新型抽油設備研發與推廣應用的啟示

王濟新

中國石油新疆油田分公司工程技術處 （新疆 克拉瑪依 834000）

目前國內大多數油田采用機械方式開采原油。雖然國內近年來一些新的舉升工藝和設備的研發（例如螺桿泵和往復電潛泵等）取得了長足進展，但有桿泵機械采油井仍然占到總采油井數的80%以上，各種類型的抽油機仍然是油田上機械采油的主要設備。20多年來，在抽油機的研發和推廣方面，各種新型節能抽油機層出不窮，除了在常規抽油機基礎上進行改良或提升智能化水平的游梁式節能抽油機外，立式抽油機的研發與推廣成為十分熱門的話題。但是從目前的情況看，真正在油田上得到大規模推廣的新型抽油機種類并不多。國內節能型抽油設備的發展歷程實際上是走過了許多彎路，并造成了大量的資金和人力物力的浪費。在抽油設備研發與推廣中，有5個方面的問題值得生產廠家和油田用戶考慮。

1 抽油設備設計與選型

對于所研發抽油設備的使用環境和運行工況進行認真的調研，是一種新設備設計初期都必須要做的事情。但在實踐中，確實存在許多由于在研發初期沒有認真做好調研而產生問題的實例。例如在稠油生產井上使用的游梁式抽油機，由于沒有充分考慮蒸汽吞吐開采稠油井的載荷特點，或出于降低設備制造成本的考慮，設備動力和減速箱的配置偏低，出現過抽油機減速箱齒輪打齒成批損壞的情況。有的因設計的強度不夠或加工制造工藝有問題而出現驢頭與支架等部位開裂、游梁斷裂等問題。還出現過抽油機的平衡重量配置不夠，使抽油機長期處于過度的欠平衡運行狀態的情況。這些問題雖然在后期都得到了解決，但也浪費了大量的資金和人力，嚴重影響了原油生產。因此，在新型抽油設備設計（用戶在設備選型）的前期，要認真收集生產區塊抽油機的實際載荷等現場資料，有針對性地進行設計和選型。

這一問題的另外一個方面，是油田用戶和生產廠家都要關注設備的選型和運行問題。油田現場的人員要熟悉各種新型抽油機的結構特點和性能，正確選擇和使用抽油機，避免因選型和使用不當造成的損壞。生產廠家要認真關注抽油設備在現場的選用和運行使用情況，收集相關資料，了解油田現場的使用條件是否超出了設備的能力（例如電機功率、減速箱扭矩和平衡重量的配置），避免因使用不當而造成不應有的設備損壞現象。

在蒸汽吞吐稠油井的設備選型中，認真處理好抽油機的懸點載荷、減速箱額定扭矩和電機功率3者之間的關系，以避免出現因設備能力配置不足造成設備損壞而影響油田生產的情況。行業標準[1]對抽油系統的設計提出具體做法和要求，標準[2-3]規定了抽油機電動機的技術要求，但這些標準對于抽油機用電動機特別是稠油井電動機的選擇都沒有具體的要求，建議加強這方面技術標準的制定工作。

2 抽油設備性能試驗

2.1 抽油機的載荷試驗

按照石油行業標準[4-5]的規定，新的抽油機在出廠前需要做載荷試驗。對于新的抽油設備樣機，廠家一般也參照這種做法進行臺架運行試驗，以驗證設計方案的可行性。但這種做法的主要問題是，在廠內對抽油機所進行的懸重運行試驗與油田現場油井實際的工況有很大差距。除了工作場合的自然環境有差距外，主要是廠內懸重試驗的載荷特點與抽油機井的實際工況有很大的差距，這種一般性的廠內試驗無法代替在油田現場的運行試驗，不能真正檢驗設備的實際能力。

2.2 抽油機懸點載荷的基本特點

抽油機懸點載荷有3個基本的特點。一是上下沖程的載荷存在一定的差值。在稀油井上如果忽略摩擦載荷時，這個載荷差基本上等于深井抽油泵截面上的液柱載荷。在稠油井上，由于采出液的黏滯阻力很大，這種載荷差可能會達到很高的程度，這是抽油機載荷最大的和最基本的一個特點。二是懸點載荷有加載和減載的過程。由于抽油桿和油管在運行中發生彈性變形，在示功圖上會出現一個明顯的加載和減載的過程，泵掛越深，這一過程所占的時間就越長。三是存在一定的慣性載荷。由于運動中慣性力的影響，在上下沖程中都存在一定的慣性載荷，抽油機的沖次越高，慣性載荷就越大。

