采油設備的發展（The development of the oil extraction equipments）
山東新風光電子科技發展有限公司 周加勝 吳海濤
摘要：油田開采已有上百年的歷史。采油設備從最初的游梁式磕頭機開始，經過科技人員的不斷努力，根據開采油層和地質情況的變化，先后又開發了潛油電泵采油系統，螺桿式抽油機、電泵，皮帶式抽油機及現在技術上比較新穎、先進的直線電機、抽油機等，從采油原理及經濟適用性而言都各有優缺點。本文從這幾種抽油機型的概念出發，粗咯的介紹了采油設備從傳統的磕頭機到比較先進的設備之間的性能、結構及所應用的主要場所。并結合現在國家正在大力推廣的節能、減排措施，探討了油田這類國有大中型企業在這一方面應努力的方向，對傳統設備的技術改進，及在采油設備上的應用，論述了采油設備進行節能改造的深遠意義。
關鍵詞： 采油設備 節能 自動化
Abstract: oil exploitation has been a century of history. Production equipment from the initial beam kowtow machine, through the continuing efforts of science and technology personnel, under the mining and geological conditions of the oil change has also developed electric submersible pump oil production system, screw-type pumps pump, belts pumping unit and now technically relatively new, advanced linear motor pumping, and so on, from the applicability of the economic recovery in terms of principle and have their own advantages and disadvantages. Several of this paper the concept of pumping crude oil on the 1,10 equipment from the traditional manner of the more advanced equipment to the perbbbbance, structure and the application of the main venues. And the state is now combining to promote energy conservation, measures to reduce emissions on the large and medium-sized state-owned enterprises such Oilfield in this regard should be the direction for the traditional technical equipment improvements, production equipment and the application of oil on the Energy-saving equipment for the transbbbbation of far-reaching significance
Key words: Production Equipment Energy Saving Automation
引言：
在油田的采油史上，游梁式磕頭機、皮帶機、螺桿泵、潛油電泵、直線電機等采油設備，是伴隨著采油行業不同的地質、地理條件，經研發人員實地考察，在綜合分析各種物質、技術條件下，在科技進步的促進下應運而生的。雖然在性能、結構、工藝性分析上各有優缺點，但根據不同的條件，現在這些設備在現場還都在廣泛的應用。特別是游梁式磕頭機，雖然已有上百年的歷史，但在絕大多數油田，90%以上的油井仍在使用這種設備。雖然比較先進的設備也在日益普及，有取而代之的跡象，但在一定時期內，這些設備必然還要長期共存，只是技術及工藝方面在不斷地改進。尤其近幾年，隨著國家節能減排措施的不斷推廣，在節能、改善工藝，提高功效方面，油田科技人員正在不斷的積極探索，力求在這一方面能有較大的突破。
