采油设备的种类和发展历史

采油设备的种类和发展历史

油田开采已有上百年的历史。采油设备从最初的游梁式磕头机开始，经过科技人员的不断努力，根据开采油层和地质情况的变化，先后又开发了潜油电泵采油系统，螺杆式抽油机、电泵，皮带式抽油机及现在技术上比较新颖、先进的直线电机、抽油机等，从采油原理及经济适用性而言都各有优缺点。本文从这几种抽油机型的概念出发，粗咯的介绍了采油设备从传统的磕头机到比较先进的设备之间的性能、结构及所应用的主要场所。并结合现在国家正在大力推广的节能、减排措施，探讨了油田这类国有大中型企业在这一方面应努力的方向，对传统设备的技术改进，及在采油设备上的应用，论述了采油设备进行节能改造的深远意义。

引言：

在油田的采油史上，游梁式磕头机、皮带机、螺杆泵、潜油电泵、直线电机等采油设备，是伴随着采油行业不同的地质、地理条件，经研发人员实地考察，在综合分析各种物质、技术条件下，在科技进步的促进下应运而生的。虽然在性能、结构、工艺性分析上各有优缺点，但根据不同的条件，现在这些设备在现场还都在广泛的应用。特别是游梁式磕头机，虽然已有上百年的历史，但在绝大多数油田，90%以上的油井仍在使用这种设备。虽然比较先进的设备也在日益普及，有取而代之的迹象，但在一定时期内，这些设备必然还要长期共存，只是技术及工艺方面在不断地改进。尤其近几年，随着国家节能减排措施的不断推广，在节能、改善工艺，提高功效方面，油田科技人员正在不断的积极探索，力求在这一方面能有较大的突破。

一、油田磕头机

油梁式磕头抽油机，俗称“磕头机”，在全世界的油田中，从设备的数量与规模上都占绝大多数。只要走入某个油田，首先映入眼帘的大多是游梁式磕头机。这种设备以其安装方便，调试简单，使用可靠、应用灵活而被大多数的采油厂使用，如图1为野外使用的抽油机 。

图1、油梁式磕头机

这种设备的原理是采用杠杆的原理，由电机带动减速器周期性的旋转，并拖动曲杆作往复运动，从而使驴头及对应的平衡装置作上下运动，将地下的油带出地面，进入输油系统。

该设备由于都安装于地面，安装、调试都比较方便，应用也比较广泛。但是在地质情况比较复杂的场合，如油质稠、含沙、结蜡较多，有时抽起来比较困难，特别是在原来用工频直接启动的场合，启动力矩大，对机械的冲击大，很容易出现断杆、卡井、减速机齿轮损坏、烧毁电机等较严重故障，特别是油井的中、后期，井液量供液不足时，需要调节冲次，更换皮带轮或减速箱，较烦琐，危险性大，工作量大，也带来了一定的困难。

由于油井都比较深，大约都在1千米以上，油井启动时力矩比较大，所需要的转矩大约是正常工作的一倍以上，因此在设计时采用的动力装置---电动机往往功率较大，而在正常抽油时，负载变轻，所需的力矩又比较小，因此存在着严重的“大马拉小车”现象。

又由于在驴头下放时，负载变轻，电机基本处于自由下放状态，降低了电网的功率因数及电机的效率，增加了无功损耗，使整个系统效率低下，耗能严重，出现严重的能源浪费现象。

根据这些情况，油田工作人员采取各种措施进行改进，如采用永磁同步电机、超高转差率电机、变频调速电机等节能型措施。这些方法都改进了生产工艺，对节能生产都起到了一定的推动作用。

1、永磁同步电机

（1）结构及原理

永磁同步电机与异步电机结构基本相似，只是在转子鼠笼条内嵌入稀土永磁钢，改变了原来靠定子边励磁为转子边稀土永磁钢励磁，变异步电机为同步电机。因此定子边励磁电流大量减少，转子边的铜损、铁损亦大量减少，大幅提高了功率因数与效率，降低了电机的温升与配电设备的容量。