圖1是一幅考慮了慣性載荷及管桿彈性變形的抽油機懸點載荷理論示功圖。圖中的橫坐標是懸點位移，縱坐標是懸點載荷。虛線ABCD是沒有考慮慣性載荷的靜力示功圖，圖上有顯著的載荷差（BC和AD之間的垂直距離）和加載與減載的過程（AB線和 CD 線），實線 A＇B＇C＇D＇是受到慣性載荷影響而產生一定角度扭轉的理論示功圖，上下沖程的載荷線有較大的波動。該理論示功圖反映了抽油機懸點載荷的3個基本特點。

2.3 解決載荷試驗存在問題的途徑

生產廠家用金屬重塊進行的載荷試驗則基本上不具備抽油機載荷的3個特點。同時，在廠內試驗時可以將載荷的平衡度調整的很好，特別是采用對稱平衡方式的立式抽油機更是如此，此時電機只需做少量的功就可以維持運轉，這對于抽油機的電動機功率、減速箱扭矩的需求以及對設備各個系統的考驗程度遠不及油田現場。

圖1 抽油井的理論示功圖

如果沒有能夠較好地模擬抽油機井載荷的裝置，在抽油機的工作原理和設計制造質量通過廠內試驗的初步驗證后，生產廠家應該盡快將樣機投入油田現場進行載荷試驗。在廠內進行半年甚至1年以上的運行試驗實際上是不必要的。為減少試驗期間對油田原油生產的影響，可以與用戶協商，選擇報廢再利用的低產油井進行抽油機性能的驗證試驗。

3 抽油設備可靠性

3.1 抽油設備使用的自然環境

使用環境是任何設備研發者都要首先考慮的問題。目前，國內外大多數油田都位于自然環境和氣候較差甚至十分惡劣的地方，機械采油設備作為一種長時間運行的戶外設備，其使用的外部環境可以概括成幾句話：“設備連續運行，野外無人值守，承受風沙雨雪，歷經嚴冬酷暑”。

在節能抽油機的研發推廣過程中，有的廠家由于對這種設備使用環境的嚴酷性認識不夠，設備的性能指標（桿件強度、控制部分耐溫性）偏低，造成設備研發的失敗。

3.2 用戶對設備可靠性的要求

使用采油設備的生產單位對設備的連續運行能力（即可靠性）要求較高，主要原因是“原油產量按計劃生產，操作成本嚴格控制”。自然環境和用戶的要求這2方面的因素就決定了用于現場的采油設備必須滿足以下要求：“高度可靠、操作方便、安全性好、適應性強、維護費低、節能降耗”。

在這里，“高度可靠”是對抽油設備最重要的要求。在節能抽油機的研發推廣中，一些機型投入使用后不久就退出了油田，出現“曇花一現”的現象，其主要原因就是故障率偏高，可靠性差，運行時率低，不能滿足油田現場對抽油設備可靠性的要求。

3.3 節能與可靠性的關系

在新型抽油機的推廣過程中，“節能效果好”一直是一個亮點，也是生產廠家經常拿來宣傳其產品的主要“噱頭”。但經過多年的現場實踐，人們已經普遍認識到“可靠性”才是對抽油設備最重要的要求，沒有高度的可靠性節能就無從談起。這是由于生產原油的價值遠高于節約的電費。用實例來說明該問題。使用節能設備節約電量折合費用為

式中：A為節約電費折價，元；Mdy為噸液耗電，kW·h/t；δ為有功節電率，%；DP為電費價格，元/kW·h。

由于故障影響產油量的折價為

式中：B為影響產量折價,元；Q為日產液量，t/d；Ψ 為原油含水率，%；OP為原油價格，元/t。

某油田的噸液耗電為20kW·h/t，油井產液量4t/d，含水75%，使用節能設備的有功節電率為50%（一般達不到這樣的效果），電費為0.7元/kW·h，原油價格為3 000元/t，用公式（1）計算出每天節約電量折價為28.0元，若因故障停機1天，按（2）計算的原油價值為3 000元，2者相比，需要約107天的節電效果才能彌補這一損失。由此可見，如果故障率偏高，則抽油機節電所產生的效益會遠低于損失產量的價值。因此，設備制造廠家應將抽油設備的可靠性放在第一位，真正下大力氣努力提高抽油設備的可靠性，這是節能抽油設備能夠持續發展的根本所在。