一、油田磕頭機
油梁式磕頭抽油機，俗稱“磕頭機”，在全世界的油田中，從設備的數量與規模上都占絕大多數。只要走入某個油田，首先映入眼簾的大多是游梁式磕頭機。這種設備以其安裝方便，調試簡單，使用可靠、應用靈活而被大多數的采油廠使用，如圖1為野外使用的抽油機 。
圖1、油梁式磕頭機
這種設備的原理是采用杠桿的原理，由電機帶動減速器周期性的旋轉，并拖動曲桿作往復運動，從而使驢頭及對應的平衡裝置作上下運動，將地下的油帶出地面，進入輸油系統。
該設備由于都安裝于地面，安裝、調試都比較方便，應用也比較廣泛。但是在地質情況比較復雜的場合，如油質稠、含沙、結蠟較多，有時抽起來比較困難，特別是在原來用工頻直接啟動的場合，啟動力矩大，對機械的沖擊大，很容易出現斷桿、卡井、減速機齒輪損壞、燒毀電機等較嚴重故障，特別是油井的中、后期，井液量供液不足時，需要調節沖次，更換皮帶輪或減速箱，較煩瑣，危險性大，工作量大，也帶來了一定的困難。
由于油井都比較深，大約都在1千米以上，油井啟動時力矩比較大，所需要的轉矩大約是正常工作的一倍以上，因此在設計時采用的動力裝置---電動機往往功率較大，而在正常抽油時，負載變輕，所需的力矩又比較小，因此存在著嚴重的“大馬拉小車”現象。
又由于在驢頭下放時，負載變輕，電機基本處于自由下放狀態，降低了電網的功率因數及電機的效率，增加了無功損耗，使整個系統效率低下，耗能嚴重，出現嚴重的能源浪費現象。
根據這些情況，油田工作人員采取各種措施進行改進，如采用永磁同步電機、超高轉差率電機、變頻調速電機等節能型措施。這些方法都改進了生產工藝，對節能生產都起到了一定的推動作用。
1、永磁同步電機
（1）結構及原理
永磁同步電機與異步電機結構基本相似，只是在轉子鼠籠條內嵌入稀土永磁鋼，改變了原來靠定子邊勵磁為轉子邊稀土永磁鋼勵磁，變異步電機為同步電機。因此定子邊勵磁電流大量減少，轉子邊的銅損、鐵損亦大量減少，大幅提高了功率因數與效率，降低了電機的溫升與配電設備的容量。
（2）節能實驗
通過在油田上多次實驗，在單井抽油機上推廣應用永磁同步電機，其平均綜合節電率在15%～25%之間。
（3）結論
采用永磁同步電機，主要優點是降低了單耗，提高了系統的功率因數，從而節約了電能。還可挖掘電網的潛在容量，減緩用電負荷的增長，增加了電網容量。
所存在的問題，主要是保護裝置跟不上，容易燒毀電機。再者選擇功率不配套，仍存在“大馬拉小車”或“小馬拉不動大車”的情況。主要是開始投產時，由于永磁同步電機啟動力矩大，初裝時可以順利啟動，且運行良好。但由于地下開采層的變更或井況的變化，有些井的負荷變了，如不及時更換大功率的永磁同步電機，又容易使電機長期處于過載狀態而燒毀。再一個就是永磁電機維修比較麻煩，不象三相異步電機一樣維修簡單，方便使用。轉子褪磁后，需要更換轉子中的永磁材料。
2、超高轉差率電機
（1）結構及原理
由超高轉差率電機和節能控制箱組成，專門設計制造用于游梁式抽油機。超高轉差率電機具有軟的機械特性，較低的啟動電流，較高的啟動轉矩；節能控制箱具有過熱、過載、缺相等保護功能及較高的功率補償。
（2）應用及節能分析
這類電機的抽油機拖動系統最主要的特點是能提高抽油機的系統效率，降低電耗，根據油井的供液量簡便的完成調節沖次工作，減少停機時間，減少設備維修和油井的維護作業費用，從而降低采油成本。因此對于減少齒輪箱的疲勞損壞，減輕抽油桿的最大應力和應力變化范圍，增加泵效，降低電機的固定損耗（包括鐵損、機械損等），提高平均效率，方便的調節沖次等都具有普通抽油機無可替代的效果。
根據多次試驗結果，由于超高轉差率電機匹配合理，功率因數可提高50%～80%，無功功率降低60%以上，降低電網電流及線路損耗50%以上，還可消除普通抽油機的發電狀態等。
但這類電機最大的困難是需要改變普通電機的轉差率，重新繞制電機，只能專用于抽油機，用于其他負載可能效果不佳。
3、變頻調速電機
近年來隨著電力電子技術和微電子技術發展起來的變頻調速裝置，由原來的用于風機、水泵的節能控制，現也逐步應用到抽油設備上，也收到了良好的效果。
（1）真正實現了軟啟動、軟停機。對電網無沖擊。變頻調速減少了空行程，減少了各機械部件的沖擊及磨損，延長了設備的使用壽命。
（2）可通過調節運行頻率來無級的調節抽油機的轉速，進而平滑方便的調節沖次，使系統始終保持抽汲平衡，增加泵效，工作于最佳狀態。