（2）节能实验

通过在油田上多次实验，在单井抽油机上推广应用永磁同步电机，其平均综合节电率在15%～25%之间。

（3）结论

采用永磁同步电机，主要优点是降低了单耗，提高了系统的功率因数，从而节约了电能。还可挖掘电网的潜在容量，减缓用电负荷的增长，增加了电网容量。

所存在的问题，主要是保护装置跟不上，容易烧毁电机。再者选择功率不配套，仍存在“大马拉小车”

或“小马拉不动大车”的情况。主要是开始投产时，由于永磁同步电机启动力矩大，初装时可以顺利启动，且运行良好。但由于地下开采层的变更或井况的变化，有些井的负荷变了，如不及时更换大功率的永磁同步电机，又容易使电机长期处于过载状态而烧毁。再一个就是永磁电机维修比较麻烦，不象三相异步电机一样维修简单，方便使用。转子褪磁后，需要更换转子中的永磁材料。

2、超高转差率电机

（1）结构及原理

由超高转差率电机和节能控制箱组成，专门设计制造用于游梁式抽油机。超高转差率电机具有软的机械特性，较低的启动电流，较高的启动转矩；节能控制箱具有过热、过载、缺相等保护功能及较高的功率补偿。

（2）应用及节能分析

这类电机的抽油机拖动系统最主要的特点是能提高抽油机的系统效率，降低电耗，根据油井的供液量简便的完成调节冲次工作，减少停机时间，减少设备维修和油井的维护作业费用，从而降低采油成本。因此对于减少齿轮箱的疲劳损坏，减轻抽油杆的最大应力和应力变化范围，增加泵效，降低电机的固定损耗（包括铁损、机械损等），提高平均效率，方便的调节冲次等都具有普通抽油机无可替代的效果。

根据多次试验结果，由于超高转差率电机匹配合理，功率因数可提高50%～80%，无功功率降低60%以上，降低电网电流及线路损耗50%以上，还可消除普通抽油机的发电状态等。

但这类电机最大的困难是需要改变普通电机的转差率，重新绕制电机，只能专用于抽油机，用于其他负载可能效果不佳。

3、变频调速电机

近年来随着电力电子技术和微电子技术发展起来的变频调速装置，由原来的用于风机、水泵的节能控制，现也逐步应用到抽油设备上，也收到了良好的效果。

（1）真正实现了软启动、软停机。对电网无冲击。变频调速减少了空行程，减少了各机械部件的冲击及磨损，延长了设备的使用寿命。

（2）可通过调节运行频率来无级的调节抽油机的转速，进而平滑方便的调节冲次，使系统始终保持抽汲平衡，增加泵效，工作于最佳状态。

（3）可提高功率因数达0.95以上，从而减轻了电网及变压器的负担，节能达30%以上。

（4）不用改变电机，采用普通电机即可实现调冲，这是其他任何方法都作不到的。

（5）缺点是一次性投资较大，需处理抽油机发电过程的再生能量。再者变频器的谐波对电网有影响，也会使电机的附加损耗增大。

二、潜油电泵

在某些供液足，井况比较好的油田区域，多采用潜油电泵这种采油设备，来加速采油过程，保证稳产、高产。

该系统由地面控制柜和井下电泵组成。由于井都比较深，大约在1000—3000米，一般都采用高压电机，电压等级在1000V—2300V，而由于长输电缆的消耗，为保证电泵正常工作，一般供电电压要比电机电压高出150V左右，以补偿线路的损耗。

控制柜设有电机保护装置，有过压、欠压、过载、短路等保护功能，由于潜油电泵工作于井下油的液面下，全靠油的循环散热，控制柜必须设置欠载保护，以保证在井内供液不足时停止运转，不让电泵干转而烧毁。基本应用如图2示。

