采油設(shè)備的發(fā)展（The development of the oil extraction equipments）
山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司 周加勝 吳海濤
摘要：油田開采已有上百年的歷史。采油設(shè)備從最初的游梁式磕頭機開始，經(jīng)過科技人員的不斷努力，根據(jù)開采油層和地質(zhì)情況的變化，先后又開發(fā)了潛油電泵采油系統(tǒng)，螺桿式抽油機、電泵，皮帶式抽油機及現(xiàn)在技術(shù)上比較新穎、先進(jìn)的直線電機、抽油機等，從采油原理及經(jīng)濟(jì)適用性而言都各有優(yōu)缺點。本文從這幾種抽油機型的概念出發(fā)，粗咯的介紹了采油設(shè)備從傳統(tǒng)的磕頭機到比較先進(jìn)的設(shè)備之間的性能、結(jié)構(gòu)及所應(yīng)用的主要場所。并結(jié)合現(xiàn)在國家正在大力推廣的節(jié)能、減排措施，探討了油田這類國有大中型企業(yè)在這一方面應(yīng)努力的方向，對傳統(tǒng)設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)，及在采油設(shè)備上的應(yīng)用，論述了采油設(shè)備進(jìn)行節(jié)能改造的深遠(yuǎn)意義。
關(guān)鍵詞： 采油設(shè)備 節(jié)能 自動化
Abstract: oil exploitation has been a century of history. Production equipment from the initial beam kowtow machine, through the continuing efforts of science and technology personnel, under the mining and geological conditions of the oil change has also developed electric submersible pump oil production system, screw-type pumps pump, belts pumping unit and now technically relatively new, advanced linear motor pumping, and so on, from the applicability of the economic recovery in terms of principle and have their own advantages and disadvantages. Several of this paper the concept of pumping crude oil on the 1,10 equipment from the traditional manner of the more advanced equipment to the perbbbbance, structure and the application of the main venues. And the state is now combining to promote energy conservation, measures to reduce emissions on the large and medium-sized state-owned enterprises such Oilfield in this regard should be the direction for the traditional technical equipment improvements, production equipment and the application of oil on the Energy-saving equipment for the transbbbbation of far-reaching significance
Key words: Production Equipment Energy Saving Automation
引言：
在油田的采油史上，游梁式磕頭機、皮帶機、螺桿泵、潛油電泵、直線電機等采油設(shè)備，是伴隨著采油行業(yè)不同的地質(zhì)、地理條件，經(jīng)研發(fā)人員實地考察，在綜合分析各種物質(zhì)、技術(shù)條件下，在科技進(jìn)步的促進(jìn)下應(yīng)運而生的。雖然在性能、結(jié)構(gòu)、工藝性分析上各有優(yōu)缺點，但根據(jù)不同的條件，現(xiàn)在這些設(shè)備在現(xiàn)場還都在廣泛的應(yīng)用。特別是游梁式磕頭機，雖然已有上百年的歷史，但在絕大多數(shù)油田，90%以上的油井仍在使用這種設(shè)備。雖然比較先進(jìn)的設(shè)備也在日益普及，有取而代之的跡象，但在一定時期內(nèi)，這些設(shè)備必然還要長期共存，只是技術(shù)及工藝方面在不斷地改進(jìn)。尤其近幾年，隨著國家節(jié)能減排措施的不斷推廣，在節(jié)能、改善工藝，提高功效方面，油田科技人員正在不斷的積極探索，力求在這一方面能有較大的突破。
