實現(xiàn)抽油機低沖次運轉(zhuǎn)的過渡輪

馮萌萌 趙奇峰 于振強 夏洪剛 宋嘉羿

（1.大港油田第二采油廠；2.遼河油田歡喜嶺采油廠）

在油田生產(chǎn)現(xiàn)場，常見的游梁式抽油機運轉(zhuǎn)時，曲柄運轉(zhuǎn)帶動游梁、驢頭做上下往復運動，從而帶動抽油桿、抽油泵不斷抽吸原油，經(jīng)泵和桿將原油帶出地面的過程[1]。目前在油田生產(chǎn)中最為常見的采油裝置就是有桿泵采油裝置[2]，其特點是機械結(jié)構(gòu)合理、維護操作便捷、使用壽命長、適用范圍廣、投入產(chǎn)出比高，在所有有桿泵采油方式中占比達90%以上。但抽油機井生產(chǎn)過程中，因油井供排關(guān)系不匹配，示功圖會顯示供液不足，工作制度不合理，即浪費了電能，又減少了設(shè)備的壽命，導致系統(tǒng)效率低、噸油舉升能耗高、加快桿管磨損、檢泵周期短等諸多問題；若工作制度偏小，沉沒度高，液量低，則不能實現(xiàn)油井生產(chǎn)效益最大化[3]。

1 存在問題

隨著油田的不斷開發(fā)，部分油井出現(xiàn)了供液不足、間歇出油的低效井現(xiàn)象，其采用的工作制度：沖程為6 m；沖次為3～3.5次/min。這類油井如果采取全天24 h運轉(zhuǎn)的開采方式，一方面會造成抽油機運轉(zhuǎn)效率低、電量消耗大，同時也會使井下抽油泵空抽磨損增大，泵內(nèi)間隙增加，降低抽油泵的泵效和使用壽命。在冬季生產(chǎn)時由于室外氣溫較低，單井集輸管道還會因為長時間缺少流體經(jīng)過，或流體流量少、流動性能差造成系統(tǒng)回壓高的問題，嚴重時出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象，如果不及時處理，就會影響生產(chǎn)時率，導致原油產(chǎn)量下降。目前油田大部分單位在進行集輸管道解堵作業(yè)時沒有專用設(shè)備，通常采用高壓熱洗車高壓泵解堵或電解車高壓電加熱解堵[4]，消耗大量的人力物力。

為解決上述問題，生產(chǎn)現(xiàn)場將抽油機的普通控制柜更換為專用的變頻控制柜（以下簡稱變頻柜），利用變頻調(diào)速技術(shù)，通過傳感器技術(shù)實現(xiàn)模糊控制，使機械采油的效率在運行過程中始終保持在最佳狀態(tài)，有效杜絕了設(shè)備的空耗，從而實現(xiàn)了節(jié)能的目的[5]，減少設(shè)備直接啟動時產(chǎn)生的大電流對電動機的損害。更換變頻柜后，能夠?qū)⒊橛蜋C的沖次最小值控制在1.1～1.2次/min。但是由于其單價高，采購周期長等條件限制，變頻柜的使用數(shù)量僅占所有抽油機井的50%左右。

不能使用變頻柜的油井采取下調(diào)工作制度的方式增加泵的充滿程度進而提升泵效。當井筒供液不足，會導致抽油泵充不滿，引起泵效降低[6]。現(xiàn)場往往采取兩種模式，第一種模式是實施間開制度，通過觀察抽油泵液面的恢復情況不斷摸索確定合適的開井周期，其缺點是冬季生產(chǎn)需要停井掃線，使單井管道內(nèi)無液體停留，防止凍堵[7]。第二種調(diào)節(jié)沖次，是通過更換不同直徑的電動機皮帶輪來實現(xiàn)[8]。游梁式抽油機沖次是抽油機每分鐘運轉(zhuǎn)的次數(shù)，沖次的調(diào)節(jié)實際是通過更換抽油機電動機皮帶輪，改變皮帶輪直徑大小，從而改變皮帶的線速度，來實現(xiàn)抽油機每分鐘運轉(zhuǎn)的次數(shù)改變[9]。現(xiàn)場采用圓錐形軸伸的電動機約占65%，以YCH280-8型電動機為例，其外徑為73.22 mm，其他絕大多數(shù)電動機一樣采用圓柱形軸伸，其外徑為79 mm。在軸伸上安裝皮帶輪后，為保證安全運轉(zhuǎn)，皮帶輪需要有一定的厚度，現(xiàn)場可以做到最小的皮帶輪為145 mm，工作制度最小可以控制到2.1次/min，供液不足油井實測示功圖見圖1，從圖中可見油井供液不足更為嚴重，示功圖刀柄特征非常明顯[10]。