潜油电泵是安放在井下1000—3000米的电泵设备，工作环境非常恶劣（高温、强腐蚀）。而传统的供电方式——全压、工频更使它故障频繁，运行成本较高。主要表现在：

1、工频全速运转，当井下液量不富裕时，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，则损失惨重。

2、全压、工频工作，启动电流大，是额定电流的5—7倍，冲击扭矩大，对电机寿命有很大影响。

3、油田供电电压常有波动，使电机欠励磁或过励磁，时常烧毁电机。

4、维修量大，维护费用高。潜泵损坏提到地面上维修，光工程费就有五万元，价值10万元的电缆平均提上、放下5次就得更换，潜泵平均10个月就得维修一次，维修费用约8万元。造成生产成本偏高。

由于这些原因，油田的科研人员也在积极寻求更好的控制方法。经与科研单位探讨，认为变频器具有软启动和调速方便的优点。于是将该设备投入到潜油电泵的控制电路上，取得了较好的效果。

1、低频、低压的软启动，使电网基本无冲击，电泵扭矩降低，延长了电缆及电泵的寿命。

2、能根据井况随时调节电泵转速，使系统始终运行在较好的工作状态。节能效果较好，在10—20%左右。

3、电泵工作电压基本不受电网波动的影响，电机运行平稳，无脉动现象，变频器并能补偿线路电缆的损耗，使电机工作正常。

4、控制方便，操作简单，各种运行参数显示清楚、全面。

5、保护功能齐全。变频器具有短路、过压、欠压、过载、欠载、温升过高等保护功能，保护电泵及控

制柜耐受电网及负载的冲击而不损坏。

由于这类设备电压等级较特殊，有两个电压等级，1140V系列和2300V系列，国产的这类变频器还比较少，现运行比较可靠、稳定的是山东新风光电子有限公司生产的中压潜油电泵变频器，在胜利油田、大庆油田、青海油田、大港油田及中原油田等安装的比较多，深受用户的好评。图3为野外使用的带铁皮房维护的潜油电泵专用变频器设备。

三、螺杆泵

在高粘度、高含砂量的区块，一般采用螺杆泵进行稠油油藏的开采。

螺杆泵既具有柱塞泵的硬特性，又具有离心泵的软特性，能够输送高粘度、高含砂量的原油，适应高气油比、中深低产井原油的需要，并以其工艺简单、管理方便、低生产成本、高举升性能的特点得到了广泛的应用。

截至2005年，全国各油田不完全统计共有螺杆泵采油系统生产油井6000口。随着其配套工艺技术的日益完善，螺杆泵采油技术的应用有着广泛的前景。

但通过近几年的应用发现，螺杆泵采油井抽油杆断脱、油管漏失、结蜡严重、螺杆泵定子脱落、磨损严重等故障。其工况特征表现在转矩、轴向力、电流、沉没度、油压、套压、液量等参数的变化上。

为最大限度的增产、增效，提高设备的利用率，油田技术人员通过采用一些新技术，如采用变频自动调速控制，对螺杆泵进行科学合理调参，达到增产节能，提高系统效率的目的，充分发挥螺杆泵的潜力。

1、 变频调速自动控制系统

变频控制系统包括变频器、主控电路和辅助电路，如图4所示。

图4 带工变频切换的自动控制系统

主控电路是由变频控制电路和工频控制电路组成，主要根据螺杆泵井的生产工况需要，通过切换变频控制和工频控制部分来控制螺杆泵电机的运行状态。辅助电路是利用直流24V继电器来控制变频器的输入信号端，对螺杆泵电机实施软启动、软停机，还装有缺相保护。