一、油田磕頭機
油梁式磕頭抽油機，俗稱“磕頭機”，在全世界的油田中，從設(shè)備的數(shù)量與規(guī)模上都占絕大多數(shù)。只要走入某個油田，首先映入眼簾的大多是游梁式磕頭機。這種設(shè)備以其安裝方便，調(diào)試簡單，使用可靠、應(yīng)用靈活而被大多數(shù)的采油廠使用，如圖1為野外使用的抽油機 。
圖1、油梁式磕頭機
這種設(shè)備的原理是采用杠桿的原理，由電機帶動減速器周期性的旋轉(zhuǎn)，并拖動曲桿作往復(fù)運動，從而使驢頭及對應(yīng)的平衡裝置作上下運動，將地下的油帶出地面，進(jìn)入輸油系統(tǒng)。
該設(shè)備由于都安裝于地面，安裝、調(diào)試都比較方便，應(yīng)用也比較廣泛。但是在地質(zhì)情況比較復(fù)雜的場合，如油質(zhì)稠、含沙、結(jié)蠟較多，有時抽起來比較困難，特別是在原來用工頻直接啟動的場合，啟動力矩大，對機械的沖擊大，很容易出現(xiàn)斷桿、卡井、減速機齒輪損壞、燒毀電機等較嚴(yán)重故障，特別是油井的中、后期，井液量供液不足時，需要調(diào)節(jié)沖次，更換皮帶輪或減速箱，較煩瑣，危險性大，工作量大，也帶來了一定的困難。
由于油井都比較深，大約都在1千米以上，油井啟動時力矩比較大，所需要的轉(zhuǎn)矩大約是正常工作的一倍以上，因此在設(shè)計時采用的動力裝置---電動機往往功率較大，而在正常抽油時，負(fù)載變輕，所需的力矩又比較小，因此存在著嚴(yán)重的“大馬拉小車”現(xiàn)象。
又由于在驢頭下放時，負(fù)載變輕，電機基本處于自由下放狀態(tài)，降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)及電機的效率，增加了無功損耗，使整個系統(tǒng)效率低下，耗能嚴(yán)重，出現(xiàn)嚴(yán)重的能源浪費現(xiàn)象。
根據(jù)這些情況，油田工作人員采取各種措施進(jìn)行改進(jìn)，如采用永磁同步電機、超高轉(zhuǎn)差率電機、變頻調(diào)速電機等節(jié)能型措施。這些方法都改進(jìn)了生產(chǎn)工藝，對節(jié)能生產(chǎn)都起到了一定的推動作用。
1、永磁同步電機
（1）結(jié)構(gòu)及原理
永磁同步電機與異步電機結(jié)構(gòu)基本相似，只是在轉(zhuǎn)子鼠籠條內(nèi)嵌入稀土永磁鋼，改變了原來靠定子邊勵磁為轉(zhuǎn)子邊稀土永磁鋼勵磁，變異步電機為同步電機。因此定子邊勵磁電流大量減少，轉(zhuǎn)子邊的銅損、鐵損亦大量減少，大幅提高了功率因數(shù)與效率，降低了電機的溫升與配電設(shè)備的容量。
（2）節(jié)能實驗
通過在油田上多次實驗，在單井抽油機上推廣應(yīng)用永磁同步電機，其平均綜合節(jié)電率在15%～25%之間。
（3）結(jié)論
采用永磁同步電機，主要優(yōu)點是降低了單耗，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，從而節(jié)約了電能。還可挖掘電網(wǎng)的潛在容量，減緩用電負(fù)荷的增長，增加了電網(wǎng)容量。
所存在的問題，主要是保護(hù)裝置跟不上，容易燒毀電機。再者選擇功率不配套，仍存在“大馬拉小車”或“小馬拉不動大車”的情況。主要是開始投產(chǎn)時，由于永磁同步電機啟動力矩大，初裝時可以順利啟動，且運行良好。但由于地下開采層的變更或井況的變化，有些井的負(fù)荷變了，如不及時更換大功率的永磁同步電機，又容易使電機長期處于過載狀態(tài)而燒毀。再一個就是永磁電機維修比較麻煩，不象三相異步電機一樣維修簡單，方便使用。轉(zhuǎn)子褪磁后，需要更換轉(zhuǎn)子中的永磁材料。
2、超高轉(zhuǎn)差率電機
（1）結(jié)構(gòu)及原理
由超高轉(zhuǎn)差率電機和節(jié)能控制箱組成，專門設(shè)計制造用于游梁式抽油機。超高轉(zhuǎn)差率電機具有軟的機械特性，較低的啟動電流，較高的啟動轉(zhuǎn)矩；節(jié)能控制箱具有過熱、過載、缺相等保護(hù)功能及較高的功率補償。
（2）應(yīng)用及節(jié)能分析
