惠小龍（大慶油田采油工程研究院）

傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)由于其自身四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，曲柄凈扭矩脈動大，存在功率利用率低、平衡效果差、系統(tǒng)效率低、能耗高等不足，已不能完全適應(yīng)當(dāng)前油田節(jié)能降耗的發(fā)展趨勢[1-5]。據(jù)統(tǒng)計，游梁式抽油機(jī)占機(jī)采井總數(shù)的80%以上，運行耗電量占比超過油田總耗電量的40%以上，是油田能耗大戶[6-7]。

為了節(jié)能降耗，國內(nèi)油田開展了各種塔架式抽油機(jī)技術(shù)引進(jìn)及攻關(guān)研究工作，因塔架式抽油機(jī)相比于游梁式抽油機(jī)具有長沖程低沖次、高傳動效率、重力直接平衡等特點，使其具備良好的節(jié)能效果[8-9]。但由于機(jī)型眾多，缺乏科學(xué)評價，限制了其規(guī)模應(yīng)用。為了充分發(fā)掘塔架式抽油機(jī)節(jié)能降耗潛力，選取一種具有代表性且初具應(yīng)用規(guī)模的新型塔架式抽油機(jī)，通過開展室內(nèi)模擬實驗、現(xiàn)場試驗及經(jīng)濟(jì)技術(shù)評價，為未來塔架機(jī)在老井節(jié)能改造和新井產(chǎn)能方案應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)，從而降低機(jī)采井系統(tǒng)能耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)原理

新型塔架式抽油機(jī)主要由機(jī)架、永磁同步電動機(jī)、鏈輪、大滾筒、小滾筒、皮帶、懸繩器、配重箱等部件組成。永磁同步電動機(jī)通過鏈輪直聯(lián)大、小滾筒，系統(tǒng)通過控制永磁同步電動機(jī)帶動大、小滾筒旋轉(zhuǎn)和換向，從而驅(qū)動纏繞在大、小滾筒上的皮帶上下往復(fù)運動，皮帶一端連接配重，一端連接抽油桿，在配重和抽油桿平衡下完成采油過程。

1.2 節(jié)能原理

電動機(jī)節(jié)能：永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)高，無功損耗低，效率高，在30%額定負(fù)載工況下，三相異步電動機(jī)效率為77%，而永磁同步電動機(jī)為92%；高效區(qū)間廣，即使在低負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)功率因數(shù)、效率也接近額定負(fù)載水平，非常適用于抽油機(jī)井日常輕載運行工況。

結(jié)構(gòu)節(jié)能：結(jié)構(gòu)緊湊，動力傳動鏈短，傳動效率高。永磁電動機(jī)通過鏈輪直接驅(qū)動滾筒進(jìn)行動力傳遞，無減速箱，減少傳動環(huán)節(jié)能量損耗。

平衡節(jié)能：采用重力直接平衡，抽油桿與配重之間平衡率達(dá)90%以上，系統(tǒng)做功僅需克服平衡差及阻力，運行消耗功率顯著降低。

2 技術(shù)特點

新型塔架式抽油機(jī)屬于“長沖程、低沖次”機(jī)電一體化抽油機(jī)，結(jié)合了現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)和直線抽油方式，可以解決游梁式抽油機(jī)能耗高、系統(tǒng)效率低、調(diào)參困難的問題，具有四方面技術(shù)優(yōu)勢[10]。

1）長沖程、低沖次，檢泵周期長。新型塔架式抽油機(jī)沖程最高可達(dá)8 m，沖程損失占比小，井下泵充滿系數(shù)增大，泵效高；低沖次，桿管磨損次數(shù)顯著減小，可有效降低抽油桿柱慣性載荷、振動載荷，有助于延長井下桿、管設(shè)備使用壽命。

2）傳動效率高，節(jié)能效果好。整機(jī)傳動結(jié)構(gòu)為高效永磁同步電動機(jī)—鏈輪—驅(qū)動滾筒，與游梁式抽油機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)相比，傳動鏈大幅縮短，能耗損失小，節(jié)能高效。