自动控制变频调速系统为一闭环控制系统，工作原理为转矩、转速、轴向力传感器实时测量抽油杆的转矩、转速、轴向力工作参数，并实时将这些信息传送给单片机，根据这些信息的计算分析结果与程序中事先设定的各临界参数进行分析、比较、判断，并由单片机向信号输出单元发出指令，操纵变频器，使其按照要求改变电机运转频率，使电机转速发生变化，带动螺杆泵在不同的转速下工作，使整个系统在安全的前提下，实现提液增产、节能降耗，提高设备的利用率。系统构成如图5示。

2、改造后的效果

（1）螺杆泵变频调速采油工艺技术不但实现了变频调速自动控制，而且能准确的测出螺杆泵的转矩、转速、轴向力和功率，为螺杆泵工况的确定、故障诊断、确定稠油降粘加药周期、降低杆断脱事故发生率等措施提供了技术支持。

（2）具有寿命长、抗干扰能力强、线性范围宽、精度高等优点。

（3）有助于提高螺杆泵井的管理水平，为螺杆泵井的安全长效运行提供了强有力的手段。

四、直线电机抽油机

直线电机是上世纪三十年代发展起来的一门新兴电机技术。在国外发展比较快，已形成一门比较独立的电机体系，在抽油机和采油泵上都有应用，在其他领域也有涉及，但比较少，主要的还是应用在油田上。

我国对于直线电机的研究起步较晚，大约在上世纪九十年代。因其优异的驱动性能而备受各界关注。直线电机取代旋转电机，系统效率明显提高，由于去掉了中间传动机构，采用直线电机的采油效率将会明显提高，因而引起石油行业的普遍关注。近几年，法国、美国等国家以及国内申请的直线电机和直线电机抽油泵的专利较多。各个油田的科研所也都进行了不同程度的实验，如华北油田、大港油田、南阳油田等，有的应用还比较成功。

1、直线电机的工作原理

直线电机的原理与旋转电机的原理基本相似。可以认为直线电机是旋转电机在结构方面的一种演变。将一台旋转电机沿径向刨开，然后将电机的圆周展开成直线，即成为原始的直线电机。如图。由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。

2、应用

直线电机驱动设备采油要求出力大，耐温、防蚀、散热，用于抽油机的直线电机可以采用平板型或圆桶型。直线电机抽油机动子较短，一般设计为动磁式或动铁式，线圈固定，有利于实现长冲程、高出力。

直线电机由于省去了中间环节，直接带动负载，一般运行速度都比较低，因此大部分都要用变频控制，山东新风光电子研制的直线电机专用变频器已经在上述几个油田的科研所配套应用，取得了较好的效果.。.如图6所示是直线电机野外使用的情况。

图6、野外使用的直线电机抽油机

3、特点

（1）由于直线电机取消了中间传动装置，在提高系统总效率和节能方面具有很大的优势；

（2）直线电机用于采油设备，结构简单，节能效果好，系统效率高，能满足采油工艺自动控制的要求和适应恶劣的工作环境；

（3）应用直线电机驱动设备采油，可以有多种不同的方案，井下泵的选择与直线电机的设计是其关键环节。

（4）随着研究的深入，直线电机节能、高效的优势将会不断显现出来。

五、液压采油装置

液压采油装置包含水力活塞泵、水力喷射泵、多功能液压采油装置等，其中以辽宁中广产的多功能液压采油装置最具代表性。当然由于我国研制多功能液压采油装置的时间较晚，在技术和性能上还有许多需要改进和完善的地方，但这一新技术已经走到了世界前列，应用前景非常看好，随着我国科技技术的不断进步，在不久的将来，这一技术必将获得广泛的应用，成为石油采油行业的又一次新技术革命。

工作原理：

多功能液压采油装置作为无杆泵抽油设备中的一种，是依靠液力传递能量的，根据液体能等值传递压力的原理，将地面泵提供的压力能传递给井下泵机组的液马达（换向机构）；通过力的放大，压强的放大和差动原理，液马达驱动抽油泵产生往复运动，抽油泵的活塞产生举升力，达到连续抽油的目的。

