高含水后期常規抽油機的增程節能改造設計方法及效果

陳鴻（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

隨著老油田油井的注水開發，油田已開始進入高含水開發后期。油井產能不斷增加，在用游梁式抽油機逐漸暴露出運行過程中載荷波動大、能耗高問題。一些常規游梁式抽油機受機型限制，由于擺角小、游梁結構限制，整機體積龐大、重量大，由于機型偏小，尤其是受沖程限制，一定程度上不能滿足高含水開發產能形勢下對長沖程、低沖次生產的需要[1-2]。為此，將在用常規游梁式抽油機改造為具有長沖程特點的節能抽油機，有利于實現新的油田發展形勢下節能降耗的需要。

1 增程節能改造設計

對于游梁式抽油機的增程方式主要有改變游梁前臂和后臂長度的比例值增大沖程，增大驢頭的擺動角度增大沖程，以及增長游梁、增加杠桿，利用杠桿運動增大沖程等多種方法[3]。上述增程途徑改造較為復雜，前期投入成本高，適應性評價周期長，改造后需配套完善環節多，經過對抽油機結構、動力性能、節能效果方面進行多方面分析和對比，提出了采用偏輪式抽油機結構，實現對常規抽油機的增程和節能改造。

偏輪機構改造方式與常規抽油機具有相似的運動特性和動力特性，通過偏輪機構，在支架和偏輪間增加連桿設計，使偏輪隨游梁擺動形成旋轉動作，從而達到增程效果[4]，同時由于六連桿設計改善了整機受力狀況，減速器輸出扭矩變平緩[5]。

1.1 結構設計

改造時，為保證常規抽油機節能改造的綜合經濟效益，不改變原抽油機，以確保原機型整體結構不變，改造費用適當。

該改造技術是將常規機的四連桿機構變為六連桿機構，即曲柄、連桿、偏輪、支重桿、游梁和固定桿。其原理與偏輪式節能抽油機相似，即雙偏輪在支重桿的控制下，相對繞尾軸擺動，增大了游梁的擺角和擺角變化率，改變了懸點運動規律，從而改變了整機性能。

具體改造方法是在原抽油機游梁后端加裝偏輪，對應在游梁和原支架之間加裝中心支架。其次在偏輪與中心支架間增加偏輪支重桿。為保證改造后實現長沖程，在原抽油機驢頭的基礎上加長驢頭圓弧面長度。相應地調整增加連桿長度[6]。抽油機增程改造主要部件結構圖如圖1所示。

圖1 抽油機增程改造主要部件結構圖

1.2 改造后主要結構參數的確定

依據改造原則，游梁前臂、后臂、支架高度以及曲柄長度及偏置角均保持不變[7]。改造時主要需確定最大沖程、支重桿長度以及連桿長度等主要結構參數。

1.2.1 沖程的確定

按照游梁式抽油機的游梁擺角計算公式：

式中：δ為游梁擺角，°；S為沖程，m；A為游梁前臂長，m。

改造前δ為57.3°，改造后由于沖程增大，根據偏輪機的運動特性可知，游梁擺角增大。偏輪機優化設計時的游梁擺角約束為：70°＜δ＜85°，在前臂長度保持不變的情況下，按照公式（1），取最大擺角85°，則可計算改造后抽油機最大沖程可由3 m增大到4.2 m[8]。

1.2.2 支重桿長度的確定

當抽油機的游梁前后臂的長度一定時，支重桿的長度可按約束條件確定，即支重桿長度要小于后臂長度。通過數值模擬優化可得，10型抽油機的支重桿長度為2.365 m。

1.2.3 連桿長度

在保證最大沖程長度為4.2 m 約束條件情況下，可確定10型抽油機機的連桿長度為3.957 m。

2 改造后運動及動力性能分析

2.1 運動性能分析

應用常規機和改造后機型相關數據計算對比，可以得到抽油機改造前后的運動變化情況。改造后抽油機運動特征表現為慢提快放[9]。改造后，經計算最大速度為0.933 m/s，與常規機0.92 m/s 基本持平，最大加速度為0.878 m/s，比常規機快0.003 m/s，保證了運行穩定性，曲柄旋轉角度則為15o，低于常規機的345°。

2.2 動力性能分析

對改造機型進行動力分析計算可得，曲柄均方根扭矩為19 902 N·m，周期載荷系數為1.411。改造后的上沖程最大扭矩因數在曲柄轉角90°位置處，與曲柄平衡重所產生的最大扭矩點重合；下沖程最小扭矩因數在曲柄轉角255°位置處，與曲柄平衡重所產生的最小扭矩點相臨，使得上下沖程凈扭矩波動均比較平緩，從而可以獲得較好的動力性能。通過該種改造方式，不需要帶有偏置角的曲柄也具有較好的平衡效果，減小了改造的工作量[10]。

2.3 性能測試試驗

為確保改造安全性和效果，開展不同運轉工況下的性能試驗：

1）檢驗改造后在允許使用范圍內的強度、剛度、振動情況、整機噪音和穩定性等。包括在抽油機最高沖次和光桿最大沖程條件下，在懸繩器處施加為額定懸點載荷所允許或為額定扭矩所允許（取二者中的較低值）的最大載荷；以及在抽油機最高沖次和懸繩器施加額定懸點載荷的條件下，使曲柄半徑對應于為減速器額定扭矩所能允許的盡可能大的光桿沖程。

2）試驗考核抽油機各部件抵抗過載的能力，以保證抽油機在遇到突然過載時有較高的可靠性。即在最高沖次以及懸繩器處施加超過額定懸點載荷250 N 的載荷條件下，使曲柄半徑對應于超過減速器額定扭矩值25%所允許的光桿沖程。

試驗結果表明，改造后啟動性能可靠，平衡合理，運轉噪聲低，振動小，整機結構合理，主要技術性能參數均達到了設計要求。

3 現場應用效果

通過對常規抽油機機型進行增程節能改造，獲得了很好的節能效果，以及增產效益。現場試驗3口井，其中百米噸液耗電降低0.3 kWh，有功節電率達到35.0%，系統效率提高10.7個百分點，平均單井日節電28.1 kWh，年節電10 108 kWh，節約電費6 439 元；同時由于改造后最大沖程增加了13.5%，最大發揮了油藏潛能，提高了油井泵效和產量，改造后平均單井產量增加10 t/d。按含水96%計算，改造后年增油432 t，年創效益116.6 萬元，抽油機增程改造前后效果對比見表1。

表1 抽油機增程改造前后效果對比

4 結論認識

1）通過長沖程改造，降低沖次，降低裝機功率，在相同工況下，具有較好的節能效果，有功功率節電率達到35%，平均單井日節電28.1 kWh，年節電10 108 kWh，節約電費6 439元。

2）增程改造能夠通過增加40%的最大沖程來增加油井沖程參數的選擇，從而最大發揮油井產能，滿足高含水開發期間高產液油井的需求。改造后平均單井產量提高22.2%，改造后年增油432 t。

3）試驗表明，采用六連桿進行節能增程改造能夠實現油田對現役常規機長沖程、低沖次的要求，同時改善管、桿、泵的工作狀況，還能一定程度上提高閑置抽油機資產再利用率，實現油田固定設備資產的保值增值，從而全面提高高含水油田后期開發的綜合經濟效益。