3）安全性好，維護(hù)簡便。采用電磁剎車制動系統(tǒng)，配重箱軌道式運行，在槽鋼內(nèi)側(cè)加上ATS 磁力制動剎車功能，且配備配重緩降裝置，當(dāng)桿斷失載后緩降裝置下立彈簧拉伸，兩側(cè)夾板張開夾緊機(jī)架兩側(cè)槽鋼，增大摩擦力，降低配重下降速度，可有效保障停機(jī)、失載情況下的安全可靠性。沖程、沖次通過控制面板操作完成，平衡調(diào)整僅需單人對平衡塊增減即可；日常維護(hù)保養(yǎng)工作量少，每年僅需對滾筒軸承、鏈輪、鏈條箱做潤滑保養(yǎng)2次即可。

4）自動化程度高。CPU 根據(jù)模糊控制，實時監(jiān)測井下動液面位置，智能調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次，從而保證抽油泵始終在合理沉沒度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，避免了設(shè)備做無用功所帶來的能量損耗。

3 標(biāo)準(zhǔn)井模擬試驗

選取的試驗井為報廢井改造，射孔段已經(jīng)進(jìn)行封堵，試驗介質(zhì)采用清水，可排除其他氣液等外因影響。評價采用“效果比定法”，即選擇理論產(chǎn)液量（沖程×沖次=定量）、動液面為統(tǒng)一定量，保持新型塔架式抽油機(jī)與原態(tài)游梁式抽油機(jī)在相同理論產(chǎn)液量、相同動液面條件下進(jìn)行能耗對比分析。

3.1 試驗工況

試驗井深1 200 m；泵掛深度940 m；游梁式抽油機(jī)（CYJ10-3-37HB）沖程3 m，沖次4 次/min；新型塔架式抽油機(jī)（WCYJD10-8-23Z）沖程5 m，沖次2.4 次/min。

評價標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 6422—2016 《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測定》、Q/SY 101—2011《抽油機(jī)及輔助配套設(shè)備節(jié)能檢測和評價方法》。

3.2 結(jié)果分析

新型塔架式抽油機(jī)與游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)效率對比曲線見圖1、新型塔架式抽油機(jī)綜合節(jié)電率對比曲線見圖2。從對比曲線看：新型塔架式抽油機(jī)在動液面100～700 m 范圍內(nèi)均有一定的節(jié)能效果，且隨著動液面逐漸加深，負(fù)載率增大，系統(tǒng)效率提高，節(jié)能效果逐漸變差，在100 m 液面，新型塔架式抽油機(jī)負(fù)載率為18%，系統(tǒng)效率為12.24%，綜合節(jié)電率26.95%；在700 m 液面，新型塔架式抽油機(jī)負(fù)載率為64.5%，系統(tǒng)效率為36.98%，綜合節(jié)電率僅為5.76%，節(jié)電效果變差。

圖1 新型塔架式抽油機(jī)與游梁式抽油機(jī)系統(tǒng)效率對比曲線Fig.1 Comparison curve of comprehensive power saving rate of new tower-frame pumping unit

圖2 新型塔架式抽油機(jī)綜合節(jié)電率對比曲線Fig.2 Comparison curve of comprehensive power saving rate of new tower-frame pumping unit

經(jīng)分析，產(chǎn)生上述變化的原因是隨著動液面深度的加深，抽油機(jī)負(fù)載率增大，游梁式抽油機(jī)三相異步電動機(jī)效率相應(yīng)大幅度提高，能耗損失逐步減小，因而新型塔架式抽油機(jī)綜合節(jié)電率逐漸下降。

4 現(xiàn)場試驗

新型塔架式抽油機(jī)在大慶油田A 采油廠開展現(xiàn)場試驗5 口井，機(jī)型均為WCYJD8-8-23Z，截至目前平穩(wěn)運行，免修期已超900 d。與改造前游梁式抽油機(jī)相比，平均裝機(jī)功率由35.4 kW 下降到20 kW，下降43.5%，系統(tǒng)效率由27.96%提高到35.31%，提高7.35個百分點，有功單耗由1.04 kWh/100 m·t 下降到0.84 kWh/100 m·t，有功節(jié)電率19.23%，綜合節(jié)電率23.44%，節(jié)能降耗效果顯著，新型塔架式抽油機(jī)安裝前后節(jié)能效果對比見表1。

