抽油机文献综述

文献综述抽油机井采油是国内外油田最主要的机械采油方式。石油开采已经有很长历史了,其中有杆抽油系统起了很重要的作用。有杆抽油系统主要由抽油机、抽油杆、抽油泵等三部分组成，抽油机是有杆抽油系统最主要的举升设备。根据是否具有游梁，抽油机可以划分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。由于游梁式抽油机具有结构简单、工作可靠等优点，游梁式抽油机一直是国内外油田应用最广泛的举升设备。抽油机就形式分有以下几种：常规式抽油机、偏置式抽油机、前置式抽油机以及链条式抽油机等。前置式抽油机平衡后的理论净扭矩曲线是一条比较均匀的接近水平的直线，因此其运行平稳，减速器齿轮基本无反向负荷，连杆游梁不易疲劳损坏，机械磨损小，噪声比常规型抽油机低5dB,整机寿命长。其曲柄在旋转时有195°的上冲程和165°的下冲程。由于光杆运动的加速度与运动时间的平方成正比，上冲程时间延长就是光杆加速度明显减小。计算和测定表明，其加速度可减少40%，相应的使减速器扭矩减少35%左右，节能效果显著,当然也减少了抽油杆的事故.与同等级的常规式抽油机相比，前置式抽油机可配置较小功率的电动机，一般功率可减少20%左右。试验表明，前置式抽油机比常规式抽油机节电31.9～39.6%.随着我国及世界石油工业的发展，钻井深度不断增加，油田深井、超深井的比例不断提高，因此对抽油机的提出了更高的要求。一·工作原理抽油机工作原理是电机的转动通过减速器传给四连杆机构，由四连杆机构（曲柄、连杆、游梁、横梁）把减速器输出轴的旋转运动变为游梁驴头的上下往复运动，驴头带动光杆和抽油杆作上下往复直线运动，通过抽油杆再将这个运动传递给井下抽油泵中的柱塞。在井下抽油泵泵筒的下部装有固定阀（吸入阀），而在柱塞上装有游动阀（排出阀）。当抽油杆向上运动，柱塞作上冲程时，固定阀打开，泵从井中吸入原油。同时，由于游动阀关闭，柱塞将其上面油管中的原油举升到井中，这是抽油泵中原油的吸入过程。当抽油杆向下运动，柱塞作下冲程，固定阀关闭，而游动阀打开，柱塞下面的油通过游动阀排出到它的上面，这就是抽油泵的排出过程。实际上，抽油泵装置相当于一个特殊结构的单缸单作用柱塞泵，只不过将它的水力部分放到井下成为抽油泵，将它的驱动部分放到地面变成抽油机，两者用又细又长的活塞杆—抽油杆连接起来。然而，井下油层的情况特别复杂，有富油井、贫油井之分，有稀油井、稠油井之别。恒速应用问题显而易见。如抛却这些不谈，就抽油机油泵本身而言，磨损后的活塞与衬套的间隙漏失等都是很难解决的问题，况且变化的地层因素如油中含砂、蜡、水、气等复杂情况也对每冲次抽出的油量有很大的影响。看来，只有调速驱动才能达到最佳控制。引进调速传动后，可根据井下状态调节抽油机冲程频次及分别调节上、下行程的速度，在提高泵的充满系数的同时减少泵的漏失，以获得最大出油量。尤其是采用变频调速既无启动冲击，又可解决选型保守、线路较长等所致的功率因数偏低等问题，获得节能增效的同时又能提高整机寿命。尤其是油泵的寿命，减少机械故障提高可靠性.二·国内外研究现状与发展趋势1·国内研究现状与发展趋势1.1国内研究现状油机是有杆抽油系统中最主要举升设备。根据是否有游梁，可分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。经过一百多年的实践和不断的改进创新，抽油机不管是结构形式还是在使用功能上，都产生了很大的变化。特别是近几十年来，世界对原油的需求量不断加大，对油田深度开采的能力有了更进一步的要求，在很大程度上加快了抽油机技术发展的速度，催生出多种类型。目前,国内抽油机制造厂有数十家,产品类型已多样化,但游梁式抽油机仍处于主导地位。根据公开发表的资料统计,我国现有6大类共45种新型抽油机[1],并且每年约有30种新型抽油机专利,十多种新试制抽油机[2],已形成了系列,基本满足了陆地油田开采的需要。各种新型节能游梁式抽油机如双驴头式抽油机、前置式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、下偏杠铃系列节能抽油机[3]和用窄V形带传动的常规抽油机等均已在全国各个油田推广应用,并取得了显著的经济效益。