4 抽油設備的輔助功能

4.1 輔助功能的內容

抽油機作為油田上一種最常見的采油設備，其主要功能是通過懸點的往復運動舉升抽油桿柱，帶動抽油泵完成抽油生產過程。與此同時，為了滿足正常的生產管理、安全運行和設備維護等方面的需要，抽油機還需要具備便于實施各種操作的輔助性功能。這些操作包括懸點對中、懸點載荷的卸載與掛載、給修井設備作業讓位、平衡調節、參數調整以及配合油井測試，等等。新的抽油設備要在設備運行高度可靠的基礎上，同時具備完善的各項輔助功能，才能成為生命力強大、深受用戶歡迎的設備。常規游梁式抽油機經過百余年的發展，各種輔助功能比較健全，油田現場也非常熟悉這些輔助功能的使用，這也是游梁式抽油機能夠長盛不衰的一個重要原因。

4.2 輔助功能不足所產生的問題

新型抽油設備在研發過程中，發生過某些輔助功能不夠健全的問題，這在立式抽油機上表現的比較突出。立式抽油機由于其特殊的結構和運行控制的機理，沖程、沖次等參數的調節和平衡調整比較方便，受到油田現場的普遍歡迎。但某些機型在作業讓位、依靠自身動力實施卸載與掛載以及配合測試等方面費時費力，操作比較困難。這些問題增加了設備使用的難度，嚴重影響了油田現場使用這種抽油機的積極性，成為妨礙新機型試驗和推廣的一個重要原因。因此，抽油設備生產廠家應該加強對新型抽油機各種輔助功能的研究，并在油田現場的反復試驗中不斷完善這些功能。在相關的技術標準[4-5]中應逐步完善這方面的要求。

5 抽油新設備的售后技術服務

生產廠家良好的售后服務是新設備試用和推廣過程中的必備條件。因為是新設備，用戶了解不夠，在使用和維護方面有一定困難，廠家必須提供好的技術服務，在這一點上廠家和用戶都已經達成了共識。近年來，隨著電子技術的快速發展，在抽油設備的控制系統中采用了較多的自動化技術，使設備的操作和使用更加方便，但這些方面正是油田現場維護的難點，廠家必須提供較好的服務才能保證設備的試驗和正常使用。

實現技術服務的本地化是新設備成功推廣的一個重要因素。例如近年來發展較快的立式抽油機具有參數調整十分簡便的特點，但這種簡便是由于采用了變頻及智能控制等比較先進的技術，其控制系統與常規游梁式抽油機相比要復雜許多，維護的難度較大，一般需要廠家的專業人員負責維護。在油田現場發現，一些新型立式抽油機試驗時的運行時率遠低于正常運行的游梁式抽油機，對油井生產造成不良影響，因而成為阻礙新設備推廣的主要因素之一。如果能通過提高控制系統標準化、模塊化設計水平，并在售后服務方面建立完善的質量管理體系，加強對現場維護人員的培訓或通過代理方式實現設備維護工作的本地化，無疑能夠推動新設備的大面積推廣。

6 結論

1）抽油設備的研發和油田現場的選型要充分考慮到油井的實際工況，這樣可以有效避免不必要的浪費，使新設備更好地發揮作用。

2）抽油井的載荷有3個基本的特點，在廠內的載荷試驗一般無法滿足這些特點。設備的工況試驗要盡量接近油井的實際情況。

3）可靠性是油田現場對抽油設備最基本和最重要的要求，也應該是設備生產廠家的追求。只有在可靠運行的前提下才有可能實現節能的目標。

4）抽油設備完善的輔助功能也非常重要，是設備能夠讓用戶接受和大面積推廣的重要前提之一。

5）售后服務是新設備能否推廣應用的關鍵因素之一，實現售后服務的本地化是新設備推廣應用的一條有效途徑。生產廠商要建立完善的抽油設備質量管理體系。

6）抽油設備的研發和推廣應用是一項復雜細致的系統工程，需要生產廠家和用戶之間的密切配合。與此同時，建立質量管理體系和不斷完善抽油機選型使用方面的技術規范是非常必要的。

[1]SY/T 5873-2005有桿泵抽油系統設計、施工作法[S].

[2]SY/T 5226-2005 CJT系列抽油機節能拖動裝置[S].

[3]SY/T 6636-2005游梁式抽油機用電動機規范[S].

[4]SY/T 5044-2003游梁式抽油機[S].

[5]SY/T 6729-2008無游梁式抽油機[S].