“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統現場應用試驗

易正昌（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

隨著大慶油田的不斷開發，地層供液能力不斷下降，油井產液量逐漸降低，機采井系統效率低、能耗高等問題日益突出，嚴重制約了油田的經濟高效開發，節能降耗工作愈發重要。抽油機作為目前主要的舉升方式，更是節能降耗治理工作的重點對象。相比于常規抽油機系統，長沖程抽油機系統具有效率高、節能顯著等優點[1]。近年來，在大慶油田開展的單機單井超長沖程舉升系統現場試驗均取得了良好的應用效果[2-3]。

目前，大慶油田某采油廠有叢式井平臺632個，共1 873口井，占機采井的23.2%，仍沿用“一機一井”的生產模式。叢式井處于同一平臺、距離較近的特點沒有得到發揮，井與井之間的能量沒有綜合利用。針對這一問題，在現有超長沖程新型抽油機的基礎上開展了“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統現場試驗，完善相關配套技術，對今后平臺井高效節能開發具有重要意義。

1 “一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統

1.1 系統組成

“一拖二”互平衡式超長沖程抽油機由青島新盛石油機械有限公司研發與制造。該節能舉升系統主要由控制柜、電動機、滾筒減速器、柔性鋼絲繩、傳動輪、抽油桿、超長沖程抽油泵、主機架、基座等組成，其結構如圖1所示?；ㄟ^螺栓固定在井場水泥基礎上，電源控制柜和主機架直接用螺栓安裝在基座之上，滾筒減速器則經滾筒座用螺栓連接到基座上。滾筒減速器由行星減速器和卷筒兩部分組成，行星減速器安裝于卷筒內部。減速器的輸入軸通過聯軸器與電動機的輸出軸連接，卷筒上盤繞柔性鋼絲繩，鋼絲繩經由兩側固定于主機架上的傳動輪，穿過井口與井下抽油桿柱上端連接，抽油桿柱下端與超長沖程抽油泵柱塞連接。

圖1 “一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統結構示意圖

1.2 工作原理

抽油機工作時，智能控制柜驅動電動機正、反轉，經卷筒內部的行星減速器將電動機輸出的高轉速變為卷筒的低轉速。在卷筒轉動過程中，卷筒一端柔性鋼絲繩不斷盤繞在卷筒上，通過固定于主機架上的傳動輪，帶動與之相連的抽油桿柱和抽油泵柱塞向上運動；與此同時，卷筒另一端柔性鋼絲繩不斷釋放，經另一側傳動輪帶動相連抽油桿柱和抽油泵柱塞向下運動，利用一上一下互平衡的方式實現1臺抽油機同時帶2口井運轉的目的。

1.3 性能特點

“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統通過智能控制柜實現電動機的柔性啟停，降低電動機的裝機功率，提高電動機的負載率和運行效率，同時減輕上下死點換向過程中抽油機懸點載荷的劇烈變化；在上下沖程運行過程中，由于其獨特的結構設計和控制系統的實時監測與調整，柔性鋼絲繩幾乎勻速運行，懸點加速度極小，因此慣性載荷和振動載荷也很小，有效地改善了柔性鋼絲繩和抽油桿柱的受力情況。此外，通過智能控制系統能夠方便快捷地調節沖程、沖速等抽汲參數，通過設置上下沖程死點滯留時間，還能實現油井智能間歇采油，大大降低現場操作人員的勞動強度?！耙煌隙被テ胶馐匠L沖程舉升系統采用直驅電動機驅動，省略常規抽油機皮帶輪、曲柄、連桿、游梁等傳動部件，簡化了傳動環節，能耗大幅度降低。該抽油機未配置平衡重，主要利用柔性鋼絲繩一下一上的運動方式實現系統互平衡，充分利用井與井之間的能量。

2 關鍵技術研究

2.1 柔性控制技術

針對“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統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，開發了柔性控制技術，通過智能控制柜實現抽油機的柔性啟停和勻速運行。由于抽油機屬于帶負荷啟動設備，其啟動過程需要較大的啟動扭矩[4]。柔性啟動通過變頻裝置使電動機在啟動過程中的轉速由零開始逐漸增大，直至變頻器所設置的頻率[5]。由式（1）可知，此時電動機達到相同扭矩時所需的功率較小，相應電流也較低，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部件的使用壽命。

式中：P——電動機輸出軸功率，kW；

M——電動機輸出軸扭矩，N?m；

2.2 超長沖程抽油泵

超長沖程抽油泵主要由泵筒、柱塞、泵筒進油閥、柱塞出油閥、閥座和油管接箍等部件組成，結構如圖2所示。

超長沖程抽油泵采用5級泵筒連接，泵筒全長50 m。多級泵筒通過細螺紋平扣連接，采用端面密封，泵筒間同軸度小于0.03 mm；泵筒內壁鍍鉻處理，提高了耐磨及抗腐蝕性能；泵筒底部采用雙套固定閥總成，以降低固定閥漏失量；柱塞和泵筒配合間隙為1級，柱塞長度為1.2 m。超長沖程抽油泵增加了沖程長度，減小了漏失量，泵效較高[6]，有助于提高系統效率。

2.3 柔性鋼絲繩

“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統可實現超長沖程運行，主要是因為柔性鋼絲繩在滾筒內盤繞與井下超長沖程抽油泵配套進行舉升。經過對柔性鋼絲繩逐步優化改進，采用直徑16 mm的鋼絲繩在外部編織成鋼絲網，并涂覆高分子改性材料，以提高耐磨、抗腐蝕性能，有利于井口密封。相比于普通抽油桿，柔性鋼絲繩具有線密度小的優點，應用柔性鋼絲繩替代部分抽油桿能夠降低抽油機運行載荷，提高系統效率。

3 現場應用試驗

2017年，在大慶油田某采油廠的2口井上開展了“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統現場應用試驗。試驗前，2口試驗井的地面部分采用高轉差雙速電動機、變頻調速控制柜和偏置游梁式抽油機等節能設備。新安裝的“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統相關設備性能參數如下：10型抽油機，最大提拉力100 kN，額定提拉力80 kN，總傳動比235i；永磁同步電動機型號200L2-6-22，功率22 kW，轉速970 r/min；減速器型號GFT80-235，額定扭矩90 kN·m；卷筒直徑1 000 mm，長度800 mm，轉速4.1 r/min，容繩量78 m；柔性鋼絲繩直徑28 mm，額定速度0.22 m/s；抽油桿為?19+?16的組合桿柱，同時配套使用旋轉刮蠟扶正器；抽油泵為直徑57 mm的多級管式整筒泵。

圖2 超長沖程抽油泵結構示意圖

現場試驗結果表明，與試驗前應用的節能設備對比，平均單井日增產液量5 t，泵效由58.1%提高到 83.2%，噸液百米耗電由 1.109 kWh/（t·100 m）下降到 0.748 kWh/（t·100 m），系統效率提升 11.8 個百分點，節電率達32.6%（表1），預計年節電1.9×104kWh，創造經濟效益1.22萬元。

4 結論

1）對“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統開展現場試驗和效果跟蹤測試，平均單井日增產液量5 t，泵效提高25.1個百分點，系統效率提高11.8個百分點，節電率達到32.6%，節電效果十分明顯。

2）“一拖二”互平衡式超長沖程舉升系統滿足“大泵徑、長沖程、低沖速”節能優化設計需求，能夠有效利用井與井之間的能量，在平臺井高效節能開發上具有良好的應用前景。

表1 試驗井措施前后數據對比