抽油机历史现状与发展趋势分析

抽油机历史现状与发展趋势分析摘要:抽油机是把地层中的石油提升到地面最重要的机械设备，发展新技术，节能降耗，挖潜增效是油田开发永恒的主题，也是抽油机技术发展的方向。文章通过抽油机分类和发展历程分析，叙述了抽油机技术发展的特点，剖析发展面临的问题和制约因素。通过对比抽油机制造企业的产品规范、用电节能情况，结合目前我国能源供求状况和油田生产实际情况，指出抽油机技术将向无游梁、低功耗、通用系列化、智能化、高适应模块化方向发展。关键词:抽油机;历史与现状;节能;发展趋势抽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［1］。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。本文总结国内抽油机技术的发展现状，提出发展趋势，以期为抽油机技术的发展提供指导。一、抽油机分类和发展主要特点20世纪50年代，我国主要以进口前苏联CKH常规型游梁式抽油机为主，修配为辅。60～70年代，在仿前苏联的基础上制造出常规型游梁式抽油机。1975年后制定并完善了国产抽油机技术标准，80年代起实现了抽油机全部国产化，不仅满足自给，而且部分出口［2］。据统计［3］，我国的机械采油井占油井总数的90%以上，其中，由抽油机—抽油机杆—抽油机泵组成的三抽井占80%左右，产量占75%以上。抽油机主要制造厂有十几家，三十多种规格，产品类型已经多样化，主要以游梁式抽油机为主，约占抽油机总数的98%～99%。我国现有6大类共45种新型抽油机，同时每年约有30种新型抽油机专利，10多种新试制抽油机，并已形成了系列，基本上满足了陆地油田开采的需要［2］。根据抽油机结构特点，可分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。其中，游梁式抽油机又可分为常规型、适应型、节能型和自动型;无游梁式抽油机又可分为低矮型、滚筒型、塔架型、增程型和缸体型。根据油井深度对冲程的要求，可分为常规冲程抽油机和长冲程抽油机。在长冲程抽油机中，有增大冲程游梁式抽油机和卧式长冲程无游梁抽油机。根据驱动方式，抽油机分为普通异步电机驱动型、变压异步电机驱动型、大转差率电机驱动型、超过转差率电机驱动型、天然气发动机驱动型以及柴油机驱动型等。近年来，抽油机发展的主要特点:增强了可靠性、经济性、适应性;降低工作载荷变化范围和形式，改善了工作性能，运转更加平稳;工作效率更高，更加节能;在减小体积和整体质量的同时，扩大了使用范围，降低了对工作环境的要求;采用智能模块化设计，提高了自动化与智能化程度，加强了远程控制和自动监测能力。自问世以来，游梁式抽油机一直占有绝对统治地位。其主要特点是结构简单、适用范围广、可靠耐用、制造维修成本低、技术成熟。世界各国都有自己的规范标准，得到广泛的应用;但也存在比较明显的缺点，体积庞大、系统效率低、能耗高。虽然经过多方面改进，游梁式抽油机在有杆抽油泵全系统的总效率在国内一般地区只有12%～23%，先进地区至今也不到30%。美国的常规型抽油机系统效率较高，但也仅有46%［4］。近年来，开发了多种游梁式新机型，在某种程度上缓解了这些弱点，提高了电能利用率和载荷提升能力。但是平衡效果没有根本改善、加速度高、载荷大，降低了有效载荷利用程度和抽油机使用寿命。因此，新型无游梁式抽油机一直具有非常诱人的发展潜力，每年都会有新机型出现。传统的问题解决了，新的问题和不足也随之出现，普遍可靠度不高、对工作环境的要求有一定限制、标准规格参差不齐、维修比较麻烦。另外，抽油机工作环境十分恶劣，而且是连续运转，无人监护。由于技术不够成熟，普遍推广应用能力不强，大多只在局部地区试验性应用。二、抽油机发展面临的主要问题1．中后期水淹井、稠油井增多，开采难度加大20世纪90年代以来，我国东部各主要油田相继进入中高含水开发期。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。