实现抽油机低冲次运转的过渡轮

冯萌萌 赵奇峰 于振强 夏洪刚 宋嘉羿

（1.大港油田第二采油厂；2.辽河油田欢喜岭采油厂）

在油田生产现场，常见的游梁式抽油机运转时，曲柄运转带动游梁、驴头做上下往复运动，从而带动抽油杆、抽油泵不断抽吸原油，经泵和杆将原油带出地面的过程[1]。目前在油田生产中最为常见的采油装置就是有杆泵采油装置[2]，其特点是机械结构合理、维护操作便捷、使用寿命长、适用范围广、投入产出比高，在所有有杆泵采油方式中占比达90%以上。但抽油机井生产过程中，因油井供排关系不匹配，示功图会显示供液不足，工作制度不合理，即浪费了电能，又减少了设备的寿命，导致系统效率低、吨油举升能耗高、加快杆管磨损、检泵周期短等诸多问题；若工作制度偏小，沉没度高，液量低，则不能实现油井生产效益最大化[3]。

1 存在问题

随着油田的不断开发，部分油井出现了供液不足、间歇出油的低效井现象，其采用的工作制度：冲程为6 m；冲次为3～3.5次/min。这类油井如果采取全天24 h运转的开采方式，一方面会造成抽油机运转效率低、电量消耗大，同时也会使井下抽油泵空抽磨损增大，泵内间隙增加，降低抽油泵的泵效和使用寿命。在冬季生产时由于室外气温较低，单井集输管道还会因为长时间缺少流体经过，或流体流量少、流动性能差造成系统回压高的问题，严重时出现冻堵现象，如果不及时处理，就会影响生产时率，导致原油产量下降。目前油田大部分单位在进行集输管道解堵作业时没有专用设备，通常采用高压热洗车高压泵解堵或电解车高压电加热解堵[4]，消耗大量的人力物力。

为解决上述问题，生产现场将抽油机的普通控制柜更换为专用的变频控制柜（以下简称变频柜），利用变频调速技术，通过传感器技术实现模糊控制，使机械采油的效率在运行过程中始终保持在最佳状态，有效杜绝了设备的空耗，从而实现了节能的目的[5]，减少设备直接启动时产生的大电流对电动机的损害。更换变频柜后，能够将抽油机的冲次最小值控制在1.1～1.2次/min。但是由于其单价高，采购周期长等条件限制，变频柜的使用数量仅占所有抽油机井的50%左右。

不能使用变频柜的油井采取下调工作制度的方式增加泵的充满程度进而提升泵效。当井筒供液不足，会导致抽油泵充不满，引起泵效降低[6]。现场往往采取两种模式，第一种模式是实施间开制度，通过观察抽油泵液面的恢复情况不断摸索确定合适的开井周期，其缺点是冬季生产需要停井扫线，使单井管道内无液体停留，防止冻堵[7]。第二种调节冲次，是通过更换不同直径的电动机皮带轮来实现[8]。游梁式抽油机冲次是抽油机每分钟运转的次数，冲次的调节实际是通过更换抽油机电动机皮带轮，改变皮带轮直径大小，从而改变皮带的线速度，来实现抽油机每分钟运转的次数改变[9]。现场采用圆锥形轴伸的电动机约占65%，以YCH280-8型电动机为例，其外径为73.22 mm，其他绝大多数电动机一样采用圆柱形轴伸，其外径为79 mm。在轴伸上安装皮带轮后，为保证安全运转，皮带轮需要有一定的厚度，现场可以做到最小的皮带轮为145 mm，工作制度最小可以控制到2.1次/min，供液不足油井实测示功图见图1，从图中可见油井供液不足更为严重，示功图刀柄特征非常明显[10]。

图1 供液不足油井实测示功图Fig.1 Dynamics diagram of oil well real measures with insufficient liquid supply

2 解决方案

为解决上述问题，文中以实现抽油机低冲次运转为目的，设计制作了抽油机过渡轮，能够将冲次降低到1.2次/min，实现了提高泵的充满程度和延长抽油泵检泵周期。

2.1 结构设计

该装置由支撑箱、轴承孔、环形板、转动轴、定位轴肩、第一皮带轮、第二皮带轮、第一轴承、连接法兰等组成，抽油机过渡轮结构见图2。

图2 抽油机过渡轮结构Fig.2 Structural of transition wheel of pumping unit

抽油机过渡轮的支撑箱固定，转动轴插设在支撑箱上，转动轴伸出支撑箱的两端与第一皮带轮及第二皮带轮固定。第一皮带轮与电动机的输出轴通过皮带连接，第二皮带轮与减速箱的输入轴通过皮带连接。电动机输出轴的运动传递至第一皮带轮、第二皮带轮与减速箱。在支撑箱内有转动轴，轴上的第一轴承与支撑箱密封配合，支撑箱上有注油孔，可以从注油孔向支撑箱内注入润滑第一轴承的润滑油，润滑效果越好，使用时间越长。

