新型抽油設(shè)備研發(fā)與推廣應(yīng)用的啟示

王濟(jì)新

中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)處 （新疆 克拉瑪依 834000）

目前國內(nèi)大多數(shù)油田采用機(jī)械方式開采原油。雖然國內(nèi)近年來一些新的舉升工藝和設(shè)備的研發(fā)（例如螺桿泵和往復(fù)電潛泵等）取得了長足進(jìn)展，但有桿泵機(jī)械采油井仍然占到總采油井?dāng)?shù)的80%以上，各種類型的抽油機(jī)仍然是油田上機(jī)械采油的主要設(shè)備。20多年來，在抽油機(jī)的研發(fā)和推廣方面，各種新型節(jié)能抽油機(jī)層出不窮，除了在常規(guī)抽油機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改良或提升智能化水平的游梁式節(jié)能抽油機(jī)外，立式抽油機(jī)的研發(fā)與推廣成為十分熱門的話題。但是從目前的情況看，真正在油田上得到大規(guī)模推廣的新型抽油機(jī)種類并不多。國內(nèi)節(jié)能型抽油設(shè)備的發(fā)展歷程實(shí)際上是走過了許多彎路，并造成了大量的資金和人力物力的浪費(fèi)。在抽油設(shè)備研發(fā)與推廣中，有5個(gè)方面的問題值得生產(chǎn)廠家和油田用戶考慮。

1 抽油設(shè)備設(shè)計(jì)與選型

對(duì)于所研發(fā)抽油設(shè)備的使用環(huán)境和運(yùn)行工況進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)研，是一種新設(shè)備設(shè)計(jì)初期都必須要做的事情。但在實(shí)踐中，確實(shí)存在許多由于在研發(fā)初期沒有認(rèn)真做好調(diào)研而產(chǎn)生問題的實(shí)例。例如在稠油生產(chǎn)井上使用的游梁式抽油機(jī)，由于沒有充分考慮蒸汽吞吐開采稠油井的載荷特點(diǎn)，或出于降低設(shè)備制造成本的考慮，設(shè)備動(dòng)力和減速箱的配置偏低，出現(xiàn)過抽油機(jī)減速箱齒輪打齒成批損壞的情況。有的因設(shè)計(jì)的強(qiáng)度不夠或加工制造工藝有問題而出現(xiàn)驢頭與支架等部位開裂、游梁斷裂等問題。還出現(xiàn)過抽油機(jī)的平衡重量配置不夠，使抽油機(jī)長期處于過度的欠平衡運(yùn)行狀態(tài)的情況。這些問題雖然在后期都得到了解決，但也浪費(fèi)了大量的資金和人力，嚴(yán)重影響了原油生產(chǎn)。因此，在新型抽油設(shè)備設(shè)計(jì)（用戶在設(shè)備選型）的前期，要認(rèn)真收集生產(chǎn)區(qū)塊抽油機(jī)的實(shí)際載荷等現(xiàn)場資料，有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型。

這一問題的另外一個(gè)方面，是油田用戶和生產(chǎn)廠家都要關(guān)注設(shè)備的選型和運(yùn)行問題。油田現(xiàn)場的人員要熟悉各種新型抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能，正確選擇和使用抽油機(jī)，避免因選型和使用不當(dāng)造成的損壞。生產(chǎn)廠家要認(rèn)真關(guān)注抽油設(shè)備在現(xiàn)場的選用和運(yùn)行使用情況，收集相關(guān)資料，了解油田現(xiàn)場的使用條件是否超出了設(shè)備的能力（例如電機(jī)功率、減速箱扭矩和平衡重量的配置），避免因使用不當(dāng)而造成不應(yīng)有的設(shè)備損壞現(xiàn)象。

在蒸汽吞吐稠油井的設(shè)備選型中，認(rèn)真處理好抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷、減速箱額定扭矩和電機(jī)功率3者之間的關(guān)系，以避免出現(xiàn)因設(shè)備能力配置不足造成設(shè)備損壞而影響油田生產(chǎn)的情況。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]對(duì)抽油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出具體做法和要求，標(biāo)準(zhǔn)[2-3]規(guī)定了抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求，但這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)特別是稠油井電動(dòng)機(jī)的選擇都沒有具體的要求，建議加強(qiáng)這方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

2 抽油設(shè)備性能試驗(yàn)

2.1 抽油機(jī)的載荷試驗(yàn)