表1 新型塔架式抽油機(jī)安裝前后節(jié)能效果對比Tab.1 Comparison of energy conservation effect of new tower-frame pumping unit before and after installation

5 經(jīng)濟(jì)效益評價

以同機(jī)型游梁式抽油機(jī)為參照物，從一次性投資、能耗、維護(hù)費、作業(yè)費等方面對新型塔架式抽油機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益評價。

5.1 一次性投資對比

新型塔架式抽油機(jī)的價格構(gòu)成中包含永磁電動機(jī)和智能控制箱，而游梁式抽油機(jī)的價格構(gòu)成不包含，按抽油設(shè)備目前最新價格計算，新型塔架式抽油機(jī)一次性投資略高于游梁式抽油機(jī)4.09 萬元。

5.2 平均能耗對比

與游梁式抽油機(jī)對比，塔架機(jī)平均消耗功率下降0.74 kWh，單井日節(jié)約電量17.76 kWh，平均年可節(jié)約電費0.41 萬元，平均能耗對比見表2。

表2 平均能耗對比Tab.2 Comparison of average energy consumption

5.3 維護(hù)費對比

游梁式抽油機(jī)維護(hù)工作量包括加潤滑油、換皮帶、加盤根、更換中軸承、尾軸承、曲柄銷子等20 多種零部件，年換皮帶費用約2 000 元，年加盤根6～10 次，平均單井維護(hù)性費用按油田公司1 口井4 500 元計算，預(yù)計單井10 a 維護(hù)性費用4.5 萬元。

新型塔架式抽油機(jī)維護(hù)工作量包括加潤滑油、換皮帶、加盤根，皮帶質(zhì)保期5 a 以上，更換皮帶費用0.7 萬元，年加盤根2～3 次，預(yù)計單井10 a 維護(hù)性費用1 萬元。

5.4 作業(yè)費對比

新型塔架式抽油機(jī)沖次為1～3 次/min，與抽油機(jī)平均沖次6 次/min 相比，抽油桿上下往復(fù)運動次數(shù)比抽油機(jī)減少一半以上，通常桿、管的壽命按照8 a 計算，為此，抽油機(jī)的桿、管按照10 a 內(nèi)更換一半計算共節(jié)約5.5 萬元。檢泵周期依據(jù)A 油田2021 年水驅(qū)抽油機(jī)平均檢泵周期及塔架機(jī)平均檢泵周期計算由845 d 延長至1 356 d；檢泵費用包括勞務(wù)費及更換井下工具的材料費用。單次節(jié)省1.2 萬元，共節(jié)約5.5 萬元。按10 a 壽命計算，新型塔架式抽油機(jī)比抽油機(jī)單井年節(jié)約作業(yè)費用1.72 萬元。

5.5 總體經(jīng)濟(jì)效益分析

按照十年使用壽命計算，新型塔架式抽油機(jī)與游梁式抽油機(jī)相比，年均可節(jié)約運行成本2.071萬元，差值投資回收期為1.97 a，10 a 運行總成本對比見表3。

表3 10 a 運行總成本對比Tab.3 Comparison of ten-year total operating costs

6 結(jié)論及認(rèn)識

1）從標(biāo)準(zhǔn)井模擬試驗結(jié)果來看，新型塔架式抽油機(jī)在不同工況下均具有一定的節(jié)能效果，且在低負(fù)載工況下節(jié)能效果更佳。

2）相同地質(zhì)條件及井況下，與改造前游梁式抽油機(jī)相比，新型塔架式抽油機(jī)系統(tǒng)效率由27.96%提高到35.31%，提高7.35 個百分點，有功單耗由1.04 kWh/100 m·t 下降到0.84 kWh/100 m·t，綜合節(jié)電率23.44%。

3）新型塔架式抽油機(jī)相比于游梁式抽油機(jī)年可節(jié)約運行成本2.071 萬元，差值投資回收期為1.97 a，經(jīng)濟(jì)效益顯著。