喇嘛甸油田閑置抽油機節能改造實踐及評價

楊廣軍（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

1 現狀

“十一五”期間，喇嘛甸油田在機采井節能方面開展大量工作，應用了大量新的節能舉升設備，同時也造成大量常規舉升設備閑置，其中抽油機占了較大部分。調查表明，閑置抽油機設備無論從優化改造還是從再利用方面都具有很大的節約能耗、降低成本的潛力。因此，從節能降耗的角度出發，研究可行的閑置抽油機的改造方法，同時從優化改造的方向上進行試驗，具有十分重要的意義。

目前喇嘛甸油田有大批抽油機井設備閑置，由于更機使用和產能需要再利用率不高，有待進行改造再利用。據調查油田閑置抽油機201臺，以10型和11型機閑置率較高，分別占總閑置數量的48.5%和34.83%。見表1。

表1 閑置抽油機機型分類統計

2 閑置抽油機節能改造

與電泵井、螺桿泵井舉升設備構成少、技術集成化比例高相比，常規抽油機具有結構簡單、使用壽命長的特點，但其曲柄軸靜轉矩峰值大，波動幅度大，甚至出現負轉矩，造成能耗增加。但抽油機設備改造易于實施、改造難度小。

常規抽油機節能改造應遵循以下原則：首先是原抽油機最大沖程長度、沖速和安裝尺寸不能改變；其次理論節電率應為10%～15%，懸點載荷可提高10%以上，零部件應力增加量不應超過20%；在此前提下，改造方法要簡便易行，改造費用要低。

結合喇嘛甸油田閑置機型，優選異相后臂、下偏杠鈴型游梁復合平衡以及雙驢頭變徑三種節能改造方式。三種方式改造均以四連桿機構優化設計為主，能減小曲柄凈扭矩峰值。

2.1 異相后臂型節能改造

異相后臂改造原理是增加常規抽油機尾軸的支座高度，同時相應縮短連桿長度，其它部位則保持不變，因此相對改變游梁后臂的尺寸，使尾軸與中軸的距離縮短。在上死點時，可在連桿與垂線間制造常規機型不具備的極位夾角（16.7°）。連桿與曲柄運動的極位夾角具有一定的節能效果，只要在合理范圍內，可確保整機承載能力不下降[1]，如圖1所示。同時極位夾角的出現，使輸出軸扭矩曲線出現位移，與載荷扭矩曲線更加同步，最終使凈扭矩曲線趨于平緩，消除了負功，達到節能的目的。

圖1 異相后臂抽油機改造后效果

異相后臂抽油機改造5臺，每臺費用0.5萬元，安裝費用0.5萬元，總計1萬元。單井年節電可達1.4×104kWh，年節約費用0.71萬元，投資回收期16個月。

2.2 下偏杠鈴復合平衡改造

下偏杠鈴改造主要根據曲柄輸出轉矩和井下負荷變化規律，利用下偏杠鈴和原游梁形成復合平衡[2]。改造在游梁尾端加裝一套下偏杠鈴裝置，通過調整杠上平衡塊的數量可對懸點載荷進行平衡。

改造后下偏杠鈴的質心運動軌跡為繞中軸支座中心的一段圓弧，其半徑不變但力臂值變化，即上沖程開始和下沖程結束時游梁的平衡作用削減載荷的峰值扭矩，使作用到曲柄輸出軸扭矩不至于過大，同時產生的與井下相反的負扭矩，可以減小電動機輸出功率[3]。上沖程結束和下沖程開始，由于懸點載荷小，下偏杠鈴力臂較小，作用在曲柄軸扭矩不至于過小，從而加強平衡效果，并避免電動機作為發電機的狀況發生而產生的不良后果[3]。