据金融界网2009年8月报道，大庆油田自上世纪末，开始出现储量和产量双递减的状况，储量替补率小于1，这标志着它已进入稳产阶段的后期。1990～2003年，平均递减率为0.85%;2000～2003年为2.34%，但2003年总产量仍达到4840×104t。如果按“有计划减产”的预期，2010年其产量将为3000×104t。2003～2010年，平均年减产330.3×104t，年递减率7.84%。随着油田中后期采出程度的加深，油井含水量逐渐上升，动液面不断下降，出现水淹甚至强水淹现象。在维持稳定的产量情况下，产液量要求相应加大。水驱采油是油田中后期最常规的做法，其开采特点是要求抽油机冲程越长越好，而游梁式抽油机冲程范围一般在0.3～10m，应用最多的都在6m以下，不能较好的满足后期开发阶段产量需求;新型无游梁式抽油机发展应用又没有很好的与油田生产实际相结合。据统计，2003年我国重油地质储量46.7×108t，低渗透油和重油的累计地质储量已达全国累计石油地质储量值的50.9%。稠油由于轻质馏分少、胶质沥青含量高、密度大、黏度高、流动性较差、油藏压力低、油田又储层夹层多、非均质性强、综合含水高、部分属高温强水敏地层，采出度低。若采用常规抽油机采油，悬点载荷更大，负荷加重，有效冲程降低;为防止抽油杆受压，还需提高抽油杆的光洁度和弯曲强度，以防止抽油杆柱下部发生纵向弯曲，减少断脱事故。为提高稠油井的采油率，可采用人工举升法和使用长冲程低冲次的抽油机等措施。2．种类多，产品系列化、标准化、通用化程度偏低石油工业发展一百多年来，抽油机种类层出不穷。检索相关专利，显示条目多达3000余条，随机浏览300条，关于新机型的专利达186条;但是，实际被采用的专利并不多。当前应用最广泛的新型游梁式抽油机有异相型、前置型、气平衡型、异型、下偏杠铃型、两级平衡型、斜直井型等，并且均是在国际规范下由各厂自行设计和仿制。虽然发展了很多机型，但品种杂乱，同一型号的抽油机，其尺寸和结构各不相同(即使同厂的产品也各有不同)，给使用单位的生产和管理带来不便［5］。表1所示为十型游梁式抽油机同一型号的产品规格，其结构一致而外形尺寸略有差别，标准化程度偏低。我国早在60年代就开始研制无游梁抽油机，具有节能、重量轻、易实现长冲程、惯性载荷小和智能控制条件好等特点，满足了采油工艺需要。应用最广泛的无游梁抽油机有链条式、皮带式、液压式、滚筒式、直线电机式等。虽然各种机型都在日趋完善和提高中，但也因许多难题如结构复杂、运动件多、关键零部件故障率高、现场维护难，特别是软连接传动，导向轮不可能很大，使配用的钢丝绳由于曲率半径小，寿命短，在机体内部不易发现，造成事故等有待攻克［6］。一般应用在容易监护等小范围内。其产品系列化、标准化偏低，处于不断试验改进阶段，一些结构部件没有彻底定型，通用化程度也受到影响。例如曾在我国一些井队使用的气平衡链条式抽油机每台每年维修次数高达12.6次，而且多为气平衡系统故障，占总故障数的62%。有时断绳后，绳被绞入机体内，轻者机体内零部件损坏，重者导致整机报废［2］。长冲程抽油机冲程偏短，系列标准化不全，发展缓慢。在我国，多把冲程超过4.5m的称为长冲程抽油机。目前正在使用的大部分长冲程抽油机的冲程均在5m以下，而且种类不多，规格不全。如链条式长冲程抽油机，在研制无游梁抽油机时就开始研制，由于多方面原因，直到最近几年才初步在各油田推广应用，而冲程超过6m的长冲程抽油机如KCJ16－8－53Hz抽油机和LzCJ127.2－73HB抽油机，仍处在试用阶段［7］。3．耗电量大，工作效率、能量利用率低抽油机井的耗电量约占油田总耗电量的30%～35%。目前，我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量有3500兆千瓦，每年耗电量逾百亿千瓦时。在我国抽油机的平均运行效率为25.2%，而国外平均水平为30.1%，年节能潜力可达几十亿千瓦［8］。油田节能有三种途径:结构节能、技术节能和管理节能。