4種叢式井抽油機應(yīng)用性能評價及發(fā)展建議

唐道臨，李瑞濤，白云龍

(1.延長油田股份有限公司，陜西 延安 716000；2.長慶油田分公司 第二采油廠，甘肅 慶陽 745100)①

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4種叢式井抽油機應(yīng)用性能評價及發(fā)展建議

唐道臨1，李瑞濤1，白云龍2

(1.延長油田股份有限公司，陜西 延安 716000；2.長慶油田分公司 第二采油廠，甘肅 慶陽 745100)①

摘要：單井單采模式是目前我國油井的主要采油模式。由于延長油田屬“三低”巖性油藏，特別是原油開采進入中后期階段，地層壓力大幅度降低，從而導(dǎo)致油井產(chǎn)量和效率降低，能耗增大，單井生產(chǎn)的經(jīng)濟效益已經(jīng)很低。為降低采油成本，延長油田開始了新型叢式井抽油機的引進試驗。介紹了延長油田試用的4種叢式井抽油機的結(jié)構(gòu)、原理、特點及節(jié)電情況，并從可靠性、制造成本、安裝難易程度、維護費用和電耗5個方面對4種機型進行了綜合對比分析。提出了叢式井抽油機的發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：叢式井；抽油機；性能評價；發(fā)展建議

延長油田屬于典型的低滲、特低滲油田，由于單井產(chǎn)量低，導(dǎo)致油田投入和產(chǎn)出比高，經(jīng)濟效益不佳。為了提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，解決諸如土地征用、環(huán)保等問題，從1998年開始，延長油田開始實施叢式井開發(fā)模式，利用叢式井組中油井距離相近的特點，用1套抽油機同時開采2口油井或多口油井的原油(這種抽油機稱為叢式井抽油機)。目前，延長油田叢式井?dāng)?shù)量已超過1萬組，定向井單井55 000口以上，占總油井?dāng)?shù)的50%以上。叢式井組在布置上一般每組3～6口井，最多19口井，多呈一字排列，井口間距4～10 m，井深1 000～2 300 m。基于叢式井這種一字排列、井距較近、井身結(jié)構(gòu)一致、井下桿泵、產(chǎn)液量乃至光桿載荷差別不大的特點，應(yīng)用1套傳動系統(tǒng)驅(qū)動2口或多口油井的抽油機，可以大幅降低設(shè)備投資、節(jié)約電能消耗，提高企業(yè)經(jīng)濟效益[1-6]。

本文針對延長油田近年來試用的4種叢式井抽油機，從原理、結(jié)構(gòu)特點、節(jié)電，以及存在的問題等做作了綜合分析與評價，并提出了叢式井抽油機今后發(fā)展方向。

1叢式井抽油機結(jié)構(gòu)特點分析

1.1雙井聯(lián)動抽油機

圖1～2所示分別為雙井聯(lián)動抽油機及傳動原理示意圖。

圖1　雙井聯(lián)動抽油機

1—井口；2—光桿 ；3—鋼絲繩；4—懸繩器；5—主動驢頭；6—驢頭掛輪；7—連桿；8—曲柄；9—電動機；10—連接頭；11—連接桿；12—接頭；13—驢頭掛輪；14—被動驢頭；15—懸繩器；16—鋼絲繩；17—光桿；18—井口；19—減速器。

電動機輸出動力，經(jīng)皮帶、減速器帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，通過曲柄、連桿、異型搖桿(主動驢頭)實現(xiàn)懸點上下往復(fù)運動，驅(qū)動1口井抽油泵工作。相鄰油井的被動驢頭通過鋼絲繩和異型搖桿(主動驢頭)上的驢頭掛輪傳動，這樣，當(dāng)主動驢頭帶動光桿上行時，被動驢頭下行，實現(xiàn)互相平衡聯(lián)動抽油。

該抽油機的電機、減速器、曲柄、連桿、剎車等部件和游梁式抽油機相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)相同，可靠性好；異形驢頭兼具游梁和傳統(tǒng)驢頭的作用，結(jié)構(gòu)簡單。兩口油井用鋼絲繩連接，方便可靠。

1.2鏈條式雙井抽油機

圖3～4所示分別為鏈條式雙井聯(lián)動抽油機及傳動原理示意圖。

鏈條式雙井抽油機機由一部電機驅(qū)動，傳動部件依次為擺線針輪減速器、傳動鏈條副、齒輪箱、驅(qū)動鏈條副，驅(qū)動鏈輪間水平環(huán)繞設(shè)置有驅(qū)動鏈條，驅(qū)動鏈條上通過鏈條連接銷軸設(shè)置有連接架，連接架的上下兩端卡在上下導(dǎo)軌之間，連接架在驅(qū)動鏈條帶動下在上導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌作水平往復(fù)運動，驅(qū)動鋼絲繩帶動井口光桿完成抽汲作業(yè)。抽油機工作機構(gòu)包括固定在機架兩端的鋼絲繩滑輪，主鋼絲繩通過鏈條連接銷軸與連接架固定。平衡機構(gòu)包括固定在機架兩端的導(dǎo)向輪，平衡鋼絲繩繞經(jīng)兩個導(dǎo)向輪的兩端分別連接有平衡重，平衡鋼絲繩還通過鏈條連接銷軸與連接架固定。