按照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]的規(guī)定，新的抽油機(jī)在出廠前需要做載荷試驗(yàn)。對(duì)于新的抽油設(shè)備樣機(jī)，廠家一般也參照這種做法進(jìn)行臺(tái)架運(yùn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。但這種做法的主要問題是，在廠內(nèi)對(duì)抽油機(jī)所進(jìn)行的懸重運(yùn)行試驗(yàn)與油田現(xiàn)場油井實(shí)際的工況有很大差距。除了工作場合的自然環(huán)境有差距外，主要是廠內(nèi)懸重試驗(yàn)的載荷特點(diǎn)與抽油機(jī)井的實(shí)際工況有很大的差距，這種一般性的廠內(nèi)試驗(yàn)無法代替在油田現(xiàn)場的運(yùn)行試驗(yàn)，不能真正檢驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際能力。

2.2 抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的基本特點(diǎn)

抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷有3個(gè)基本的特點(diǎn)。一是上下沖程的載荷存在一定的差值。在稀油井上如果忽略摩擦載荷時(shí)，這個(gè)載荷差基本上等于深井抽油泵截面上的液柱載荷。在稠油井上，由于采出液的黏滯阻力很大，這種載荷差可能會(huì)達(dá)到很高的程度，這是抽油機(jī)載荷最大的和最基本的一個(gè)特點(diǎn)。二是懸點(diǎn)載荷有加載和減載的過程。由于抽油桿和油管在運(yùn)行中發(fā)生彈性變形，在示功圖上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的加載和減載的過程，泵掛越深，這一過程所占的時(shí)間就越長。三是存在一定的慣性載荷。由于運(yùn)動(dòng)中慣性力的影響，在上下沖程中都存在一定的慣性載荷，抽油機(jī)的沖次越高，慣性載荷就越大。

圖1是一幅考慮了慣性載荷及管桿彈性變形的抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷理論示功圖。圖中的橫坐標(biāo)是懸點(diǎn)位移，縱坐標(biāo)是懸點(diǎn)載荷。虛線ABCD是沒有考慮慣性載荷的靜力示功圖，圖上有顯著的載荷差（BC和AD之間的垂直距離）和加載與減載的過程（AB線和 CD 線），實(shí)線 A＇B＇C＇D＇是受到慣性載荷影響而產(chǎn)生一定角度扭轉(zhuǎn)的理論示功圖，上下沖程的載荷線有較大的波動(dòng)。該理論示功圖反映了抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的3個(gè)基本特點(diǎn)。

2.3 解決載荷試驗(yàn)存在問題的途徑

生產(chǎn)廠家用金屬重塊進(jìn)行的載荷試驗(yàn)則基本上不具備抽油機(jī)載荷的3個(gè)特點(diǎn)。同時(shí)，在廠內(nèi)試驗(yàn)時(shí)可以將載荷的平衡度調(diào)整的很好，特別是采用對(duì)稱平衡方式的立式抽油機(jī)更是如此，此時(shí)電機(jī)只需做少量的功就可以維持運(yùn)轉(zhuǎn)，這對(duì)于抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率、減速箱扭矩的需求以及對(duì)設(shè)備各個(gè)系統(tǒng)的考驗(yàn)程度遠(yuǎn)不及油田現(xiàn)場。

圖1 抽油井的理論示功圖

如果沒有能夠較好地模擬抽油機(jī)井載荷的裝置，在抽油機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)制造質(zhì)量通過廠內(nèi)試驗(yàn)的初步驗(yàn)證后，生產(chǎn)廠家應(yīng)該盡快將樣機(jī)投入油田現(xiàn)場進(jìn)行載荷試驗(yàn)。在廠內(nèi)進(jìn)行半年甚至1年以上的運(yùn)行試驗(yàn)實(shí)際上是不必要的。為減少試驗(yàn)期間對(duì)油田原油生產(chǎn)的影響，可以與用戶協(xié)商，選擇報(bào)廢再利用的低產(chǎn)油井進(jìn)行抽油機(jī)性能的驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 抽油設(shè)備可靠性

3.1 抽油設(shè)備使用的自然環(huán)境

使用環(huán)境是任何設(shè)備研發(fā)者都要首先考慮的問題。目前，國內(nèi)外大多數(shù)油田都位于自然環(huán)境和氣候較差甚至十分惡劣的地方，機(jī)械采油設(shè)備作為一種長時(shí)間運(yùn)行的戶外設(shè)備，其使用的外部環(huán)境可以概括成幾句話：“設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，野外無人值守，承受風(fēng)沙雨雪，歷經(jīng)嚴(yán)冬酷暑”。

在節(jié)能抽油機(jī)的研發(fā)推廣過程中，有的廠家由于對(duì)這種設(shè)備使用環(huán)境的嚴(yán)酷性認(rèn)識(shí)不夠，設(shè)備的性能指標(biāo)（桿件強(qiáng)度、控制部分耐溫性）偏低，造成設(shè)備研發(fā)的失敗。