优势特点：

多功能液压泵的特点一是抽油杆电加热；由于该装置是采用液压介质作为动力驱动抽油泵，油井井柱中的空心抽油杆与油管是相对静止不动的，不但消除了传统抽油机上下往复运动时与油管所产生的磨擦力和柱塞效应，还满足了抽油杆电加热的条件。根据井下的井深、阻抗、产液排量、温度含水量等情况，地面控制柜对井下抽油杆加热回路输送相匹配的大电流、双脉冲、交变直流电源经井口电缆接到井口的抽油杆，沿井柱中装有绝缘扶正器的抽油杆流到井中液压泵接头处与油管短路，又从油井管柱返回到控柜形成闭合回路。由于抽油杆比油管截面小，电流流过的能力比油管低，这时在抽油杆内会产生饱和过流电流，即发热现象，本产品正是利用这种过热现象，达到了对油管内的原油实施加热的目的。由于加热电流是低压、低频，大电流的双脉冲直流，所以不会产生回路的容抗、感抗、磁损、击穿漏电等无功损耗，而抽油杆上所产生的热能又全部被传导给了抽油杆四周向上流动的油井井液，用最小的电能，起到了最佳的加热效果，达到了节能降耗的目的，而又不会产生电解作用，克服了对油管和抽油杆的电解腐蚀。

多功能液压泵显著特点二是泵头还设置了卸油阀，作业时提起抽油杆，油井管柱内的介质就会全部流回到套管里去，克服了以往作业时原油从油管流到井外对地面造成污染的毛病，减少了环境污染，降低了作业面本。为了适应特殊油井的条件需要，多功能泵还具有反向预热循环、泵内吸砂、大流量携砂功能、泵下加热，等集多种功能为一体，为各类油井的开采提供了宽扩适配性能。

1 、无需地面抽油机，没有上下运动的抽油杆，也就不会造成对油管井柱的磨损和卸漏，一根液压管联接井口就能采油，特别适用于深井开采，从而延长了油井各组成材料的使用寿命。

2 、地面设备体积小，重量轻。占地面小，可安装在露天或室内很小空间里。便于安装和管理，起到一机多用途，多功能的作用。

3 、由于是液压驱动，地面设备可以一机带多井。可广泛用于斜井和水平井的开采，也适用于海上平台采油。

4 、该装置由于井柱油管内液流量大，泵内还设有吸砂和反洗排砂装置，具有很好排砂功能和携砂功能。

5 、根椐油井情况，可在地面做无极调节动力液的排量，控制泵抽速度，这对油田的长期良性有序开采极为有利，达到可控性。

6 、对油井的井液温度有多种可控加热方式的可选性。方法简单可行，对凉井可进行预热启动。井柱全程加热均匀，更有利于提高泵效和开采。

7 、由于没有抽油机，不存在抽油杆的往复运动对油管所引起的机械磨擦柱塞效应等不良因素，使该设备的拖动动力能耗显著降低。电加热的电耗也达到了最低水平。能耗不到传统设备的二分之一。具有很好的投入产出比和运行成本。

8 、由于泵头还设置了缸油阀，作业时提起抽油杆，油井管柱内的介质就会全部流回到套管内，不会污染井场环境，降低了作业成本。

六、结论

任何一种设备的更新换代都是随着工程的需求和科技的进步应运而生的，采油设备的发展也不例外。虽然经过了几代的发展，但每一套设备都各有优缺点，由于技术的局限和研制时间的短暂，还很难说那一种设备最先进，那一种设备最落后要被淘汰。但是随着科技的进步，必将出现更多、更新的设备投放于采油设备上，使生产力得到更大的发展，采油水平更上一个台阶，必将朝着更环保、更节能、更趋于合理化将在一定时期内长期共存，但发展的趋势已日见明显，多功能液压采油装置将是未来的研制方向，成为各个科研部门竞争的焦点。

中国石油和石油化工设备工业协会

钻采机械专业委员会