，即下沖程和上沖程時(shí)的理論排量之和。

抽油機(jī)在上沖程時(shí)的理論排量為

式中：H為抽油機(jī)沖程；D為油管直徑；d為抽油桿直徑。

抽油機(jī)在下沖程時(shí)的理論排量為

通過(guò)式（1）～（2）得出抽油機(jī)在1個(gè)循環(huán)工作過(guò)程中的理論排量為

通過(guò)傳統(tǒng)抽油機(jī)的排量計(jì)算公式可推導(dǎo)出高效雙向抽油機(jī)的理論排量計(jì)算公式。高效雙向抽油機(jī)空心抽油泵組完成1次抽油工作時(shí)的理論排量為

高效雙向抽油機(jī)實(shí)心抽油泵組完成1次抽油工作時(shí)的理論排量為

由式（4）～（5）得出高效雙向抽油機(jī)在1個(gè)循環(huán)工作過(guò)程中的理論排量為

抽油機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 抽油機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)技術(shù)參數(shù)

在油管直徑和抽油機(jī)沖程相等的情況下，高效雙向抽油的理論排量提高百分比為

則由表1可以得出高效雙向抽油機(jī)的理論排量提高百分比為

3.2 排量試驗(yàn)

由于抽油泵的制造精度誤差影響密封性能，存在漏失率，因此理論排量計(jì)算數(shù)據(jù)不能完全反應(yīng)高效雙向抽油機(jī)優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)相同油管直徑、相同沖程和相同抽油桿（實(shí)心桿）直徑的抽油泵進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，分別給出5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)是抽油機(jī)完成1次循環(huán)工作時(shí)的實(shí)際排量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 高效抽油泵與單作用泵的抽油排量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可計(jì)算出高效抽油泵試驗(yàn)排量提高值百分比：（油泵試驗(yàn)排量均值－單作用泵試驗(yàn)排量均值）／單作用泵試驗(yàn)排量均值，即

3.3 理論排量與試驗(yàn)排量對(duì)比分析

表2中泵效是指完成1次循環(huán)工作時(shí)的實(shí)際排量與理論排量的比值。泵效直接反應(yīng)加工精度對(duì)工作性能的影響。通過(guò)泵效數(shù)據(jù)可得出：在相同加工精度的條件下，高效抽油泵的泵效低于單作用泵，說(shuō)明高效抽油泵對(duì)加工精度的要求比單作用泵的低。

從以上數(shù)據(jù)可以看出：理論提高排量QL（90.82%）明顯高于試驗(yàn)提高排量QS（88.19%），主要原因是2臺(tái)抽油泵的制造精度誤差導(dǎo)致密封性不一樣，漏失率也不同，從而影響試驗(yàn)結(jié)果。但從2組數(shù)據(jù)可以看出：本新型抽油機(jī)可以明顯地提高原油排量，提高泵效，從而節(jié)約了能源，降低了采油成本，能給油田帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

首次提出利用2臺(tái)同步反向抽油泵在井下構(gòu)成雙作用組合泵的設(shè)計(jì)理念，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出了可實(shí)現(xiàn)高效雙向抽油的抽油機(jī)。在抽油機(jī)換向器上下端固定連接鋼絲繩和皮帶，為井下2臺(tái)泵提供所需的同步反向動(dòng)力。通過(guò)合理布置滑輪和皮帶輪位置，使實(shí)心抽油桿和空心抽油桿在同一平面，進(jìn)而保障2臺(tái)泵處于同心位置。此新型抽油機(jī)井下采用2臺(tái)抽油泵，1臺(tái)抽油泵的抽油桿套在另1臺(tái)抽油泵的抽油桿內(nèi)，2個(gè)抽油桿通過(guò)井上的換向機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步反向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的連續(xù)抽油，提高泵效。試驗(yàn)結(jié)果表明：該抽油機(jī)及抽油泵能夠滿足使用要求，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

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