（3）可提高功率因數達0.95以上，從而減輕了電網及變壓器的負擔，節能達30%以上。
（4）不用改變電機，采用普通電機即可實現調沖，這是其他任何方法都作不到的。
（5）缺點是一次性投資較大，需處理抽油機發電過程的再生能量。再者變頻器的諧波對電網有影響，也會使電機的附加損耗增大。
二、潛油電泵
在某些供液足，井況比較好的油田區域，多采用潛油電泵這種采油設備，來加速采油過程，保證穩產、高產。
該系統由地面控制柜和井下電泵組成。由于井都比較深，大約在1000—3000米，一般都采用高壓電機，電壓等級在1000V—2300V，而由于長輸電纜的消耗，為保證電泵正常工作，一般供電電壓要比電機電壓高出150V左右，以補償線路的損耗。
控制柜設有電機保護裝置，有過壓、欠壓、過載、短路等保護功能，由于潛油電泵工作于井下油的液面下，全靠油的循環散熱，控制柜必須設置欠載保護，以保證在井內供液不足時停止運轉，不讓電泵干轉而燒毀。基本應用如圖2示。
潛油電泵是安放在井下1000—3000米的電泵設備，工作環境非常惡劣（高溫、強腐蝕）。而傳統的供電方式——全壓、工頻更使它故障頻繁，運行成本較高。主要表現在：
1、工頻全速運轉，當井下液量不富裕時，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，則損失慘重。
2、全壓、工頻工作，啟動電流大，是額定電流的5—7倍，沖擊扭矩大，對電機壽命有很大影響。
3、油田供電電壓常有波動，使電機欠勵磁或過勵磁，時常燒毀電機。
4、維修量大，維護費用高。潛泵損壞提到地面上維修，光工程費就有五萬元，價值10萬元的電纜平均提上、放下5次就得更換，潛泵平均10個月就得維修一次，維修費用約8萬元。造成生產成本偏高。
由于這些原因，油田的科研人員也在積極尋求更好的控制方法。經與科研單位探討，認為變頻器具有軟啟動和調速方便的優點。于是將該設備投入到潛油電泵的控制電路上，取得了較好的效果。
1、低頻、低壓的軟啟動，使電網基本無沖擊，電泵扭矩降低，延長了電纜及電泵的壽命。
2、能根據井況隨時調節電泵轉速，使系統始終運行在較好的工作狀態。節能效果較好，在10—20%左右。
3、電泵工作電壓基本不受電網波動的影響，電機運行平穩，無脈動現象，變頻器并能補償線路電纜的損耗，使電機工作正常。
4、控制方便，操作簡單，各種運行參數顯示清楚、全面。
5、保護功能齊全。變頻器具有短路、過壓、欠壓、過載、欠載、溫升過高等保護功能，保護電泵及控制柜耐受電網及負載的沖擊而不損壞。
由于這類設備電壓等級較特殊，有兩個電壓等級，1140V系列和2300V系列，國產的這類變頻器還比較少，現運行比較可靠、穩定的是山東新風光電子有限公司生產的中壓潛油電泵變頻器，在勝利油田、大慶油田、青海油田、大港油田及中原油田等安裝的比較多，深受用戶的好評。圖3為野外使用的帶鐵皮房維護的潛油電泵專用變頻器設備。
三、螺桿泵
在高粘度、高含砂量的區塊，一般采用螺桿泵進行稠油油藏的開采。
螺桿泵既具有柱塞泵的硬特性，又具有離心泵的軟特性，能夠輸送高粘度、高含砂量的原油，適應高氣油比、中深低產井原油的需要，并以其工藝簡單、管理方便、低生產成本、高舉升性能的特點得到了廣泛的應用。
截至2005年，全國各油田不完全統計共有螺桿泵采油系統生產油井6000口。隨著其配套工藝技術的日益完善，螺桿泵采油技術的應用有著廣泛的前景。
但通過近幾年的應用發現，螺桿泵采油井抽油桿斷脫、油管漏失、結蠟嚴重、螺桿泵定子脫落、磨損嚴重等故障。其工況特征表現在轉矩、軸向力、電流、沉沒度、油壓、套壓、液量等參數的變化上。
為最大限度的增產、增效，提高設備的利用率，油田技術人員通過采用一些新技術，如采用變頻自動調速控制，對螺桿泵進行科學合理調參，達到增產節能，提高系統效率的目的，充分發揮螺桿泵的潛力。
1、 變頻調速自動控制系統
變頻控制系統包括變頻器、主控電路和輔助電路，如圖4所示。
圖4 帶工變頻切換的自動控制系統
主控電路是由變頻控制電路和工頻控制電路組成，主要根據螺桿泵井的生產工況需要，通過切換變頻控制和工頻控制部分來控制螺桿泵電機的運行狀態。輔助電路是利用直流24V繼電器來控制變頻器的輸入信號端，對螺桿泵電機實施軟啟動、軟停機，還裝有缺相保護。