3.2 用戶對(duì)設(shè)備可靠性的要求

使用采油設(shè)備的生產(chǎn)單位對(duì)設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行能力（即可靠性）要求較高，主要原因是“原油產(chǎn)量按計(jì)劃生產(chǎn)，操作成本嚴(yán)格控制”。自然環(huán)境和用戶的要求這2方面的因素就決定了用于現(xiàn)場的采油設(shè)備必須滿足以下要求：“高度可靠、操作方便、安全性好、適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)低、節(jié)能降耗”。

在這里，“高度可靠”是對(duì)抽油設(shè)備最重要的要求。在節(jié)能抽油機(jī)的研發(fā)推廣中，一些機(jī)型投入使用后不久就退出了油田，出現(xiàn)“曇花一現(xiàn)”的現(xiàn)象，其主要原因就是故障率偏高，可靠性差，運(yùn)行時(shí)率低，不能滿足油田現(xiàn)場對(duì)抽油設(shè)備可靠性的要求。

3.3 節(jié)能與可靠性的關(guān)系

在新型抽油機(jī)的推廣過程中，“節(jié)能效果好”一直是一個(gè)亮點(diǎn)，也是生產(chǎn)廠家經(jīng)常拿來宣傳其產(chǎn)品的主要“噱頭”。但經(jīng)過多年的現(xiàn)場實(shí)踐，人們已經(jīng)普遍認(rèn)識(shí)到“可靠性”才是對(duì)抽油設(shè)備最重要的要求，沒有高度的可靠性節(jié)能就無從談起。這是由于生產(chǎn)原油的價(jià)值遠(yuǎn)高于節(jié)約的電費(fèi)。用實(shí)例來說明該問題。使用節(jié)能設(shè)備節(jié)約電量折合費(fèi)用為

式中：A為節(jié)約電費(fèi)折價(jià)，元；Mdy為噸液耗電，kW·h/t；δ為有功節(jié)電率，%；DP為電費(fèi)價(jià)格，元/kW·h。

由于故障影響產(chǎn)油量的折價(jià)為

式中：B為影響產(chǎn)量折價(jià),元；Q為日產(chǎn)液量，t/d；Ψ 為原油含水率，%；OP為原油價(jià)格，元/t。

某油田的噸液耗電為20kW·h/t，油井產(chǎn)液量4t/d，含水75%，使用節(jié)能設(shè)備的有功節(jié)電率為50%（一般達(dá)不到這樣的效果），電費(fèi)為0.7元/kW·h，原油價(jià)格為3 000元/t，用公式（1）計(jì)算出每天節(jié)約電量折價(jià)為28.0元，若因故障停機(jī)1天，按（2）計(jì)算的原油價(jià)值為3 000元，2者相比，需要約107天的節(jié)電效果才能彌補(bǔ)這一損失。由此可見，如果故障率偏高，則抽油機(jī)節(jié)電所產(chǎn)生的效益會(huì)遠(yuǎn)低于損失產(chǎn)量的價(jià)值。因此，設(shè)備制造廠家應(yīng)將抽油設(shè)備的可靠性放在第一位，真正下大力氣努力提高抽油設(shè)備的可靠性，這是節(jié)能抽油設(shè)備能夠持續(xù)發(fā)展的根本所在。

4 抽油設(shè)備的輔助功能

4.1 輔助功能的內(nèi)容

抽油機(jī)作為油田上一種最常見的采油設(shè)備，其主要功能是通過懸點(diǎn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)舉升抽油桿柱，帶動(dòng)抽油泵完成抽油生產(chǎn)過程。與此同時(shí)，為了滿足正常的生產(chǎn)管理、安全運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)等方面的需要，抽油機(jī)還需要具備便于實(shí)施各種操作的輔助性功能。這些操作包括懸點(diǎn)對(duì)中、懸點(diǎn)載荷的卸載與掛載、給修井設(shè)備作業(yè)讓位、平衡調(diào)節(jié)、參數(shù)調(diào)整以及配合油井測試，等等。新的抽油設(shè)備要在設(shè)備運(yùn)行高度可靠的基礎(chǔ)上，同時(shí)具備完善的各項(xiàng)輔助功能，才能成為生命力強(qiáng)大、深受用戶歡迎的設(shè)備。常規(guī)游梁式抽油機(jī)經(jīng)過百余年的發(fā)展，各種輔助功能比較健全，油田現(xiàn)場也非常熟悉這些輔助功能的使用，這也是游梁式抽油機(jī)能夠長盛不衰的一個(gè)重要原因。

