喇嘛甸油田闲置抽油机节能改造实践及评价

杨广军（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

1 现状

“十一五”期间，喇嘛甸油田在机采井节能方面开展大量工作，应用了大量新的节能举升设备，同时也造成大量常规举升设备闲置，其中抽油机占了较大部分。调查表明，闲置抽油机设备无论从优化改造还是从再利用方面都具有很大的节约能耗、降低成本的潜力。因此，从节能降耗的角度出发，研究可行的闲置抽油机的改造方法，同时从优化改造的方向上进行试验，具有十分重要的意义。

目前喇嘛甸油田有大批抽油机井设备闲置，由于更机使用和产能需要再利用率不高，有待进行改造再利用。据调查油田闲置抽油机201台，以10型和11型机闲置率较高，分别占总闲置数量的48.5%和34.83%。见表1。

表1 闲置抽油机机型分类统计

2 闲置抽油机节能改造

与电泵井、螺杆泵井举升设备构成少、技术集成化比例高相比，常规抽油机具有结构简单、使用寿命长的特点，但其曲柄轴静转矩峰值大，波动幅度大，甚至出现负转矩，造成能耗增加。但抽油机设备改造易于实施、改造难度小。

常规抽油机节能改造应遵循以下原则：首先是原抽油机最大冲程长度、冲速和安装尺寸不能改变；其次理论节电率应为10%～15%，悬点载荷可提高10%以上，零部件应力增加量不应超过20%；在此前提下，改造方法要简便易行，改造费用要低。

结合喇嘛甸油田闲置机型，优选异相后臂、下偏杠铃型游梁复合平衡以及双驴头变径三种节能改造方式。三种方式改造均以四连杆机构优化设计为主，能减小曲柄净扭矩峰值。

2.1 异相后臂型节能改造

异相后臂改造原理是增加常规抽油机尾轴的支座高度，同时相应缩短连杆长度，其它部位则保持不变，因此相对改变游梁后臂的尺寸，使尾轴与中轴的距离缩短。在上死点时，可在连杆与垂线间制造常规机型不具备的极位夹角（16.7°）。连杆与曲柄运动的极位夹角具有一定的节能效果，只要在合理范围内，可确保整机承载能力不下降[1]，如图1所示。同时极位夹角的出现，使输出轴扭矩曲线出现位移，与载荷扭矩曲线更加同步，最终使净扭矩曲线趋于平缓，消除了负功，达到节能的目的。

图1 异相后臂抽油机改造后效果

异相后臂抽油机改造5台，每台费用0.5万元，安装费用0.5万元，总计1万元。单井年节电可达1.4×104kWh，年节约费用0.71万元，投资回收期16个月。

2.2 下偏杠铃复合平衡改造

下偏杠铃改造主要根据曲柄输出转矩和井下负荷变化规律，利用下偏杠铃和原游梁形成复合平衡[2]。改造在游梁尾端加装一套下偏杠铃装置，通过调整杠上平衡块的数量可对悬点载荷进行平衡。

改造后下偏杠铃的质心运动轨迹为绕中轴支座中心的一段圆弧，其半径不变但力臂值变化，即上冲程开始和下冲程结束时游梁的平衡作用削减载荷的峰值扭矩，使作用到曲柄输出轴扭矩不至于过大，同时产生的与井下相反的负扭矩，可以减小电动机输出功率[3]。上冲程结束和下冲程开始，由于悬点载荷小，下偏杠铃力臂较小，作用在曲柄轴扭矩不至于过小，从而加强平衡效果，并避免电动机作为发电机的状况发生而产生的不良后果[3]。

在同等模拟工况条件下，减速器净扭矩理论曲线如图2所示。

图2 下偏杠铃抽油机改造前后净扭矩对比

以CYJ10-3-37HB为例：上冲程峰值扭矩42.84 kN·m，下冲程峰值扭矩34.65 kN·m，改造后，上冲程峰值扭矩37.35 kN·m，下冲程峰值扭矩30.14 kN·m，改造后上冲程峰值扭矩降低5.49 kN·m，下冲程峰值扭矩降低4.51 kN·m，由于峰值扭矩的降低，有利于延长减速箱、曲柄销、井下管柱的使用寿命。

抽油机曲柄静扭矩峰值的降低不仅有利于节能，而且有利于抽油机选用扭矩较小的减速器和功率较低的电动机。现场共改造40台，每台改造费用2.5万元，单井年节电1.64×104kWh，年节约成本0.84万元。

2.3 双驴头变径型节能改造

利用双驴头抽油机原理，对常规抽油机四连杆机构进行关键性技术改造，改造前后主要区别在于将固定长度的游梁后臂变为变半径的圆弧曲线，即采用变径圆弧状游梁后臂，形成变参数四连杆机构。其具体做法是：采用特殊的曲线型游梁后臂、游梁与横梁之间采用柔性连接结构，形成游梁后臂长度、连杆长度随曲柄转角同时变化的新四杆机构。运行时通过游梁后臂有效长度的规律性变化，改变抽油机扭矩因数的变化规律，提高抽油机平衡效果，同时可实现增程和降低装机功率，实现节能目的[4]。

现场改造CYJ10-3-53HB型常规抽油机为YCYJ10-3-53HB型共3台。缩短连杆长度，加长曲柄回转半径，与原机型相比增程1.2 m；原装机功率30 kW电动机可更换为18.5 kW。改造后单井年节电可达1.81×104kWh，年节约成本0.93万元。

2.4 节能改造经济性评价

从改造技术看，三种机型改造技术均较成熟，但改造程度不同。下偏杠铃复合平衡改造不对抽油机主体改造，只需设计加装下偏杠铃；异型后臂改造需对尾轴加高，同时进行缩短连杆改造，改造后配件通用性强，能与原常规机通用[5]；双驴头变径需对游梁、四连杆进行改造，同时增加游梁后部驴头。

从改造技术适用范围看，异型后臂型改造适用于非异相型常规机改造，下偏杠铃复合平衡型对于各种常规机均适用，双驴头变径型受更适合10型以下常规机的改造。

从改造成本看，受技术难易程度影响，双驴头变径型改造的技术最复杂、成本最高，下偏杠铃复合平衡改造次之，异型后臂改造成本最低，见表2。

从适用改造机型范围看，下偏杠铃复合平衡型适用范围最广；双驴头变径型改造范围则以10型以下常规机改造更节能实用；异型后臂改造不能用于异相型机改造，范围略小。

表2 常规抽油机节能改造经济投入对比

从节能改造效果看，改造后机型各项性能指标均比改前降低，因此可降低配套电动机的装机功率，同时改善平衡效果，改善设备运行工况，实现节能目的。节能效果受实际应用井况而异，其中双驴头变径型改造节能效果最好，下偏杠铃复合平衡型、异相后臂改造次之。

3 结论及认识

1）油田闲置抽油机井设备可进行改造再利用，具有一定可操作性，对于提高资产利用率、降低固定资产投入，以及油田节能降耗均具有很大的经济效益。

2）常规抽油机改造应本着技术成熟，改造简单，效果好的原则进行。通过改造提高抽油机的平衡效果，同时增程和降低装机功率，就能实现节能目的。

3）现场改造试验表明，异型后臂改造成本最低，下偏杠铃复合平衡型适用范围广，双驴头变径型改造节能效果最好，均可作为油田闲置机型改造的主要首选方式。