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1、1 绪论 1.1 国内外采油工业的现状目前，采油方法有自喷采油法和机械采油法两种1。自喷采油法的特点是利用地层本身的能量来举升原油。随着油田的不断开发，地层能量逐渐消耗，即使在注水开发的油田，它的中、后期也出现了水淹和强水淹的现象。为保证原油稳产、高产，这些油井就不能继续用自喷法开采。同时，由于油层的地质特点，有些油井一开始就不能自喷。对于上述这些不能自喷的油井，就必须用机械采油法进行开采。机械采油法是由于地层本身的能量不足，而人为地利用机械设备给井内液体补充能量的开采方法，也称为人工举升法，可分为气举法和抽油法两种。气举法的特点是利用压缩气体的能量，把原油提升到地面；而抽油法的特点是将各种结
2、构的泵放到井下进行抽油，所以，抽油法又叫泵法。从油田的发展趋势来看，采用机械采油法，特别是抽油法的井数和产量都在增长，在一些老油田几乎全用抽油法采油。常用的机械采油法可用表 1-1 表示如下：表表 1-1 机械采油法机械采油法Table 1-1 Mechanical extraction method一百多年来，随着采油设备技术研究的深入，设计和制造水平的提高，抽油机在最初的雏形上得到了长足的发展，其技术发明有数百种。从采油方式上可分为两种2：有杆抽油设备和无杆抽油设备，其中凡是不利用抽油杆柱传递能量的抽油设备统称无杆抽油设备，凡是利用抽油杆柱上下往复运动进行驱动抽油杆柱往复运动驱动柱塞式抽油
3、泵利用抽油杆柱传递能量抽油杆柱旋转运动驱动螺杆泵水力活塞泵 射流泵利用液体传递能量 涡轮泵电动潜油离心泵泵法抽油泵法抽油利用电缆传递能量电动潜油螺杆泵气举法抽油气举法抽油（包括柱塞气举）其他方法其他方法的抽油设备统称有杆抽油设备。有杆抽油设备又可分为抽油杆往复运动类（如国内外大量使用的游梁式和无游梁式抽油机）和旋转运动类（如电动潜油螺杆泵） ；无杆抽油设备也可分为电动潜油离心泵、液压驱动类（水力活塞泵）和气举采油设备。在机械采油法中，有杆抽油的方法是应用最早，也最为广泛的采油方法。早在石油工业问世时，就开始采用这一方法进行采油。据统计3，在各种机械采油法中，有杆抽油仍居首位。以 1989 年底
4、的统计为例，有杆抽油方法在机械采油法中所占的比例，我国为 91%，美国为 85%，原苏联为 75%左右。近几年来，虽然无杆抽油方法发展较快，应用范围也在不断扩大，但有杆抽油方法仍是最广泛的抽油方法。最近几年我国石油装备水平有了很大提高，特别是在采油工业中，90%以上的油井利用机械采油法，其中有杆抽油方法占采油井的 80%以上，占机械采油井的 90%以上；从产量上看，我国各油田产液量的 60%，产油量的 75%是靠有杆抽油机采出的。有杆抽油设备能量的消耗已占油田总能耗的三分之一左右。由于我国各油田每年要有几千口新油井投入生产，连同已有装备的更新，每年需要新增几千台抽油机，上万台抽油泵，上千万米抽
5、油杆和相应的辅助工具。因此，有杆抽油技术在我国石油开采中占有十分重要的地位。随着油田的不断开发，地层压力逐渐降低，开采石油的方法由自喷采油法转入机械采油法是必然的规律。由于有杆抽油方法在机械采油法中占有相当大的比重，因此，各国都在有杆抽油设备的研究和开发上投入了大量的人力和物力，使有杆抽油设备得到了较快的发展。有杆抽油设备4一般有三部分组成：一是地面驱动设备，即抽油机；二是井下的抽油泵，它是挂在油管的下端；三是抽油杆柱，它把地面设备的运动和动力传给井下抽油泵。此外，还包括用于悬挂抽油泵并作为液体通道的油管柱、油套管环形空间以及井口装置等。图 1-1 为最典型的一种有杆抽油设备简图，游梁式抽油机