在同等模擬工況條件下，減速器凈扭矩理論曲線如圖2所示。

圖2 下偏杠鈴抽油機改造前后凈扭矩對比

以CYJ10-3-37HB為例：上沖程峰值扭矩42.84 kN·m，下沖程峰值扭矩34.65 kN·m，改造后，上沖程峰值扭矩37.35 kN·m，下沖程峰值扭矩30.14 kN·m，改造后上沖程峰值扭矩降低5.49 kN·m，下沖程峰值扭矩降低4.51 kN·m，由于峰值扭矩的降低，有利于延長減速箱、曲柄銷、井下管柱的使用壽命。

抽油機曲柄靜扭矩峰值的降低不僅有利于節能，而且有利于抽油機選用扭矩較小的減速器和功率較低的電動機。現場共改造40臺，每臺改造費用2.5萬元，單井年節電1.64×104kWh，年節約成本0.84萬元。

2.3 雙驢頭變徑型節能改造

利用雙驢頭抽油機原理，對常規抽油機四連桿機構進行關鍵性技術改造，改造前后主要區別在于將固定長度的游梁后臂變為變半徑的圓弧曲線，即采用變徑圓弧狀游梁后臂，形成變參數四連桿機構。其具體做法是：采用特殊的曲線型游梁后臂、游梁與橫梁之間采用柔性連接結構，形成游梁后臂長度、連桿長度隨曲柄轉角同時變化的新四桿機構。運行時通過游梁后臂有效長度的規律性變化，改變抽油機扭矩因數的變化規律，提高抽油機平衡效果，同時可實現增程和降低裝機功率，實現節能目的[4]。

現場改造CYJ10-3-53HB型常規抽油機為YCYJ10-3-53HB型共3臺。縮短連桿長度，加長曲柄回轉半徑，與原機型相比增程1.2 m；原裝機功率30 kW電動機可更換為18.5 kW。改造后單井年節電可達1.81×104kWh，年節約成本0.93萬元。

2.4 節能改造經濟性評價

從改造技術看，三種機型改造技術均較成熟，但改造程度不同。下偏杠鈴復合平衡改造不對抽油機主體改造，只需設計加裝下偏杠鈴；異型后臂改造需對尾軸加高，同時進行縮短連桿改造，改造后配件通用性強，能與原常規機通用[5]；雙驢頭變徑需對游梁、四連桿進行改造，同時增加游梁后部驢頭。

從改造技術適用范圍看，異型后臂型改造適用于非異相型常規機改造，下偏杠鈴復合平衡型對于各種常規機均適用，雙驢頭變徑型受更適合10型以下常規機的改造。

從改造成本看，受技術難易程度影響，雙驢頭變徑型改造的技術最復雜、成本最高，下偏杠鈴復合平衡改造次之，異型后臂改造成本最低，見表2。

從適用改造機型范圍看，下偏杠鈴復合平衡型適用范圍最廣；雙驢頭變徑型改造范圍則以10型以下常規機改造更節能實用；異型后臂改造不能用于異相型機改造，范圍略小。

表2 常規抽油機節能改造經濟投入對比

從節能改造效果看，改造后機型各項性能指標均比改前降低，因此可降低配套電動機的裝機功率，同時改善平衡效果，改善設備運行工況，實現節能目的。節能效果受實際應用井況而異，其中雙驢頭變徑型改造節能效果最好，下偏杠鈴復合平衡型、異相后臂改造次之。

3 結論及認識

1）油田閑置抽油機井設備可進行改造再利用，具有一定可操作性，對于提高資產利用率、降低固定資產投入，以及油田節能降耗均具有很大的經濟效益。

2）常規抽油機改造應本著技術成熟，改造簡單，效果好的原則進行。通過改造提高抽油機的平衡效果，同時增程和降低裝機功率，就能實現節能目的。

3）現場改造試驗表明，異型后臂改造成本最低，下偏杠鈴復合平衡型適用范圍廣，雙驢頭變徑型改造節能效果最好，均可作為油田閑置機型改造的主要首選方式。