2.2 工作原理

过渡轮采用轴传动的运转方式，在箱体两侧安装了两个皮带轮。使用时，电动机皮带轮通过皮带连接，将动力传递给过渡轮第一皮带轮，第一皮带轮利用轴连接的方式带动第二皮带轮同轴运转，通过皮带连接，再将动力传递给抽油机减速箱皮带轮，带动减速箱运转实现抽油机的上下往复运动。由于第二皮带轮的直径是按照所需工作制度计算得来，较第一皮带轮直径大，因此改变了抽油机减速箱的转动速度，最后改变抽油杆往复运动的时间，改变了冲次。

支撑箱内采用飞溅式润滑，当轴旋转时，沉浸在润滑油中轴体带动润滑油到箱体上部，甩到滚动轴承表面上起到润滑作用。抽油机过渡轮使用状态见图3。

图3 抽油机过渡轮使用状态示意图Fig.3 Schematic diagram of using state of transition wheel of pumping unit

2.3 辅助设计

支撑箱的顶部具有注油孔，转动轴可转动地插设在支撑箱上，转动轴的两端均伸出支撑箱，两个第一轴承套设在转动轴上，支撑箱上具有两个轴承孔，第一轴承安装于相应的轴承孔，第一皮带轮与第二皮带轮分别固定在转动轴伸出支撑箱的两端，第一皮带轮的直径与第二皮带轮的直径不相等。将抽油机过渡轮放在抽油机的电动机与减速箱之间，抽油机过渡轮的支撑箱连接在一固定位置，转动轴转动插设在支撑箱上，转动轴伸出支撑箱的两端分别与第一皮带轮及第二皮带轮同轴固定。

第一皮带轮与电动机的输出轴通过联组皮带连接，第二皮带轮与减速箱的输入轴也通过联组皮带连接，且皮带都处于紧绷状态。电动机的输出轴转动并通过摩擦力的作用带动皮带运动，皮带通过摩擦力带动第一皮带轮转动，第一皮带轮带动转动轴转动进而带动转动轴另一端的第二皮带轮转动，第二皮带轮则通过皮带带动减速机运动。由于第一皮带轮与第二皮带轮的直径不等，第一皮带轮与第二皮带轮的插入改变了减速箱的转动速度，最后改变了曲柄连杆机构带动驴头及抽油杆做往复运动的时间，完成了冲次的改变，与抽油机过渡轮的成本相比使用变频电动机所需的成本会小很多。

支撑箱的顶部具有注油孔，支撑箱的两个侧板上具有两个轴承孔，两个第一轴承外圈与两个轴承孔的内壁密封连接，可以从注油孔向支撑箱内注入润滑第一轴承的油液，第一轴承的润滑效果较好，使用时间长，也可以减小抽油机过渡轮因第一轴承损坏而需要维修的次数，减小维修成本。

2.4 安装方法

抽油机过渡轮采用焊接的方式固定在抽油机底座上，在安装时，需要注意将过渡轮的小皮带轮与抽油机减速箱皮带轮四点一线调整合格，抽油机井皮带松紧度调整不当，易造成皮带打滑甚至断裂现象的发生，对产量、能耗具有一定的影响，特别是雨雪天气对产量、能耗的影响更大。在调整时，要使用皮带轮的外端面来找齐内端面，找正后彻底固定，防止出现偏移造成皮带磨损，降低使用寿命。

2.5 抽油机皮带轮直径的计算方法

式中：D1为抽油机皮带轮直径，mm；D2为减速箱皮带轮直径，mm；n2为抽油机冲次，次/min；Z为减速箱的减速比；n1为电动机额定转数，r/min。

从公式（1）可以看出，在其他条件不变的前提下，抽油机井的冲次与电动机转速成正比。随着技术的进步，可以不更换皮带轮，而是应用变频控制箱、开关磁阻电动机、双速电动机等，通过调整电源频率、调整电动机转速来实现调整抽油机井冲次的目的，以及通过提高电动机的负荷率、功率因数等来达到节能的目的。

3 应用效果

3.1 应用情况

2019—2022年，抽油机过渡轮在歧A-1、歧A-2等27口油井安装使用，能够达到设计目的，合理下调冲次，可增加泵效，提高沉没度，节电以及提高系统效率，有效增加抽油泵充满程度，平均提升泵效2.5%，在实施过程中，节省了制作电动机轮的材料费用和设备的修理费用，应用效果良好。部分抽油机过渡轮现场应用情况调查见表1。

表1 部分抽油机过渡轮现场应用情况调查Tab.1 Situation survey of field application of transition wheel of part of the pumping unit

3.2 经济效益和社会效益

抽油机过渡轮现场推广应用三年以来，累计增油达到575 t，增加收入132.5万元，减少解堵用特种车辆17井次，减少车组、油料、人工费用支出11.36万元，该装置制作成本为15.41万元，累计创效128.45万元。

该装置的设计与推广应用，为机械采油设备新增了一种配套传动装置，避免了冬季生产解堵的次数进而实现安全生产。在提高油气产量的同时，大幅提高了员工立足岗位，创新创效的决心和解决难题的信心。

4 结论与认识

通过对抽油机过渡轮在实践应用中不断探索研究，得出以下两点认识：

1）抽油机过渡轮能提高供液不足导致泵效较低的油井提高泵效。

2）抽油机过渡轮能够降低电动机能耗支出，实现节能降耗。

该装置经过实践检验，发现在更换皮带操作方面仍然存在不足，需要两人配合更换，在以后的生产过程中应完善设计解决此项问题。