這類電機的抽油機拖動系統(tǒng)最主要的特點是能提高抽油機的系統(tǒng)效率，降低電耗，根據(jù)油井的供液量簡便的完成調(diào)節(jié)沖次工作，減少停機時間，減少設(shè)備維修和油井的維護(hù)作業(yè)費用，從而降低采油成本。因此對于減少齒輪箱的疲勞損壞，減輕抽油桿的最大應(yīng)力和應(yīng)力變化范圍，增加泵效，降低電機的固定損耗（包括鐵損、機械損等），提高平均效率，方便的調(diào)節(jié)沖次等都具有普通抽油機無可替代的效果。
根據(jù)多次試驗結(jié)果，由于超高轉(zhuǎn)差率電機匹配合理，功率因數(shù)可提高50%～80%，無功功率降低60%以上，降低電網(wǎng)電流及線路損耗50%以上，還可消除普通抽油機的發(fā)電狀態(tài)等。
但這類電機最大的困難是需要改變普通電機的轉(zhuǎn)差率，重新繞制電機，只能專用于抽油機，用于其他負(fù)載可能效果不佳。
3、變頻調(diào)速電機
近年來隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展起來的變頻調(diào)速裝置，由原來的用于風(fēng)機、水泵的節(jié)能控制，現(xiàn)也逐步應(yīng)用到抽油設(shè)備上，也收到了良好的效果。
（1）真正實現(xiàn)了軟啟動、軟停機。對電網(wǎng)無沖擊。變頻調(diào)速減少了空行程，減少了各機械部件的沖擊及磨損，延長了設(shè)備的使用壽命。
（2）可通過調(diào)節(jié)運行頻率來無級的調(diào)節(jié)抽油機的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而平滑方便的調(diào)節(jié)沖次，使系統(tǒng)始終保持抽汲平衡，增加泵效，工作于最佳狀態(tài)。
（3）可提高功率因數(shù)達(dá)0.95以上，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負(fù)擔(dān)，節(jié)能達(dá)30%以上。
（4）不用改變電機，采用普通電機即可實現(xiàn)調(diào)沖，這是其他任何方法都作不到的。
（5）缺點是一次性投資較大，需處理抽油機發(fā)電過程的再生能量。再者變頻器的諧波對電網(wǎng)有影響，也會使電機的附加損耗增大。
二、潛油電泵
在某些供液足，井況比較好的油田區(qū)域，多采用潛油電泵這種采油設(shè)備，來加速采油過程，保證穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。
該系統(tǒng)由地面控制柜和井下電泵組成。由于井都比較深，大約在1000—3000米，一般都采用高壓電機，電壓等級在1000V—2300V，而由于長輸電纜的消耗，為保證電泵正常工作，一般供電電壓要比電機電壓高出150V左右，以補償線路的損耗。
控制柜設(shè)有電機保護(hù)裝置，有過壓、欠壓、過載、短路等保護(hù)功能，由于潛油電泵工作于井下油的液面下，全靠油的循環(huán)散熱，控制柜必須設(shè)置欠載保護(hù)，以保證在井內(nèi)供液不足時停止運轉(zhuǎn)，不讓電泵干轉(zhuǎn)而燒毀?；緫?yīng)用如圖2示。
潛油電泵是安放在井下1000—3000米的電泵設(shè)備，工作環(huán)境非常惡劣（高溫、強腐蝕）。而傳統(tǒng)的供電方式——全壓、工頻更使它故障頻繁，運行成本較高。主要表現(xiàn)在：
1、工頻全速運轉(zhuǎn)，當(dāng)井下液量不富裕時，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，則損失慘重。
2、全壓、工頻工作，啟動電流大，是額定電流的5—7倍，沖擊扭矩大，對電機壽命有很大影響。
3、油田供電電壓常有波動，使電機欠勵磁或過勵磁，時常燒毀電機。
4、維修量大，維護(hù)費用高。潛泵損壞提到地面上維修，光工程費就有五萬元，價值10萬元的電纜平均提上、放下5次就得更換，潛泵平均10個月就得維修一次，維修費用約8萬元。造成生產(chǎn)成本偏高。
由于這些原因，油田的科研人員也在積極尋求更好的控制方法。經(jīng)與科研單位探討，認(rèn)為變頻器具有軟啟動和調(diào)速方便的優(yōu)點。于是將該設(shè)備投入到潛油電泵的控制電路上，取得了較好的效果。
1、低頻、低壓的軟啟動，使電網(wǎng)基本無沖擊，電泵扭矩降低，延長了電纜及電泵的壽命。
2、能根據(jù)井況隨時調(diào)節(jié)電泵轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)始終運行在較好的工作狀態(tài)。節(jié)能效果較好，在10—20%左右。
3、電泵工作電壓基本不受電網(wǎng)波動的影響，電機運行平穩(wěn)，無脈動現(xiàn)象，變頻器并能補償線路電纜的損耗，使電機工作正常。