长冲程、低冲次的无游梁式抽油机的研制也取得了一些进展,如由胜利油田研制的无游梁链条抽油机,经过国内十几个油田稠油及丛式井的推广使用[4],在低冲次抽油和抽稠油方面已初见成效。此外,桁架结构的滑轮组增距式抽油机、滚筒式长冲程抽油机已在某些油田进行了工业试验[5];齿轮增距式长冲程抽油机的研制工作也取得了新的进展;质量轻、成本低、便于调速和调整冲程的液压抽油机经过几年的研制和工业性试采油,也积累了一定的经验[6]。其他型式新颖的抽油机如数控抽油机、连续抽油杆抽油机、车载抽油机、磨擦式抽油机、六连杆游梁式抽油机和斜直井抽油机等也正处于不断改造和试生产过程中[7]。然而，游梁式抽油机的缺点是不容易实现长冲程低冲次的要求，因而不能满足稠油井、深抽井和吉气井采油作业的需要。同时，长冲程低冲次的无游梁式抽油机的性能尚有待完善(如油田正在使用的链条式抽油机还存在链条寿命短、换向冲击载荷大和钢丝绳易断、导轨刚．度不足容易变形等问题)，而且品种规格还很少，不能适应当前石油工业的发展[8]。液压抽油机至今仍处在研制阶段[9]。1.2国内发展趋势20世纪9O年代以来，我国东部各主要油田相继进入中高含水开发期[17]。为确保高效生产，对抽油机的要求呈现两个特点：一是急需采用长冲程抽油机，以增加油井的产液量；二是为了降低油井的单位生产成本，对抽油机的节能性提出了更高的要求[18]。其次就目前抽油机耗电量大，工作效率、能量利用率低这一现状仍是我国抽油机研究的重点之一，在抽油机效率和节能方面，还有很大的提升空间，具有非常诱人的前景[19]。长冲程抽油机的研制应用能力不足一直是我国抽油机发展的瓶颈，长冲程抽油机具有减小冲程损失、提高系统效率、延长机杆泵的使用寿命、减少故障及提高整机运行质量等优点[20]。因此,发展长冲程抽油机对当前我国老油田高含水井后期开采,减缓产量递减速度,开采稠油、低渗透油田以及沙漠油田深井及超深井的机械开采,都具有重要的现实意义[21]。游梁式抽油机的局限性十分突出，多方面事实说明，长冲程、低冲次、低功耗的无游梁式抽油机是今后抽油机发展的主要方向[22]。为适应油田采油需要,在适当发展游梁式长冲程抽油机的同时,应加速开发各类无游梁式长冲程抽油机[23]。开发无游梁曲柄摇杆轮式斜井抽油机和大型斜直井抽油机将对我国油气资源开采有重要意义[24]。根据我国实际情况,发展无游梁大冲程、低能耗、具有高适应性的直井抽油机和斜井抽油机,将是我国今后抽油机发展的主要方向[25]。近年来，变频技术在抽油机上得到了广泛应用。利用变频控制系统实时调整工作参数，提高电机功率因数，减小供电电流，还可以实现电机的软起动，减小冲击，并可根据油井供液能力实时调整冲次频率，实现增产节能效果[26]；另外，研究开发机电一体化抽油装置，根据抽油机井特性实时控制和改变抽油状态，实现高效智能化采油[27]。如美国NSCO公司智能抽油机，采用微处理器和自适应电子控制器进行控制与监测，具有功能多、抽油效率高、自动化程度高、经济性好、安全可靠、适应性强等优点[28]。研发大型、高适应性的丛式井抽油机，随着世界油气资源的不断开发，油层开采深度逐年加大，油田含水量的增多，大泵提液采油工艺和稠油开采等都要求采用大型抽油机[29]。现代大型抽油机应具备有高适应性，以适应多种恶劣环境和地层油层的变化，如开发一种机型能适应不同自然气候与地貌环境的差异、地层油层的迁移改变、冲程冲次的改变、油气层性状的改变、连续与间歇抽油的调整等[30]。另外，由于现代大型抽油机的结构和控制的复杂性，体积的庞大，其工作面积也相应增大，同一抽油机可以对多口相邻油井同时抽油作业，采用综合平衡方式和节能方式，达到最好的作业效果[31]。2·国外研究现状与发展趋势2.1国外研究现状目前，世界上生产抽油机的国家主要有美国、俄罗斯、法国、加拿大和罗马尼亚等[10]。