抽油机三大承载部件合理载荷区间研究

丁健（大庆油田有限责任公司第四采油厂）

抽油机的工作原理是：电网向电动机输入电能，电动机将电能转化为圆周运动的动能，驱动抽油机的运转。抽油机通过皮带传动系统和减速箱，将电动机输出的圆周运动减速到适合抽油机主体运行的转速，抽油机通过四连杆机构，将圆周运动转化成直线的往复运动，从而驱动井下的抽油泵工作[1]。从功能上说，抽油机只是一个减速和运动方式的转换装置，离不开电控箱和电动机等辅助设备，因此抽油机井实际上是一个系统[2]。抽油机系统作为一个机械群体，既要使其高效的运行，又要保证抽油机运转的安全性，研究抽油机系统合理的工作区间，对机采设备的优化、调整，保证其安全、可靠、高效地运行，从而提高石油企业的经济效益，具有十分主要的指导意义[3]。

1 抽油机系统合理工作区间的研究

抽油机系统具有“负载启动，交变载荷”的工作特点，要保证其安全工作，就必须考虑其启动和正常工作时的承载差异。抽油机系统在启动时，由于惯性力的作用，所承受的载荷远大于其正常运行时所承受的载荷，因此，设备的配置必须留有余地。

抽油机系统的承载设备主要由电动机、游梁、扭矩传输装置三大部件组成，运行时应该根据其不同的特点，从设备安全和效率两个方面考虑其合理的工作区间。

1.1 电动机的合理工作区间

电动机是向抽油机系统提供动力的装置，电动机输出的消耗功率与额定功率的比值称为电动机的负载率，负载率是衡量电动机负载程度的指标。

抽油机启动功率与正常运行功率的对比如图1所示， 抽油机启动时电动机的最大功率为33.45 kW，而正常运行最大功率为8.34 kW，启动时最大功率是正常运行最大功率的4.01 倍。如果启动时最大功率与装机功率相等，则正常运行时的负载率接近于25%，考虑到一般电动机都有20%的过载能力，抽油机电动机的负载率上限应在45%左右[4]。如图2 所示，当负载率处于20%～30%时，电动机的效率达到了43%～60%，则电动机负载率的下限应为20%以上。综上所述，电动机负载率的工作区间为20%～45%。

图2 电动机特性曲线

1.2 游梁的合理工作区间

抽油机游梁是一个以中轴为支点的杠杆，是动力与载荷直接对抗的场所。在抽油机管理中，用“载荷利用率”来衡量游梁的承载程度，只要抽油机的载荷利用率小于100%，就是安全的，这是游梁承受载荷的上限。

机械的承载程度是衡量机械是否得到充分利用的尺度。如果机械的承载程度过低，运行时电动机损耗偏大和运行效率的降低，造成设备的浪费[5]。在机械行业，设备的负荷率一般都应该在50%以上[6]。因此，抽油机载荷利用率也应大于50%，这样才能保证抽油机的充分利用和在比较高效的状态下运行。

由于游梁结构及运动形式简单，影响其效率的因素只有轴承的润滑。一般只要按期保养，其效率一般都很高，能够达到98%～99%，因此，负荷率对其影响很小，可以不予考虑。

1.3 扭矩传输装置的工作区间

抽油机的设计程序：根据油井工况，确定抽油机的最大载荷和额定扭矩。根据最大载荷和额定扭矩设计各构件的尺寸。对抽油机的扭矩传递构件最重要的是抽油机的额定扭矩，原则上说，只要减速箱输出轴所承受的扭矩不超过抽油机的额定扭矩，这些构件是安全的。抽油机额定扭矩指的是减速器中各部件的强度和刚度所限制的作用于减速箱输出轴上的最大扭矩的允许值，即扭矩曲线峰值的允许值[7-8]。额定扭矩是在严格平衡状态时经过平衡块平衡后的“静扭矩”，在考虑抽油机的扭矩传递的装置或构件是否安全时，必须考虑抽油机的平衡状态。

从图3 可以看出，经过平衡块平衡后，抽油机实际所承受的扭矩峰值比未平衡时的扭矩降低了1/3左右，这就极大地改善了抽油机运行的平稳程度和工作环境。因此，抽油机的平衡对抽油机运行的平稳程度和寿命有着重要的影响。

图3 抽油机载荷扭矩曲线和静扭矩曲线

抽油机采油系统常用“扭矩利用率”来衡量抽油机扭矩传递单元的承载状况。考虑到现场抽油机平衡状态的良莠不齐，扭矩利用率的工作区间为50%～80%。

通过以上分析研究，明确三大承载部件的承载指标，给出了其各自的合理工作区间。综上所述，三大承载部件的承载指标及各自合理工作区间如表1 所示。

表1 三大承载部件的承载指标及及各自合理工作区间统计

从表1 中可以看出，上述载荷区间使得抽油机游梁、曲柄、电动机均在其设计载荷范围内工作，在没有其它意外因素的情况下，完全可以达到其设计使用寿命。一般抽油机的设计使用寿命为30年，抽油机用电动机设计使用寿命为15 年。

2 节能效果预测

2020 年底，大庆油田XB 开发区运行抽油机井6 639 口，平均消耗功率为6.86 kW，系统效率为32.97%。抽油机井年耗电量为3.825 7×108kWh，用于举升产出液的有用功为1.261 3×108kWh，被设备浪费掉的无用功为2.564 4×108kWh；运行抽油机井游梁载荷利用率为46.58%，曲柄扭矩利用率为49.72%，电动机功率利用率（负载率） 为18.31%。

经分析，全区目前载荷利用率和扭矩利用率不合理的井分别有678 口和548 口，由于油井供液问题和设备问题制约，可调整的分别为316 口和134 口；电动机匹配不合理可调整的井有213 口，三项可调整井共计663 口。其中三大承载部件调整后，预计全区抽油机井电动机功率利用率（负载率）可上升0.2 个百分点，即达到18.51%。

考虑到电动机功率级别的差异对节能贡献的不同，从电动机特性曲线查得，电动机负载率为31.11%时的效率为62%。依此计算，地面部分除电动机外，电控箱、皮带传动、减速箱传动、四连杆机构的总体效率为94.05%。

目前油田已经进入了中、高含水期，含水比较稳定，用于举升的有用功不能变动。调整后抽油机井的总能耗为 3.765 1×108kWh， 节能效果0.060 6×108kWh，年创经济效益382.2 万元。

3 结论

1）抽油机井是一个由各单元组成的系统。抽油机八大部分的运行状态对抽油机井的总体效率都非常重要，任何一个部分存在问题，都会影响抽油机总体效率。

2） 三大承载部件都有其各自的合理工作区间。由于各部分所处的力学、电学环境不同，各部件的合理工作区间也不同。

3）抽油机井的动态调整必须兼顾设备安全和效率两个方面，才能实现抽油机井长期、高效运行，从而保证石油企业取得较好的经济效益。

4）地面设备调整是一项非常经济的措施。相对于抽油机调整必须采取作业施工，且作业费用高达数万元，地面设备调整实施起来操作方便，费用较低[9-10]。从电动机调整的情况来看，取得了非常理想的效果，类似的还有冲程调整、冲次调整、平衡调整等。