4、控制方便，操作簡單，各種運行參數(shù)顯示清楚、全面。
5、保護(hù)功能齊全。變頻器具有短路、過壓、欠壓、過載、欠載、溫升過高等保護(hù)功能，保護(hù)電泵及控制柜耐受電網(wǎng)及負(fù)載的沖擊而不損壞。
由于這類設(shè)備電壓等級較特殊，有兩個電壓等級，1140V系列和2300V系列，國產(chǎn)的這類變頻器還比較少，現(xiàn)運行比較可靠、穩(wěn)定的是山東新風(fēng)光電子有限公司生產(chǎn)的中壓潛油電泵變頻器，在勝利油田、大慶油田、青海油田、大港油田及中原油田等安裝的比較多，深受用戶的好評。圖3為野外使用的帶鐵皮房維護(hù)的潛油電泵專用變頻器設(shè)備。
三、螺桿泵
在高粘度、高含砂量的區(qū)塊，一般采用螺桿泵進(jìn)行稠油油藏的開采。
螺桿泵既具有柱塞泵的硬特性，又具有離心泵的軟特性，能夠輸送高粘度、高含砂量的原油，適應(yīng)高氣油比、中深低產(chǎn)井原油的需要，并以其工藝簡單、管理方便、低生產(chǎn)成本、高舉升性能的特點得到了廣泛的應(yīng)用。
截至2005年，全國各油田不完全統(tǒng)計共有螺桿泵采油系統(tǒng)生產(chǎn)油井6000口。隨著其配套工藝技術(shù)的日益完善，螺桿泵采油技術(shù)的應(yīng)用有著廣泛的前景。
但通過近幾年的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，螺桿泵采油井抽油桿斷脫、油管漏失、結(jié)蠟嚴(yán)重、螺桿泵定子脫落、磨損嚴(yán)重等故障。其工況特征表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩、軸向力、電流、沉沒度、油壓、套壓、液量等參數(shù)的變化上。
為最大限度的增產(chǎn)、增效，提高設(shè)備的利用率，油田技術(shù)人員通過采用一些新技術(shù)，如采用變頻自動調(diào)速控制，對螺桿泵進(jìn)行科學(xué)合理調(diào)參，達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能，提高系統(tǒng)效率的目的，充分發(fā)揮螺桿泵的潛力。
1、 變頻調(diào)速自動控制系統(tǒng)
變頻控制系統(tǒng)包括變頻器、主控電路和輔助電路，如圖4所示。
圖4 帶工變頻切換的自動控制系統(tǒng)
主控電路是由變頻控制電路和工頻控制電路組成，主要根據(jù)螺桿泵井的生產(chǎn)工況需要，通過切換變頻控制和工頻控制部分來控制螺桿泵電機的運行狀態(tài)。輔助電路是利用直流24V繼電器來控制變頻器的輸入信號端，對螺桿泵電機實施軟啟動、軟停機，還裝有缺相保護(hù)。
自動控制變頻調(diào)速系統(tǒng)為一閉環(huán)控制系統(tǒng)，工作原理為轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸向力傳感器實時測量抽油桿的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸向力工作參數(shù)，并實時將這些信息傳送給單片機，根據(jù)這些信息的計算分析結(jié)果與程序中事先設(shè)定的各臨界參數(shù)進(jìn)行分析、比較、判斷，并由單片機向信號輸出單元發(fā)出指令，操縱變頻器，使其按照要求改變電機運轉(zhuǎn)頻率，使電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，帶動螺桿泵在不同的轉(zhuǎn)速下工作，使整個系統(tǒng)在安全的前提下，實現(xiàn)提液增產(chǎn)、節(jié)能降耗，提高設(shè)備的利用率。系統(tǒng)構(gòu)成如圖5示。
2、改造后的效果
（1）螺桿泵變頻調(diào)速采油工藝技術(shù)不但實現(xiàn)了變頻調(diào)速自動控制，而且能準(zhǔn)確的測出螺桿泵的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸向力和功率，為螺桿泵工況的確定、故障診斷、確定稠油降粘加藥周期、降低桿斷脫事故發(fā)生率等措施提供了技術(shù)支持。
（2）具有壽命長、抗干擾能力強、線性范圍寬、精度高等優(yōu)點。
（3）有助于提高螺桿泵井的管理水平，為螺桿泵井的安全長效運行提供了強有力的手段。
四、直線電機抽油機
直線電機是上世紀(jì)三十年代發(fā)展起來的一門新興電機技術(shù)。在國外發(fā)展比較快，已形成一門比較獨立的電機體系，在抽油機和采油泵上都有應(yīng)用，在其他領(lǐng)域也有涉及，但比較少，主要的還是應(yīng)用在油田上。
