柔性控制超長沖程抽油機在大慶油田的應用

張凱波 張德實 王新民 侯宇 魏峰

（大慶油田有限責任公司采油工程研究院）

隨著大慶油田的持續開發，地層供液不足情況日益突出，尤其是大慶外圍油田，抽油機井數已超過2萬口，占總井數的40%。這些油井油藏物性差、產量低、含水率低、黏度高，供采關系不協調，能耗較高，系統效率和泵效有待進一步提高。長沖程抽油機具有成本較低，節電性能高等方面的優勢，在大慶油田、勝利油田等地取得良好的應用效果[1-3]。

針對抽油機存在結構復雜、載荷沖擊較大，沖程受限等問題[4-5]，研制出一種柔性控制長沖程抽油機。該抽油機優化了原有長沖程抽油機結構，采用智能控制柜和直驅電動機驅動，取消了傳動鏈條，通過泵筒連接，沖程最高可達100m，沖速1～12h-1連續可調，實現了抽油機啟停機的柔性控制，大大降低了電動機能耗，延長了設備使用壽命，降低了啟停機時潛在的安全隱患。

1 柔性控制超長沖程抽油機

1.1 系統組成

如圖1所示，長沖程抽油機包括電源控制柜、滾筒減速器、直驅電動機、基座、電動機箱體、主機架、傳動輪、柔性鋼絲繩、井口、套管、油管、抽油桿、長沖程抽油泵。基座用螺栓連接到井口的地基上，基座上安有電力控制柜、滾筒減速器和主機架。電力控制柜用螺栓連接到底座上，滾筒減速器經由滾筒座用螺栓連接到底座上，電動機通過聯軸器和螺栓連接到滾筒減速器上，傳動輪由主機架用螺栓連接到基座上。滾筒減速器上纏繞鋼絲繩，鋼絲繩繞過傳動輪，穿過井口連接于井中的抽油桿上，抽油桿下端連接長沖程抽油泵柱塞，長沖程抽油泵柱塞與長沖程抽油泵泵筒配合。

圖1 柔性控制超長沖程抽油機運行示意圖

滾筒減速器為漸開線圓柱齒輪二齒差減速器卷筒，減速器安裝在卷筒內部。電動機通過螺栓、聯軸器分別與減速箱軸承座、減速器輸入軸連接。電源控制柜具備柔性啟停功能，按設定工作制度驅動電動機運行，可實現過載自動停機。

柔性鋼絲繩規格為φ23mm，涂覆高分子改性材料，具有較好的耐磨抗腐蝕性能。柔性鋼絲繩與抽油桿通過接頭連接，抽油桿采用φ19mm規格。抽油泵為多級管式泵，通過串聯泵筒全長可達50～100m，柱塞長1.2m。

1.2 工作原理

上沖程過程中，控制系統驅動電動機正轉，帶動滾筒減速器正向轉動，滾筒轉動將柔性鋼絲繩盤在滾筒上；同時通過主機架上的傳動輪向上運動，鋼絲繩及下接抽油桿上移，抽油桿柱塞拖動抽油泵完成上沖程的設定行程。

下沖程過程中，控制系統驅動電動機反轉，帶動滾筒減速器反向轉動，滾筒轉動釋放盤在滾筒上的柔性鋼絲繩；同時通過主機架上的傳動輪鋼絲繩及抽油桿下放入井口，柱塞拖動長沖程抽油泵下移。

控制系統驅動電動機正、反轉，滾筒帶動柔性繩完成往復運動，柔性鋼絲繩驅動井下抽油桿、抽油泵完成整個采油過程。另外，通過設定上、下沖程間的停機時間，油井還可以實現智能間歇采油。

1.3 工作參數

以10型長沖程抽油機為例，最大提拉力100kN，額定提拉力80kN，總傳動比215；地面卷筒直徑φ1000mm，長800mm，轉速4.6r/min；柔性鋼絲繩直徑φ28mm，額定速度0.26m/s；電動機型號YVF225M-6-30，功率30kW，轉速980r/min；減速器額定扭矩110kN·m；沖程50～100m范圍內可調，沖速1～12h-1范圍內可調。