自動控制變頻調速系統為一閉環控制系統，工作原理為轉矩、轉速、軸向力傳感器實時測量抽油桿的轉矩、轉速、軸向力工作參數，并實時將這些信息傳送給單片機，根據這些信息的計算分析結果與程序中事先設定的各臨界參數進行分析、比較、判斷，并由單片機向信號輸出單元發出指令，操縱變頻器，使其按照要求改變電機運轉頻率，使電機轉速發生變化，帶動螺桿泵在不同的轉速下工作，使整個系統在安全的前提下，實現提液增產、節能降耗，提高設備的利用率。系統構成如圖5示。
2、改造后的效果
（1）螺桿泵變頻調速采油工藝技術不但實現了變頻調速自動控制，而且能準確的測出螺桿泵的轉矩、轉速、軸向力和功率，為螺桿泵工況的確定、故障診斷、確定稠油降粘加藥周期、降低桿斷脫事故發生率等措施提供了技術支持。
（2）具有壽命長、抗干擾能力強、線性范圍寬、精度高等優點。
（3）有助于提高螺桿泵井的管理水平，為螺桿泵井的安全長效運行提供了強有力的手段。
四、直線電機抽油機
直線電機是上世紀三十年代發展起來的一門新興電機技術。在國外發展比較快，已形成一門比較獨立的電機體系，在抽油機和采油泵上都有應用，在其他領域也有涉及，但比較少，主要的還是應用在油田上。
我國對于直線電機的研究起步較晚，大約在上世紀九十年代。因其優異的驅動性能而備受各界關注。直線電機取代旋轉電機，系統效率明顯提高，由于去掉了中間傳動機構，采用直線電機的采油效率將會明顯提高，因而引起石油行業的普遍關注。近幾年，法國、美國等國家以及國內申請的直線電機和直線電機抽油泵的專利較多。各個油田的科研所也都進行了不同程度的實驗，如華北油田、大港油田、南陽油田等，有的應用還比較成功。
1、直線電機的工作原理
直線電機的原理與旋轉電機的原理基本相似。可以認為直線電機是旋轉電機在結構方面的一種演變。將一臺旋轉電機沿徑向刨開，然后將電機的圓周展開成直線，即成為原始的直線電機。如圖。由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。
2、應用
直線電機驅動設備采油要求出力大，耐溫、防蝕、散熱，用于抽油機的直線電機可以采用平板型或圓桶型。直線電機抽油機動子較短，一般設計為動磁式或動鐵式，線圈固定，有利于實現長沖程、高出力。
直線電機由于省去了中間環節，直接帶動負載，一般運行速度都比較低，因此大部分都要用變頻控制，山東新風光電子研制的直線電機專用變頻器已經在上述幾個油田的科研所配套應用，取得了較好的效果.。.如圖6所示是直線電機野外使用的情況。
圖6、野外使用的直線電機抽油機
3、特點
（1）由于直線電機取消了中間傳動裝置，在提高系統總效率和節能方面具有很大的優勢；
（2）直線電機用于采油設備，結構簡單，節能效果好，系統效率高，能滿足采油工藝自動控制的要求和適應惡劣的工作環境；
（3）應用直線電機驅動設備采油，可以有多種不同的方案，井下泵的選擇與直線電機的設計是其關鍵環節。
（4）隨著研究的深入，直線電機節能、高效的優勢將會不斷顯現出來。
當然由于我國研制直線電機的時間較晚，在技術和性能上還有許多需要改進和完善的地方，但這一新技術的應用前景是非常看好的，隨著我國科技技術的不斷進步，在不久的將來，這一技術必將獲得廣泛的應用，成為采油行業乃至于電機行業的又一次新技術革命。
五、結論
任何一種設備的更新換代都是隨著工程的需求和科技的進步應運而生的，采油設備的發展也不例外。雖然經過了幾代的發展，但每一套設備都各有優缺點，由于技術的局限和研制時間的短暫，還很難說那一種設備最先進，那一種設備最落后要被淘汰。但是隨著科技的進步，必將出現更多、更新的設備投放于采油設備上，使生產力得到更大的發展，采油水平更上一個臺階，必將朝著更環保、更節能、更趨于合理化的方向發展。因此雖然游梁式磕頭機、潛油電泵、螺桿泵、直線電機等采油設備還將在一定時期內長期共存，但發展的趨勢已日見明顯，直線電機必將是未來的研制方向，成為各個科研部門競爭的焦點。
參考文獻
1、《直線電機在采油設備上的應用》 魏秦文等 《石油礦場機械》2007.8
2、《抽油機節能電機的應用分析》 王釗 等 《石油礦場機械》2007.8
3、〈直線電機抽油機專用變頻器〉 李瑞來、韓文昭
〈第二屆特種電源與元器件學術年會論文集〉
作者簡介：
周加勝（1967----）工程師 畢業于山東工業大學電氣自動化專業，現在山東新風光電子科技發展有限公司技術支持部工作。
本文標簽：采油設備的發展（The development of the oil extraction equipments）
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