游梁式抽油机取消减速装置效率分析及效果预测

刘宏宇 赵霞

（1.大庆油田有限责任公司第一采油厂；2.大庆油田有限责任公司第五采油厂）

抽油机主要有两大类，即游梁式抽油机和长冲程游梁式抽油机。其中，游梁式抽油机占抽油机应用总数的95%以上，在油田生产中占有举足轻重的地位。抽油机井的能耗与抽油机整体的工作效率直接相关，而在油田中应用数量最多的游梁式抽油机，其主要问题就是地面设备整体工作效率不高。如果能够对抽油机结构进行简化，将会提高抽油机整体工作效率。

游梁式抽油机包括下述四大部分[1]，各部分的主要功能如下：

动力部分。为抽油机提供运转动力，通常由电动机和控制箱组成。

动力传递部分。将电动机的高速旋转运动转换为低速旋转运动，由皮带、减速箱等组成。

运动转换部分。将旋转运动转换为上、下往复运动[2]，是由减速箱输出轴至游梁中轴连线、曲柄、连杆、游梁组成的四连杆机构。

辅助部分。保证抽油机正常平稳地启动和运转，保护操作人员和维修人员安全[3]，由基础、底座、驴头、三角架、刹车、平衡块等组成。

1 工作效率分析

1.1 电动机、皮带、减速箱的工作效率[4]

电动机是抽油机工作的动力源，95%以上的抽油机使用Y系列电动机，普通Y系列电动机额定状态下的工作效率在87%～91%之间，最高不超过91%；超高转差率电动机额定工作效率在82%～87%之间，不超过87%。2013 年完成了上述两种电动机共计1 200 口井的功率曲线测试，并计算了电动机的平均工作效率，电动机工作效率在60%～80%之间，平均工作效率为67%。

皮带是抽油机工作的第一个减速装置，它的工作效率与皮带的包角有关。室内实验结果表明，当皮带包角155°左右时传动效率最高，带传动工作效率在88%～92%之间。

减速箱是抽油机的第二个减速装置，通常采用三轴两级传动。在稀油润滑条件下，圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承的效率一般为0.98，圆弧齿轮的啮合效率在0.99～0.995 之间。二级传动减速器的效率为三组轴承的工作效率和两级齿轮的啮合效率为0.922～0.932。

1.2 电动机至减速箱输出轴工作效率

在额定载荷条件下，抽油机整体工作效率将会达到峰值，将各节点的工作效率取峰值，即电动机额定工作效率取91%；皮带传动工作效率取92%；减速箱工作效率取93.2%。额定工作效率为78.02%。

在工作状态下，由于电动机的工作效率较低，导致电动机至减速箱输出轴的效率大幅度降低。根据2013 年测试计算结果，电动机的效率只有67%左右，其他部分的效率不变，电动机至减速箱输出轴工作效率为57.45%。

由上述效率分析和计算可知，在额定载荷条件下，抽油机整体工作效率的峰值为78.02%；而在平均载荷条件下，抽油机整体平均工作效率为57.45%。通常情况下，抽油机的工作效率是不会达到峰值的，应该保持在平均工作效率附近[5]。

2 游梁式抽油机简化

2.1 简化思路

对于游梁式抽油机，动力部分是其能量提供单元，不可省略。而四连杆机构是将旋转运动转换为往复运动的装置，也不可省略，因而只能从减速传动部分考虑简化。思路是将皮带传动部分和减速箱传动部分全部省略，由电动机直接驱动抽油机曲柄带动四连杆机构。

2.2 实施条件

由于游梁式抽油机的冲速一般不高于9 min-1，因而需要电动机转速足够得低，应该在12 min-1，同时配合应用伺服控制系统，方可满足工作需要。应用普通Y系列电动机，电动机极数达到500 极，条件不具备。但由于目前开关磁阻电动机已趋成熟，该技术我国20 世纪90 年代开始研究，到21 世纪10 年代，已形成了自主知识产权，并在纺织、交通等领域广泛应用。开关磁阻电动机结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异；且在整个调速范围内都具有较高效率，可达到92%，系统可靠性强。该电动机使得抽油机简化成为可能。

另外，要求电动机进行特殊加工，即将电动机输出轴加工成为长轴，而且两端输出，与曲柄轴相配合。同时应考虑低速状态下的电动机散热，方案有二：电动机轴增加机械增速装置，形成两端强排风散热；采用油浸致冷。前者增加成本不会太多，而后者增加成本较大，但散热效果更好。

2.3 效果预测

简化后的抽油机由电动机直接驱动抽油机曲柄，传动部分只有电动机，电动机至曲柄轴的工作效率等于电动机的工作效率，效率可达92%。

与简化前抽油机额定工作效率对比，工作效率将提高13.98 个百分点，即简化前后不改变电动机额定功率条件下，可实现节能15.20%。

与简化前的平均效率对比，预计提高效率34.55%左右，可实现节能37.56%[6-7]。

根据2.2 章节中的分析，节能效果应按平均效率计算。根据某厂平均泵径为φ70 mm 标准配备的CYJ10-3-53HB 抽油机，按其平均能耗水平（平均有功功率按14.88 kW 计算），可实现年节电（每年抽油机工作350 天计算）4.68×104kWh。

3 结论

1）游梁式抽油机取消减速部分是游梁式抽油机简化的极限。

2）取消减速部分，同时使用目前最为先进的开关磁阻电动机，电动机的工作效率即可代表原抽油机减速部分的工作效率，预计可达到92%。

3）减速部分取消后，电动机及减速部分的额定工作效率可提高13.98 个百分点，与简化前的平均效率对比，可提高效率34.55%左右。

4）按目前CYJ10-3-53HB 抽油机平均能耗水平，抽油机每年工作350 天计算，可实现年节电4.68×104kWh。