圖1 供液不足油井實測示功圖Fig.1 Dynamics diagram of oil well real measures with insufficient liquid supply

2 解決方案

為解決上述問題，文中以實現(xiàn)抽油機低沖次運轉(zhuǎn)為目的，設(shè)計制作了抽油機過渡輪，能夠?qū)_次降低到1.2次/min，實現(xiàn)了提高泵的充滿程度和延長抽油泵檢泵周期。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該裝置由支撐箱、軸承孔、環(huán)形板、轉(zhuǎn)動軸、定位軸肩、第一皮帶輪、第二皮帶輪、第一軸承、連接法蘭等組成，抽油機過渡輪結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 抽油機過渡輪結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural of transition wheel of pumping unit

抽油機過渡輪的支撐箱固定，轉(zhuǎn)動軸插設(shè)在支撐箱上，轉(zhuǎn)動軸伸出支撐箱的兩端與第一皮帶輪及第二皮帶輪固定。第一皮帶輪與電動機的輸出軸通過皮帶連接，第二皮帶輪與減速箱的輸入軸通過皮帶連接。電動機輸出軸的運動傳遞至第一皮帶輪、第二皮帶輪與減速箱。在支撐箱內(nèi)有轉(zhuǎn)動軸，軸上的第一軸承與支撐箱密封配合，支撐箱上有注油孔，可以從注油孔向支撐箱內(nèi)注入潤滑第一軸承的潤滑油，潤滑效果越好，使用時間越長。

2.2 工作原理

過渡輪采用軸傳動的運轉(zhuǎn)方式，在箱體兩側(cè)安裝了兩個皮帶輪。使用時，電動機皮帶輪通過皮帶連接，將動力傳遞給過渡輪第一皮帶輪，第一皮帶輪利用軸連接的方式帶動第二皮帶輪同軸運轉(zhuǎn)，通過皮帶連接，再將動力傳遞給抽油機減速箱皮帶輪，帶動減速箱運轉(zhuǎn)實現(xiàn)抽油機的上下往復運動。由于第二皮帶輪的直徑是按照所需工作制度計算得來，較第一皮帶輪直徑大，因此改變了抽油機減速箱的轉(zhuǎn)動速度，最后改變抽油桿往復運動的時間，改變了沖次。

支撐箱內(nèi)采用飛濺式潤滑，當軸旋轉(zhuǎn)時，沉浸在潤滑油中軸體帶動潤滑油到箱體上部，甩到滾動軸承表面上起到潤滑作用。抽油機過渡輪使用狀態(tài)見圖3。

圖3 抽油機過渡輪使用狀態(tài)示意圖Fig.3 Schematic diagram of using state of transition wheel of pumping unit

2.3 輔助設(shè)計

支撐箱的頂部具有注油孔，轉(zhuǎn)動軸可轉(zhuǎn)動地插設(shè)在支撐箱上，轉(zhuǎn)動軸的兩端均伸出支撐箱，兩個第一軸承套設(shè)在轉(zhuǎn)動軸上，支撐箱上具有兩個軸承孔，第一軸承安裝于相應(yīng)的軸承孔，第一皮帶輪與第二皮帶輪分別固定在轉(zhuǎn)動軸伸出支撐箱的兩端，第一皮帶輪的直徑與第二皮帶輪的直徑不相等。將抽油機過渡輪放在抽油機的電動機與減速箱之間，抽油機過渡輪的支撐箱連接在一固定位置，轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動插設(shè)在支撐箱上，轉(zhuǎn)動軸伸出支撐箱的兩端分別與第一皮帶輪及第二皮帶輪同軸固定。