6、-抽油泵装置简图。近三十年来，有杆抽油设备与技术取得了长足的发展与进步。在抽油机方面：1）除常规型游梁式抽油机、前置型游梁式抽油机和气平衡游梁式抽油机外，又出现了异相型游梁式抽油机，这种游梁式抽油机综合了常规型与前置型游梁式抽油机的优点；2）为取得较好的平衡效果、减少能耗，在游梁式抽油机平衡方式上出现了“随动平衡”这一新的平衡方式，它可以随着抽油机悬点载荷的变化，自动调整游梁平衡重的位置；3）另外超高转差率电动机的应用，通过电动机转速的变化，使某些旋转零件的惯性动能均衡作用，使峰值扭矩降低；4）多种新型的无游梁式抽油机的出现，实现了冲程长、重量轻、能耗低等特点。同时，在抽油泵和抽油杆方面也取得
7、了很大进步与发展，还在有杆抽油井的诊断技术、自动控制系统等方面的研究和开发上取得了较大进展，并已在油田上推广，取得了较好的效果。图 1-1 游梁式抽油机-抽油泵装置简图Fig. 1-1 Beam pumping unit - pump device diagram 1.2 抽油机1.2.1 抽油机的研究现状抽油机是有杆抽油设备的主要部件，其基本功能是为井下抽油泵提供运动和动力，实现从一定的井深处抽出一定数量的原油。早在 120 年前抽油机就产生并使用了。目前全世界共有 100 多万口机械采油井，其中抽油机井有 90 多万口，并在逐年增加。我国抽油机发展已有近 40年的历史：1）20 世纪 50
8、 年代以进口为主，修配为辅，主要是进口前苏联CKH 常规型游梁式抽油机；2）6070 年代，在仿前苏联的基础上制造出常规型游梁式抽油机；3）1975 年后制定并完善了国产抽油机技术标准；4）80 年代起抽油机实现了全部国产化，不仅满足了自给，而且有部分出口，在此期间抽油机技术有了飞跃发展，瞄准世界先进水准，等效采用或部分采用美国 API标准，并引进美国拉夫金（Lufkin）公司先进技术，从而使我国的抽油机跻身世界先进行列，打入国际市场5。随着井深和产量的不断增加，同时随着油井开采复杂条件的出现（如高粘、多蜡、多砂、多气、水淹和强腐蚀性等条件） ，常规游梁式抽油机-抽油泵装置的缺点就很明显，主要
9、是抽油机的重量增大。为了减轻抽油机的重量，采用了无游梁式抽油机。无游梁式抽油机分为机械式无游梁抽油机和液压式无游梁抽油机两种。它们的共同特点是保留抽油杆，维持抽油杆设备的工作方式。无游梁式抽油机，特别是液压式抽油机的采用，可以降低抽油杆柱中的应力和改善它的工作条件，因而扩大了有杆抽油设备的使用范围。无游梁抽油机的共同优点是结构比较紧凑，减轻了整机的重量，系统效率均有所提高，共同缺点是抽油机的可靠性和维护的方便性远不如常规型游梁式抽油机。综合来说6，在世界百余年的抽油机发展史中，抽油机发生了很大变化，特别是近 20 年来，先后研究开发了多种新型抽油机，抽油机的各项技术经济指标达到了有史以来的最高
10、水平。其特点是：1）增加了抽油机的适应性、可靠性、经济性和先进性；2）改善了抽油机的性能，降低了抽油机的载荷与载荷变化范围，提高了抽油效率，减少了动力消耗；3）提高了抽油机的平衡效果，改善了抽油机的运动特性、动力特性、平衡特性；4）增大了抽油机的使用范围，减小了抽油机的体积和质量，强化了抽油机自动化和智能化的程度。1.2.2 抽油机的类型抽油机的主要类型有：游梁式抽油机、宽带式抽油机、链条式抽油机、数控抽油机、液压抽油机、长冲程抽油机、节能抽油机、计算机控制的抽油机以及采用柔性构件作传动的抽油机等，其中游梁式抽油机应用最为普遍。油田在选用抽油机时会综合考虑可靠性、效率、成本、维护等因素。下面详
11、细介绍几种常见的抽油机：1）常规型游梁式抽油机789常规型游梁式抽油机是由电动机、减速器、机架、四杆机构、游梁、驴头等部分组成，如图 1-2 所示。减速器将电动机的高速旋转运动变为曲柄轴的低速旋转运动，曲柄轴的旋转运动经四连杆机构变为悬绳器的上下往复运动，悬绳器下面接抽油杆，抽油杆带动抽油泵柱塞在泵筒内做上下往复直线运动，从而将油井内的油举升到地面。常规型游梁式抽油机是机械采油设备中问世最早的抽油机机种。常规型游梁式抽油机具有结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，以其特别能适应野外恶劣工作环境等明显优势，区别于其他众多类型的抽油机，在采油机械中占有举足轻重的地位