我国技术节能的贡献率仅为13.4%，这就意味着，按照当前技术进步的程度无法满足实现“十一五”节能目标的要求［9］。2004年，高台子油田进行了215口抽油机井的能耗测试和计算，获得了电动机平均输入功率、有功电量、系统效率等参数，与2002年、2003年相比平均系统效率分别提高了16.5%和7.2%［10］。可以看出，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，一方面，可以节省大量能源消耗，缓解油田用电紧张状况;另一方面，还可以提高油田生产效率，实现最大产出比，这也是适应节约持续型经济发展的必然趋势。就目前来看，游梁式抽油机仍处于无法取代的地位。由于其基本的换向结构决定它的运动特性，悬点载荷特性与其驱动的普通三相异步电动机工作特性不匹配，电动机多处于轻载状态，运行效率和功率因数偏低。抽油机工作时，曲柄的角度时刻变化，当相位角大于90°时，有功电流为负，负转矩导致电动机运行于再生发电状态，电能回馈电网造成电力系统附加能量损失。游梁抽油机在换向过程中悬点加速度比较大，导致抽油杆弹性变形剧烈，冲程损失较大，活塞的实际行程变小，导致抽油泵的充满系数降低，效率偏低;结构上的不合理性，使得常规游梁式抽油机无法解决“大马拉小车”、能耗高的缺点;游梁式抽油机效率提高和节能空间有限，加大冲程将导致减速箱扭矩和油机总质量成倍增加等缺点没有得到根本解决。虽然无游梁式式抽油机在生产效率和能耗上有了很大的改进，但也存在可靠性不高、结构复杂、易损件多、维修不方便等问题。三、抽油机技术发展展望1．加大资金投入，吸收和利用世界先进设计制造技术，争取国家项目扶持近年来，我国油田体制改革和油田经营状况的改变，抽油机的主要制造企业已经从江汉石油机械厂、兰州石油机械厂等大型企业向大庆、胜利、华北、辽河等石油管理局转移［11］，很多新兴机械厂也参与其中。由于常规抽油机结构简单，大多均以焊接结构件组成，设计制造技术成熟，利润空间非常有限，市场竞争激烈。为了拓展抽油机销售市场，保持在行业内的竞争力，应当加大资金投入和研发力度，不断吸收掌握世界先进抽油机设计制造技术，运用信息化管理技术，三维仿真、运动学、有限元分析手段，采用先进制造技术(AMT)，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，一些新型抽油机不断投产试验，并取得了不错的成绩。例如:2009年大庆油田研制的天平式游梁抽油机正式投入使用，该机型与普通游梁式抽油机相比可节电35%～70%，节省近50%的钢材，运行无噪音，耗材少，无减速器，减少了漏油的可能，属环保设备。中国是目前世界第二大原油进口国，较高的进口依存度也在一定程度上影响着我国石油装备制造企业的发展定位，国内一些油田正处在产量维稳期，部分开采已近中后期，产量正逐年递减，在资金投入主要偏向于采油工艺和二次、三次采油上面，对抽油机研发的重视不够突出，未来企业要充分发挥市场效应，加大资金研发力度，争取国家项目支持，促进石油机械装备平衡发展，实现产研用的良性循环。2．研究开发适应不同特性油层的抽油机设计开发的抽油机应该适应该油井和该地区的自然环境和生产条件，诸如气候温度条件、地理条件、生产维护条件、设备防护和润滑条件;根据该地区的地层特点和油层特性，考虑流体物性条件和物理成分对悬点载荷的影响优化抽油机的结构尺寸和安装条件。针对某些特殊地域或油田，可以设计专用型抽油机以更好的适应环境。如戈壁沙漠地区，可以适当加强抽油机防风沙，防尘能力，考虑日照强、昼夜温差大和高温对材料热膨胀的影响，适当修改抽油机制造安装工艺，以更好的应对构件之间内应力和井口摩擦等问题。3．加大长冲程无游梁式抽油机开发力度，在降低能耗上下功夫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，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。据报道，2009年一种名