我國對于直線電機的研究起步較晚，大約在上世紀(jì)九十年代。因其優(yōu)異的驅(qū)動性能而備受各界關(guān)注。直線電機取代旋轉(zhuǎn)電機，系統(tǒng)效率明顯提高，由于去掉了中間傳動機構(gòu)，采用直線電機的采油效率將會明顯提高，因而引起石油行業(yè)的普遍關(guān)注。近幾年，法國、美國等國家以及國內(nèi)申請的直線電機和直線電機抽油泵的專利較多。各個油田的科研所也都進(jìn)行了不同程度的實驗，如華北油田、大港油田、南陽油田等，有的應(yīng)用還比較成功。
1、直線電機的工作原理
直線電機的原理與旋轉(zhuǎn)電機的原理基本相似?？梢哉J(rèn)為直線電機是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種演變。將一臺旋轉(zhuǎn)電機沿徑向刨開，然后將電機的圓周展開成直線，即成為原始的直線電機。如圖。由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。
2、應(yīng)用
直線電機驅(qū)動設(shè)備采油要求出力大，耐溫、防蝕、散熱，用于抽油機的直線電機可以采用平板型或圓桶型。直線電機抽油機動子較短，一般設(shè)計為動磁式或動鐵式，線圈固定，有利于實現(xiàn)長沖程、高出力。
直線電機由于省去了中間環(huán)節(jié)，直接帶動負(fù)載，一般運行速度都比較低，因此大部分都要用變頻控制，山東新風(fēng)光電子研制的直線電機專用變頻器已經(jīng)在上述幾個油田的科研所配套應(yīng)用，取得了較好的效果.。.如圖6所示是直線電機野外使用的情況。
圖6、野外使用的直線電機抽油機
3、特點
（1）由于直線電機取消了中間傳動裝置，在提高系統(tǒng)總效率和節(jié)能方面具有很大的優(yōu)勢；
（2）直線電機用于采油設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)能效果好，系統(tǒng)效率高，能滿足采油工藝自動控制的要求和適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境；
（3）應(yīng)用直線電機驅(qū)動設(shè)備采油，可以有多種不同的方案，井下泵的選擇與直線電機的設(shè)計是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
（4）隨著研究的深入，直線電機節(jié)能、高效的優(yōu)勢將會不斷顯現(xiàn)出來。
當(dāng)然由于我國研制直線電機的時間較晚，在技術(shù)和性能上還有許多需要改進(jìn)和完善的地方，但這一新技術(shù)的應(yīng)用前景是非常看好的，隨著我國科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，在不久的將來，這一技術(shù)必將獲得廣泛的應(yīng)用，成為采油行業(yè)乃至于電機行業(yè)的又一次新技術(shù)革命。
五、結(jié)論
任何一種設(shè)備的更新?lián)Q代都是隨著工程的需求和科技的進(jìn)步應(yīng)運而生的，采油設(shè)備的發(fā)展也不例外。雖然經(jīng)過了幾代的發(fā)展，但每一套設(shè)備都各有優(yōu)缺點，由于技術(shù)的局限和研制時間的短暫，還很難說那一種設(shè)備最先進(jìn)，那一種設(shè)備最落后要被淘汰。但是隨著科技的進(jìn)步，必將出現(xiàn)更多、更新的設(shè)備投放于采油設(shè)備上，使生產(chǎn)力得到更大的發(fā)展，采油水平更上一個臺階，必將朝著更環(huán)保、更節(jié)能、更趨于合理化的方向發(fā)展。因此雖然游梁式磕頭機、潛油電泵、螺桿泵、直線電機等采油設(shè)備還將在一定時期內(nèi)長期共存，但發(fā)展的趨勢已日見明顯，直線電機必將是未來的研制方向，成為各個科研部門競爭的焦點。
參考文獻(xiàn)
1、《直線電機在采油設(shè)備上的應(yīng)用》 魏秦文等 《石油礦場機械》2007.8
2、《抽油機節(jié)能電機的應(yīng)用分析》 王釗 等 《石油礦場機械》2007.8
3、〈直線電機抽油機專用變頻器〉 李瑞來、韓文昭
〈第二屆特種電源與元器件學(xué)術(shù)年會論文集〉
作者簡介：
周加勝（1967----）工程師 畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)在山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司技術(shù)支持部工作。
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