12、，在今后相当长的时间内仍是油田的首选采油设备。但是由于常规机本身的结构特征，决定了它的平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。而其他类型的抽油机一般仅局限在特定的服役条件下才能够发挥它们的优点。据统计，游梁式抽油机约占抽油机总数的 90%左右，耗电量约占油田总用电量的 40%左右，仅次于油田注水的用电量。图 1-2 常规型游梁式抽油机1-悬绳器；2-驴头；3-游梁；4-横梁；5-横梁轴；6-连杆；7-支架轴；8-支架；9-平衡块；10-曲柄；11-曲柄销轴承；12-减速箱；13-减速箱皮带轮；14-电动机；15-刹车装置；16-电路控制装置；17-底座Fi
13、g. 1-2 Conventional type beam pumping unit 1-suspended rop device; 2-horse head; 3-swinging beam; 4-beam; 5-beam axis; 6-rod; 7-stent shaft; 8-stent; 9-balance weight; 10-crank; 11-crank pin bearing; 12-reducer; 13-the belt wheel of the reducer; 14-motor; 15-break equipment; 16-circuit control equip
14、ment; 17-base2）双驴头抽油机1011双驴头抽油机又称异形游梁式抽油机，是我国于 1996 年研究开发的一种新型节能的游梁式抽油机。该机以常规型游梁式抽油机为基础模型，用一个后驴头代替了普通游梁式抽油机的尾轴，并用一根驱动绳辫子来连接横梁，构成了抽油机的四连杆机构，如图 1-3 所示。从而改变了抽油机的传动特性，较游梁式抽油机的性能和效率有所改善。双驴头抽油机的主要缺点就是柔性件容易断股，但通过合理设计后驴头弧面，选择韧性好的材料可以解决这个问题。图 1-3 双驴头抽油机1-电动机；2-皮带轮；3-曲柄；4-减速器；5-连杆；6-平衡块；7-横梁；8-驱动绳辫子；9-后驴头；10-
15、游梁；11-前驴头；12-绳辫子；13-悬绳器；14-中轴；15-支架；16-底座Fig. 1-3 Double-horse head beam pumping unit1-motor; 2-belt wheel; 3-crank; 4-reducer; 5-rod; 6-balance weight; 7-beam; 8-drive rope braid; 9-bank horse head; 10-swinging beam; 11-front horse head; 12-rope braid; 13-suspended rop device; 14-middle axis; 15-st
16、ent; 16-base3）前置型游梁式抽油机12前置型抽油机是一种结构比较新颖的游梁式抽油机，是在常规机的基础上进行改进得到的新机型。与常规型游梁式抽油机相比，前置型抽油机的游梁支架放在尾部，而减速器、曲柄、连杆、横梁、游梁及驴头都放在支架前方，如图 1-4 所示。前置型游梁式抽油机在保留常规型游梁式抽油机显著优点的情况下，效率有所提高。前置型游梁式抽油机具有扭矩波动小及节能效果明显等优点，但因其制造难度大、结构笨重、安装维修复杂等原因，推广范围受到限制。图 1-4 前置型抽油机Fig. 1-4 Lead type beam pumping unit 图 1-5 链条滚筒抽油机结构组成Fig. 1-5 Chain roller pumping structures 4）链条滚筒抽油机13链条滚筒抽油机主要部件有电动机、行星减速器、链条、滚筒、平衡重，如图 1-5 所示。在行星减速器的输出轴两端安装有小链轮，在滚筒轴两端安装有大链轮，这样把行星减速器输出的扭矩用两排链条对称地传到滚筒上，通过滚筒上的钢丝绳带动抽油杆上下往复运动。这