圖3　鏈條式雙井抽油機

1—支架；2—懸繩器；3—主鋼絲繩；4—鋼絲繩滑輪；5—滑輪支架；6—導(dǎo)向輪支架；7—導(dǎo)向輪；8—平衡鋼絲繩；9—上下導(dǎo)軌；10—鏈輪支座；11—鏈輪一；12—驅(qū)動鏈條；13—連接架；14—鏈條連接銷軸；15—減速器；16—傳動鏈條；17—鏈輪二；18—齒輪箱；19—鏈輪三；20—抽油桿；21—平衡重；22—上橫梁；23—橫梁調(diào)整絲杠；24—下橫梁；25—中橫梁。

鏈條式雙井抽油機采用了鏈條抽油機的換向方式[7]，正常工作時，兩口井互為平衡，平衡方式較好；考慮到油井檢修，該機配有平衡重，一口井檢修時，不影響另一口井采油；由于鋼絲繩滑輪直徑小，光桿工作時的擺動量要較游梁式抽油機小得多，同時橫梁調(diào)整絲杠采用細牙螺紋，便于井口對中，井口摩擦力小，盤根壽命長。

1.3小區(qū)域集成抽油機

圖5～6所示分別為小區(qū)域集成抽油機及傳動原理示意圖。

圖5　小區(qū)域集成抽油機

1—電機；2—皮帶輪；3—皮帶；4—減速器；5—曲柄；6—行星輪；7—導(dǎo)向輪；8—油井；9—柔性傳動件。

小區(qū)域集成抽油機是由電機經(jīng)過皮帶傳動，立式放置的擺線針輪減速機，帶動曲柄旋轉(zhuǎn)。曲柄一端的行星輪上對稱布置有2N個鏈條繩環(huán)，每個繩環(huán)上連接有一條柔繩，柔繩經(jīng)過圓形支架上對稱布置的導(dǎo)向輪，與井口支架上的兩個定滑輪和井口光桿上的懸繩器連接。當(dāng)抽油機一側(cè)的N口油井的抽油泵柱塞下行時，另一側(cè)的N口井抽油泵柱塞上行，相互平衡。

理論上講，小區(qū)域集成抽油機一套動力可驅(qū)動2N(N為大于0的自然數(shù))口油井；采用行星輪換向，換向阻力小；整機結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕。具有以下特點：

1)控制范圍大。由于剛性變成柔性，通過滑輪組實現(xiàn)1臺抽油機帶動周圍50～100 m內(nèi)多口井同時進行抽油，實現(xiàn)一機多用，區(qū)域采油。

2)無專用平衡。整個抽油系統(tǒng)無需附加平衡重，減小了抽油機的質(zhì)量，可通過各油井的懸點載荷變化來相互平衡，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的受力平衡，電動機始終做有效功，系統(tǒng)效率高。

1.4多井聯(lián)動抽油機

圖7～8所示分別為多井聯(lián)動抽油機及傳動原理示意圖。

圖7　多井聯(lián)動集成抽油機

1—電動機；2—皮帶傳動機構(gòu)；3—減速器；4—曲柄；5—連桿；6—滑塊；7—導(dǎo)軌；8—多排拖拽鏈條；9—導(dǎo)向輪Ⅰ；10—導(dǎo)向輪Ⅱ；11—井架橫梁；12—懸繩器和抽油桿。

多井聯(lián)動抽油機是由電機通過帶傳動驅(qū)動減速器，經(jīng)過減速器輸出軸上連接的曲柄和連桿，帶動滑塊沿導(dǎo)軌實現(xiàn)往復(fù)運動。滑塊的兩端安裝有多排拖曳鏈條，多排拖曳鏈條的排數(shù)和井口數(shù)相同，鏈條通過導(dǎo)向輪、井架橫梁上的導(dǎo)向輪與抽油桿連接。通過曲柄和連桿的運動驅(qū)動滑塊在導(dǎo)軌上滑動，連接在滑塊上并隨滑塊一起運動的多排拖曳鏈條通過導(dǎo)向輪、井架導(dǎo)向輪驅(qū)動鏈桿連接器和抽油桿作上下往復(fù)運動。