第一皮帶輪與電動機的輸出軸通過聯(lián)組皮帶連接，第二皮帶輪與減速箱的輸入軸也通過聯(lián)組皮帶連接，且皮帶都處于緊繃狀態(tài)。電動機的輸出軸轉(zhuǎn)動并通過摩擦力的作用帶動皮帶運動，皮帶通過摩擦力帶動第一皮帶輪轉(zhuǎn)動，第一皮帶輪帶動轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動進而帶動轉(zhuǎn)動軸另一端的第二皮帶輪轉(zhuǎn)動，第二皮帶輪則通過皮帶帶動減速機運動。由于第一皮帶輪與第二皮帶輪的直徑不等，第一皮帶輪與第二皮帶輪的插入改變了減速箱的轉(zhuǎn)動速度，最后改變了曲柄連桿機構(gòu)帶動驢頭及抽油桿做往復運動的時間，完成了沖次的改變，與抽油機過渡輪的成本相比使用變頻電動機所需的成本會小很多。

支撐箱的頂部具有注油孔，支撐箱的兩個側(cè)板上具有兩個軸承孔，兩個第一軸承外圈與兩個軸承孔的內(nèi)壁密封連接，可以從注油孔向支撐箱內(nèi)注入潤滑第一軸承的油液，第一軸承的潤滑效果較好，使用時間長，也可以減小抽油機過渡輪因第一軸承損壞而需要維修的次數(shù)，減小維修成本。

2.4 安裝方法

抽油機過渡輪采用焊接的方式固定在抽油機底座上，在安裝時，需要注意將過渡輪的小皮帶輪與抽油機減速箱皮帶輪四點一線調(diào)整合格，抽油機井皮帶松緊度調(diào)整不當，易造成皮帶打滑甚至斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，對產(chǎn)量、能耗具有一定的影響，特別是雨雪天氣對產(chǎn)量、能耗的影響更大。在調(diào)整時，要使用皮帶輪的外端面來找齊內(nèi)端面，找正后徹底固定，防止出現(xiàn)偏移造成皮帶磨損，降低使用壽命。

2.5 抽油機皮帶輪直徑的計算方法

式中：D1為抽油機皮帶輪直徑，mm；D2為減速箱皮帶輪直徑，mm；n2為抽油機沖次，次/min；Z為減速箱的減速比；n1為電動機額定轉(zhuǎn)數(shù)，r/min。

從公式（1）可以看出，在其他條件不變的前提下，抽油機井的沖次與電動機轉(zhuǎn)速成正比。隨著技術(shù)的進步，可以不更換皮帶輪，而是應(yīng)用變頻控制箱、開關(guān)磁阻電動機、雙速電動機等，通過調(diào)整電源頻率、調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)調(diào)整抽油機井沖次的目的，以及通過提高電動機的負荷率、功率因數(shù)等來達到節(jié)能的目的。

3 應(yīng)用效果

3.1 應(yīng)用情況

2019—2022年，抽油機過渡輪在歧A-1、歧A-2等27口油井安裝使用，能夠達到設(shè)計目的，合理下調(diào)沖次，可增加泵效，提高沉沒度，節(jié)電以及提高系統(tǒng)效率，有效增加抽油泵充滿程度，平均提升泵效2.5%，在實施過程中，節(jié)省了制作電動機輪的材料費用和設(shè)備的修理費用，應(yīng)用效果良好。部分抽油機過渡輪現(xiàn)場應(yīng)用情況調(diào)查見表1。

表1 部分抽油機過渡輪現(xiàn)場應(yīng)用情況調(diào)查Tab.1 Situation survey of field application of transition wheel of part of the pumping unit

3.2 經(jīng)濟效益和社會效益

抽油機過渡輪現(xiàn)場推廣應(yīng)用三年以來，累計增油達到575 t，增加收入132.5萬元，減少解堵用特種車輛17井次，減少車組、油料、人工費用支出11.36萬元，該裝置制作成本為15.41萬元，累計創(chuàng)效128.45萬元。

該裝置的設(shè)計與推廣應(yīng)用，為機械采油設(shè)備新增了一種配套傳動裝置，避免了冬季生產(chǎn)解堵的次數(shù)進而實現(xiàn)安全生產(chǎn)。在提高油氣產(chǎn)量的同時，大幅提高了員工立足崗位，創(chuàng)新創(chuàng)效的決心和解決難題的信心。

4 結(jié)論與認識

通過對抽油機過渡輪在實踐應(yīng)用中不斷探索研究，得出以下兩點認識：

1）抽油機過渡輪能提高供液不足導致泵效較低的油井提高泵效。

2）抽油機過渡輪能夠降低電動機能耗支出，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

該裝置經(jīng)過實踐檢驗，發(fā)現(xiàn)在更換皮帶操作方面仍然存在不足，需要兩人配合更換，在以后的生產(chǎn)過程中應(yīng)完善設(shè)計解決此項問題。