4.2 輔助功能不足所產(chǎn)生的問題

新型抽油設(shè)備在研發(fā)過程中，發(fā)生過某些輔助功能不夠健全的問題，這在立式抽油機(jī)上表現(xiàn)的比較突出。立式抽油機(jī)由于其特殊的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制的機(jī)理，沖程、沖次等參數(shù)的調(diào)節(jié)和平衡調(diào)整比較方便，受到油田現(xiàn)場的普遍歡迎。但某些機(jī)型在作業(yè)讓位、依靠自身動(dòng)力實(shí)施卸載與掛載以及配合測試等方面費(fèi)時(shí)費(fèi)力，操作比較困難。這些問題增加了設(shè)備使用的難度，嚴(yán)重影響了油田現(xiàn)場使用這種抽油機(jī)的積極性，成為妨礙新機(jī)型試驗(yàn)和推廣的一個(gè)重要原因。因此，抽油設(shè)備生產(chǎn)廠家應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)新型抽油機(jī)各種輔助功能的研究，并在油田現(xiàn)場的反復(fù)試驗(yàn)中不斷完善這些功能。在相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]中應(yīng)逐步完善這方面的要求。

5 抽油新設(shè)備的售后技術(shù)服務(wù)

生產(chǎn)廠家良好的售后服務(wù)是新設(shè)備試用和推廣過程中的必備條件。因?yàn)槭切略O(shè)備，用戶了解不夠，在使用和維護(hù)方面有一定困難，廠家必須提供好的技術(shù)服務(wù)，在這一點(diǎn)上廠家和用戶都已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)。近年來，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，在抽油設(shè)備的控制系統(tǒng)中采用了較多的自動(dòng)化技術(shù)，使設(shè)備的操作和使用更加方便，但這些方面正是油田現(xiàn)場維護(hù)的難點(diǎn)，廠家必須提供較好的服務(wù)才能保證設(shè)備的試驗(yàn)和正常使用。

實(shí)現(xiàn)技術(shù)服務(wù)的本地化是新設(shè)備成功推廣的一個(gè)重要因素。例如近年來發(fā)展較快的立式抽油機(jī)具有參數(shù)調(diào)整十分簡便的特點(diǎn)，但這種簡便是由于采用了變頻及智能控制等比較先進(jìn)的技術(shù)，其控制系統(tǒng)與常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比要復(fù)雜許多，維護(hù)的難度較大，一般需要廠家的專業(yè)人員負(fù)責(zé)維護(hù)。在油田現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，一些新型立式抽油機(jī)試驗(yàn)時(shí)的運(yùn)行時(shí)率遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行的游梁式抽油機(jī)，對(duì)油井生產(chǎn)造成不良影響，因而成為阻礙新設(shè)備推廣的主要因素之一。如果能通過提高控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)水平，并在售后服務(wù)方面建立完善的質(zhì)量管理體系，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場維護(hù)人員的培訓(xùn)或通過代理方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)工作的本地化，無疑能夠推動(dòng)新設(shè)備的大面積推廣。

6 結(jié)論

1）抽油設(shè)備的研發(fā)和油田現(xiàn)場的選型要充分考慮到油井的實(shí)際工況，這樣可以有效避免不必要的浪費(fèi)，使新設(shè)備更好地發(fā)揮作用。

2）抽油井的載荷有3個(gè)基本的特點(diǎn)，在廠內(nèi)的載荷試驗(yàn)一般無法滿足這些特點(diǎn)。設(shè)備的工況試驗(yàn)要盡量接近油井的實(shí)際情況。

3）可靠性是油田現(xiàn)場對(duì)抽油設(shè)備最基本和最重要的要求，也應(yīng)該是設(shè)備生產(chǎn)廠家的追求。只有在可靠運(yùn)行的前提下才有可能實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

4）抽油設(shè)備完善的輔助功能也非常重要，是設(shè)備能夠讓用戶接受和大面積推廣的重要前提之一。

5）售后服務(wù)是新設(shè)備能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，實(shí)現(xiàn)售后服務(wù)的本地化是新設(shè)備推廣應(yīng)用的一條有效途徑。生產(chǎn)廠商要建立完善的抽油設(shè)備質(zhì)量管理體系。

6）抽油設(shè)備的研發(fā)和推廣應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜細(xì)致的系統(tǒng)工程，需要生產(chǎn)廠家和用戶之間的密切配合。與此同時(shí)，建立質(zhì)量管理體系和不斷完善抽油機(jī)選型使用方面的技術(shù)規(guī)范是非常必要的。

[1]SY/T 5873-2005有桿泵抽油系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工作法[S].

[2]SY/T 5226-2005 CJT系列抽油機(jī)節(jié)能拖動(dòng)裝置[S].

[3]SY/T 6636-2005游梁式抽油機(jī)用電動(dòng)機(jī)規(guī)范[S].

[4]SY/T 5044-2003游梁式抽油機(jī)[S].

[5]SY/T 6729-2008無游梁式抽油機(jī)[S].