該機結(jié)構(gòu)簡單，傳動路線短；換向方式和傳統(tǒng)抽油機一樣；平衡方式采用相鄰井懸點載荷進行對偶平衡，不需要專門的平衡機構(gòu)。

2試用情況

1)雙井聯(lián)動抽油機。由延安某公司設(shè)計制造，自2011年開始已先后在永寧、南泥灣等采油廠試用3臺，其中永寧采油廠2套，南泥灣采油廠1套。其中第1臺樣機已在永寧采油廠雙21井組正常使用達4 a，第2臺樣機和第3臺樣機也在正常使用。試用發(fā)現(xiàn)該機工作較為可靠，不足之處是維護和調(diào)整較常規(guī)抽油機繁瑣。

2)鏈條式雙井抽油機。由延安某公司設(shè)計制造，2008年在青化砭采油廠采油二大隊北川河區(qū)隊河307井試驗，因故障較多于2009年停止使用。存在問題主要是：油井載荷和傳動裝置間的力傳遞依靠鏈條銷軸，該銷軸需承受兩口井的懸點載荷，受力較大，由于設(shè)計和制造原因經(jīng)常斷；和游梁式抽油機相比，傳動路線長，節(jié)點多、潤滑點多、抽油機地面效率低、故障率高；擺線針輪減速器不適應(yīng)采油的工況，可靠性差；對安裝要求較高，前期安裝復(fù)雜；可靠性差，故障較多，維修復(fù)雜且費用較高；噪聲過大。

3)小區(qū)域集成抽油機。由山東某公司設(shè)計制造。2008年開始，先后在川口采油廠、子北采油廠、青化砭采油廠、南泥灣采油廠試驗多臺樣機。小區(qū)域集成抽油機第1臺樣機2008年室內(nèi)試驗成功后，在川口采油廠試用。2009年第2臺樣機在青化砭采油廠試用，第3臺樣機在子北采油廠試用。試用中存在的主要問題：減速器采用擺線針輪減速機，且需要立式安裝，因此需要增加潤滑油泵，冬季使用時電機、減速器故障率較高；可靠性差、相互影響大，一處出現(xiàn)問題，整機全部要停止工作；由于驅(qū)動油井多，鋼絲繩、鏈條用量較大，受力復(fù)雜，對安全要求高。

4)多井聯(lián)動抽油機。由某大學(xué)設(shè)計，從2012年開始，第1臺樣機在延長油田甘谷驛采油廠進行了現(xiàn)場試驗。該機2012年完成室內(nèi)試驗后，在甘谷驛采油廠完成了現(xiàn)場試驗。存在問題：鏈條容易疲勞裂紋、斷裂，壽命較短。

3綜合評價分析

抽油機和其他設(shè)備一樣，其綜合性能應(yīng)從使用的可靠性、制造成本、安裝難易程度、維護費用和電耗5個方面來評價，如表1所示。

表1　四種叢式井抽油機和常規(guī)游式抽油機綜合評價對比

注：1)上述各項指標(biāo)均是和同規(guī)格常規(guī)游梁式抽油機對比；2)除節(jié)電指標(biāo)外，其他指標(biāo)僅作定性對比。

3.1可靠性

1)雙井聯(lián)動抽油機。電機、減速器、曲柄、連桿、剎車等部件和游梁式抽油機結(jié)構(gòu)相同，因此具有較高的可靠性，從永寧采油廠使用情況來看，無故障運行時間在360 d以上。但基于雙井聯(lián)動抽油機的平衡原理，影響其可靠性的主要因素是兩井的井下工況。

2)鏈條式雙井抽油機。油井載荷和傳動裝置間的力傳遞依靠鏈條銷軸，該銷軸需承受2口井的懸點載荷，受力較大，由于設(shè)計和制造原因經(jīng)常斷，平均無故障工作時間僅為5 d；減速器采用擺線針輪減速器，不適用于抽油機的工作工況，平均壽命約為1.5 a。因此鏈條式雙井抽油機的可靠性較差。

3)小區(qū)域集成抽油機。由于結(jié)構(gòu)特點該機采用了立式安裝的擺線針輪減速器，同時附加一個潤滑油泵進行潤滑。擺線針輪減速器一般認(rèn)為并不適合油井采油這種低速重載工況，加之利用潤滑油泵對擺線針輪減速器的潤滑效果在野外并不理想；試驗機為一機6抽，6口井相互影響，因此該機故障率較高，可靠性較差。

4)多井聯(lián)動集成抽油機。從整個系統(tǒng)來看，井下的抽油桿、地面上的鏈條均為柔(彈)性元件，因此在安裝上無法保障一口井平衡另一口井的設(shè)計思路；另一方面，由于建井質(zhì)量等因素互為平衡的兩口井負荷必然存在差異，有的差異也比較大。因此作為主要受力元件的鏈條必然承受較大的油井載荷，對鏈條壽命影響較大，從現(xiàn)場使用情況看，整機可靠性較差。