2 關鍵技術研究

2.1 柔性控制技術

長沖程抽油機采用電源控制柜。針對長沖程抽油機上、下沖程換向點載荷變化大、振動大，導致柔性鋼絲繩易斷的問題，開發了柔性啟停控制技術。如圖2所示，在采用普通控制模式時，上沖程啟動初始瞬間電流峰值達到220A，上沖程正常狀態下電流維持在20A左右，上沖程結束時電流瞬間由20A降至零；間歇等待后下沖程二次啟動，瞬間電流峰值增加到70A左右，然后電流再次趨于穩定，下沖程結束時電流再次瞬間降至零。采用柔性啟停控制后，整個運行過程中電流峰值不超過20A，啟停過程避免了載荷的劇烈變化，載荷變化產生的振動也基本消除，運行更加平穩，從而延長了柔性鋼絲繩等設備的使用壽命。

圖2 柔性啟停控制與普通控制電流變化曲線

2.2 長沖程泵技術

長沖程抽油泵包括泵筒、柱塞、閥座、油管接箍、柱塞出油閥和泵筒進油閥，長沖程泵筒組合狀態如圖3所示。長沖程抽油泵由5根以上泵筒連接，泵筒全長大于50m，采用端面密封，泵筒間同軸度小于0.03mm，1級間隙等級，柱塞長1.2m；泵筒內壁采用特殊工藝處理，提高了耐磨性和抗腐蝕性。

柱塞上沖程：柱塞上行過程中，泵筒下部腔室體積增大，壓力減小，在壓差作用下，泵筒進油閥打開，泵筒出油閥關閉，同時通過柱塞上行舉升原油排出。柱塞下沖程：柱塞下行過程中，泵筒下部腔室體積減小，壓力增大，在壓差作用下，泵筒進油閥關閉，泵筒出油閥打開，原油通過泵筒出油閥進入柱塞上方的油管內，直到泵筒出油閥關閉。

2.3 功圖測試技術

常規功圖測試多采用測試滾筒軸扭矩以及滾筒速度的方式來折算示功圖的方法，但存在誤差大、影響功圖數據分析的問題。研制了一種新型功圖測試裝置。通過在主機支架與傳動輪之間加裝載荷傳感器和傳動輪轉速傳感器，可直接進行實時功圖測試，提高了診斷精度和效率。

3 現場試驗應用

圖3 長沖程泵筒組合狀態示意圖

表1 超長沖程采油試驗井試驗前后數據對比

2016年12月，在大慶油田采油八廠的6口井上進行了使用超長沖程抽油機的試驗。現場應用結果表明（表1），在保持油井產量基本不降前提下，平均單井日耗電由130kWh降至51.1kWh，泵效提高了41.7個百分點，系統效率提高8.2個百分點，單井日節電量為78.9kWh，節電率達60.7%。

4 結論及認識

1）研制的新型直驅式超長沖程抽油機具備機構簡單、直接驅動、沖程超長、沖速連續可調、柔性啟停機、功圖自動測量等優點，解決了常規抽油機機構復雜、傳動環節多、載荷沖擊較大、沖程受限的問題。

2）對該直驅式超長沖程抽油機開展現場試驗和效果跟蹤測試，油井產量保持基本不降，平均單井泵效提高35.3個百分點，系統效率提高8.2個百分點，單井日節電78.9kWh，節電率達到60.7%，節電效果十分明顯。

3）長沖程抽油機在低產井和間抽井上具有廣闊的應用前景，預計可以有效降低能耗，提高泵效和系統效率。

[1]周廣清.低矮型長沖程節能抽油機的研制及應用[J].石油機械，2014，42（3）：88-91.

[2]郭順清.長沖程智能抽油機在長慶油田的應用[J].石油礦場機械，2012，41（11）：75-78.

[3]劉劍輝，楊松，馬健強.新型雙滾筒長沖程抽油機設計[J].石油礦場機械，2009，38（12）：56-58．

[4]戴洪森.大慶油田抽油機節能電機及其應用效果分析[J].長江大學學報：自然科學版，2013（31）：98-100.

[5]蘇德勝，劉先剛，呂衛祥，等.游梁式抽油機節能機理綜述[J].石油機械，2001，29（5）：49-53.