为了减少能耗,提高采油经济效益,近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15%~35%;前置式抽油机节电368%前置式气平衡抽油机节电35%轮式抽油机节电50%~80%大圈式抽油机节电30%;自动平衡抽油机节电30%~50%;低矮型抽油机节电5%~20%;ROTAFLEX抽油机节电25%智能抽油机节电174%;螺杆泵采油系统节电40%~50%[11]。近年来国外很重视改进和提高抽油机的平衡效果,使抽油机得到更精确平衡。近年来,为了节约能耗、提高采油经济效益,国外研制与应用了许多节能型抽油机,在采油实践中,取得较好的使用效果。如变平衡力矩抽油机,可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩。前置式气平衡抽油机,由于可在动态下调节气平衡,平衡效果较好。气囊平衡抽油机有90%以上载荷得到平衡[12]。双井抽油机可利用两口油井抽油杆柱合理设计得到更精确的平衡。自动平衡抽油机可保证在上下冲程每一瞬间得到较精确的平衡效果[13]。近年来国外研制与应用了多种类型长冲程抽油机,其中包括增大冲程游梁抽油机、增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机[14]。；2.1.1前置式气平衡抽油机美国工Jufkin公司生产的A系列前置式气平衡抽油机具有较好的技术经济指标,抽油机重量减轻40%,尺寸缩小35%,动载荷较小,受力均匀,运转平稳,节约电耗35%。2.1.2无游梁长冲程抽油机美国ROTAFLEx宽带传动抽油机实践表明:抽油机系统效率为5%,而常规抽油机只有40%。提升液体能耗比常规抽油机减少25%,可使用29.4kw电动机,而同级常规抽油机须用只kw电动机。美国WesternGea:有限公司研制的液压驱动无游梁长冲程抽油机占地面积较小,可节约电耗10%一15%。美国NationalSupply有限公司研制的无游梁长冲程抽油机节约电耗10%一20%2.1.3智能抽油机美国NationalSupply有限公司研制的智能抽油机减速器峰值扭矩减少34.7%,电动机功率减少17.4%,产量增加19%,抽油机系统效率平均提高47.8%,投资费用减少20%,成本利用率提高20.7%。天然气发动机驱动抽油机美国生产的天然气发动机驱动抽油机可比电动机功率减少30%,动力费用与采油成本均较低。2.1.4变平衡力矩抽油机美国Pionner公司研制了变平衡力矩抽油机,利用抽油机连杆运动以及新增加的连杆摆动机构作用原理,使得上冲程时平衡力矩大于下冲程时的平衡力矩,实现更精确地平衡抽油机载荷、减少抽油机电力消耗的目的。2.2国外发展趋势如前所述,世界范围内抽油机技术发展的总趋势是向着多样化、超大载荷、长冲程、节能型、无游梁式和自动化、智能化方向发展[32]。2.2.1朝着大型化方向发展随着世界油气资源的不断开发，开采油层深度逐年增加，石油含水量也在不断增多，采用大泵提液采油工艺和开采稠油等，都要求采用大型抽油机，所以近年来，国外出现了许多大载荷抽油机，如前置式气平衡抽油机最大载荷213kN，气囊平衡抽油机最大载荷227kN等[33]。还会出现更大载荷新型抽油机[34]。采用长冲程抽油方式，抽油效率高，抽油机寿命长，动载荷小，排量稳定，具有较好的采油经济效益，所以近年来国外出现了许多长冲程抽油机，如法国Mape公司抽油机，最大冲程10m[35]；美国WGCO公司抽油机最大冲程24.38m，NSCO公司抽油机最大冲程27.48m；原苏联钢带式超长冲程抽油机最大冲程1500m。长冲程抽油机全部采用低冲次抽油方式，Mape公司抽油机最大冲次5min，GDCO公司抽油机最大冲次为3min[36]。2.2.2朝着低能耗方向发展为了减少能耗，提高采油经济效益，近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机。例如异相型抽油机节电15%～35%；前置式抽油机节电36.8%；前置式气平衡抽油机节电35%；轮式抽油机节电50%～80%；大圈式抽油机节电30%；自动平衡抽油机节电30%～50%；低矮型抽油机节电5%～20%；ROTAFLEX抽油机节电25%；智能抽油机节电17.4%；螺杆泵采油系统节电40%～50%[37]。2.2.3