3.2制造成本分析

從單井來看，四款試驗樣機制造成本(鏈條式雙井抽油機、雙井聯(lián)動抽油機、小區(qū)域集成抽油機、多井聯(lián)動抽油機)均比同規(guī)格常規(guī)型抽油機要大幅減少，鏈條式雙井抽油機可節(jié)約制造成本約25%，雙井聯(lián)動抽油機可節(jié)約40%，小區(qū)域集成抽油機和多井聯(lián)動抽油機則可節(jié)約60%以上。

3.3安裝

因為叢式井抽油機采用了相鄰井相互平衡的原理，一口井光桿處于上沖程時，起平衡作用的另一口井必然為下沖程，所以其安裝要比單井采油設(shè)備復(fù)雜。

3.4使用和維護

從結(jié)構(gòu)來看，叢式井抽油機要比單井抽油機復(fù)雜，且一臺機器同時采2口及以上油井的原油，因此使用難度和維護成本要比單井采油設(shè)備要高。

3.5節(jié)電

采用現(xiàn)場對比方式(即不改變井下工況，采用相同的抽汲參數(shù))對雙井抽油機、鏈條式雙井抽油機、小區(qū)域集成抽油機、多井聯(lián)動抽油機進行了測試，從測試情況看，和常規(guī)游梁式抽油機相比，4種叢式井抽油機節(jié)電效果都比較明顯。

3.6綜合評價

無論是從結(jié)構(gòu)、原理還是使用來看，雙井抽油機是比較成熟的一款抽油機；小區(qū)域集成抽油機和多井聯(lián)動抽油機原理可行，但還須解決可靠性不高的問題；鏈條式雙井抽油機傳動路線長、易損件多、安裝維護較麻煩，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進行重新簡化設(shè)計。

4結(jié)語

叢式井抽油機是低滲、特低滲油田經(jīng)濟采油的重要技術(shù)手段，從其多年的發(fā)展來看，各款機型的設(shè)計者都是充分考慮了相鄰兩口或多口油井相互借力，從而達到節(jié)電的目的。但由于投資力度不夠或研發(fā)力量薄弱，造成新機型可靠性不高、安裝不便，油田使用積極性不高。展望叢式井抽油機發(fā)展，筆者認(rèn)為：

1)四種機型在設(shè)計上突破了常規(guī)抽油機的運行模式，均具有明顯的節(jié)電效果，對采油設(shè)備的設(shè)計提供了新思路。

2)設(shè)計者在追求較高的節(jié)電效果的同時，缺乏系統(tǒng)工程的設(shè)計思想，未能綜合考慮高效、經(jīng)濟、可靠、使用方便等設(shè)計原則。

3)為避免干涉因素太多，不論何種傳動方式，當(dāng)前重點應(yīng)發(fā)展雙井抽油機，待理論研究和技術(shù)成熟后，再考慮多井機。

4)對低滲、特低滲油田，使用叢式井抽油機具有巨大節(jié)電潛力，而且可以大大降低鋼材使用量，減少設(shè)備投資成本，具有十分可觀的經(jīng)濟效益。

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文章編號：1001-3482(2016)07-0099-05

收稿日期：①2016-01-04

作者簡介：唐道臨(1965-)，男，陜西富平人，高級工程師，1988年畢業(yè)于西安石油大學(xué)機械系，現(xiàn)從事油田設(shè)備技術(shù)研究和管理工作，E-mail：517786658@qq.com。

中圖分類號：TE933.107

文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.023

Application Evaluation and Development Proposals of Four Cluster Wells Pumping Unit

TANG Daolin1，LI Ruitao1,BAI Yunlong2

(1.YanchangOilFieldCo.,Ltd.，Yanan716000，China;2.No.2OilProductionPlant,ChangqingOilfieldCompany,Qingyang745100,China)

Abstract：One pumping unit corresponding to one well is the principal oil production pattern for cluster wells at the present time in china.Because Yanchang oil field belongs to the ‘three low’ reservoir，especially in the mid-late stage of oil exploitation，the formation pressure is greatly reduced，which leads to the decrease of oil output and efficiency，the energy consumption increases，and the economic benefit of single well production is very low.Therefore，in order to reduce the cost of production，in Yanchang oil field introduction test of new cluster wells pumping unit were begun in recent years.The structure，principle，characteristics and energy saving of four kinds of cluster wells pumping units in the oil field testing are introduced in this paper.Comparative analysis of reliability，cost，installation difficulty，maintenance cost and power consumption in five aspects of four kinds of cluster wells pumping units，and the analysis results are given.Finally，the development thought and suggestions of cluster wells pumping unit are proposed.

Keywords：cluster wells；pumping unit；performance evaluation；development proposals