抽油机机械变速装置在斜直井上的节能应用

丁嘉琦（大庆油田有限责任公司第一采油厂）

1 现状

目前，在大庆油田开发后期，随着地下原油的不断开采，地层液体供应能力不断降低，采油的压力差减小，导致抽油机的泵效降低。为了提高效率，减少磨损，就需要调整抽油机的冲程和冲速等参数，以解决油井生产中供给和排放失调的矛盾，进一步提高抽油机的系统效率，达到采油过程节能的要求[1]。抽油机的冲程由于机器型号的限制，调整幅度很小，故降低冲速的方法更为普遍。目前，大庆油田采用的主要方法如下：调整抽油机的传动轮和电动机轮的尺寸，由于合适的抽油机型号较少，且更换时间长，劳动强度大，难以满足冲速要求；采用电磁调速驱动电动机，但该电动机采购费用和日常维护支出都过高，同时能耗较大，无法满足经济运行的目的；使用变频器，该设备可以有效，但成本同样很高，而且维护管理较困难，不能达到预期的效果。因此，急需研究一套抽油机节能装置解决该问题。

2 机械变速装置的原理和结构

该设计主要是通过在抽油机的变速箱和电动机间装设一个减速节能的装置来降低功率。这套装置主要是由轴承支座和多个直径不同的转轮构成，分为弹性输入装置、换挡装置和单向输出装置。通过增加传动比，降低了电动机功率，并且满足了抽油机的悬挂点负荷要求。

如图1 所示，该装置采用四轴单中心距离结构，四轴为动力输入轴，主中间轴，副中间轴和动力输出轴。动力输入轴，主中间轴和动力输出轴三者依次连接。弹性输入装置安装在动力输入轴上，使主中间轴和动力输出轴进行单方向的传动来保证动力输出。主中间轴、输入动力轴和辅助中间轴通过滑动齿套，固定齿座进行换档。路径由电动机通过皮带传递给弹性输入装置，然后通过换挡装置获得所需的速度，通过单向输出装置获取固定方向上的动力输出可以很好解决抽油机设备输出的功率与在用负荷不成比例的问题，大幅度降低了电动机功率。同时，该装置可以通过低功率电动机来满足抽油机的低功率运行的需求。该装置具有“两降、两稳、一优化”的优点，“两降”：降低了耗电量、降低成本；“两稳”：启动平稳、运行平稳；“一优化”：优化油井的综合运行参数，提高泵效率，降低管筒磨损，最终满足油井生产的“最大效益”要求[2]。

图1 抽油机机械变速装置

3 抽油机机械变速装置的优点

1）可以有效降低抽油机原电动机的功率，进而大大节约电量。以往，抽油机启机时，辅助电动机都要比抽油机正常运转所需的功率大很多，因此，在电动机使用期间的实际的输出功率要远超过抽油机的实际的输出功率出现载荷过低的现象[3]。该装置可以通过皮带轮的内置摩擦离合器或利用弹性动力输入机构较好地减轻由电动机的瞬间转矩和电流引起的设备损坏。它不但可以降低由抽油机的交变负载引起的驱动电动机电流的波动，而且还可以选择功率较小的电动机，降低电动机的采购成本，使电动机的机械特性和电动机特性相匹配，让电动机始终在高效率区域工作，很好的提高了电动机的效率。

2）采用机械换档装置，可以使抽油机的冲速调节简单快捷，大大节约了抽油机的调节时间，提高了效率[4]。而且可以根据每口井的产量不同，随时调整冲程次数，从而精确匹配抽油次数和油井抽油量。防止抽油机做无用功，使得整个系统始终高效运行，最终实现节能。该装置的使用改变了抽油机工作的传统模式，并且在1 min内完成3 h甚至更长时间的原始调节时间。所以其方便快捷，更换容易可以大大提高采油效率[5]。

3）选取单向动力输出机构，可以很好的消除抽油机正常运转时对电网逆向发电造成的能量损失。在抽油机下降期间，从最高点到最低点的过程是加速过程，其非常快并且甚至超过电动机的速度。当在超过电动机速度时发生反向发电时，通过单向动力输出机构设定装置，使得电动机不克服抽油机的下行动能。消除了驱动电动机输出无用功的状态，大大降低了驱动电动机的工作能量输出。既解决了反发电问题又节约用电[6]。

4 应用效果分析

4.1 调整冲速后电流变压

该装置在第一采油厂某矿应用100 口井，通过对6口井跟踪观察，测试调整冲速后电流变化情况见表1。

表1 测试调整冲速后电流变化情况对比

所有井电压均为1 100 V，按油田内部关联交易电价0.57 元/kWh，则平均每口井每年节电89.38 万元。如果按100 口井计算，则每年可节约89 380万元。

4.2 增油效果

目前，很多油井都已经进入了采油量的尾声期，由于压力低，液体供给不足，导致泵在工作过程中被液体充满的程度较差，工作效率过低。应用该装置可以在油井生产末期大大减少冲速的时间，增加泵的满负荷运行系数，提高输出功率。简单计算，单口井可以在每个热采循环中增加30 t 石油，100口井则增油3 000 t左右。

5 结论

抽油机机械变速装置的应用，对降低抽油机的能量损耗，特别是在解决低冲速稠油井、供液量不足的低产井能耗高的问题中有着重大意义。该装置目前处于试验阶段，主要用于1 100 V 倾斜垂直井，从应用的6口井情况看，节能效果良好，每口井每年节约89.38 万元，按100 口井计算，每年节约89 380万元，在提高采油产量方面发挥了较大的作用。