概述
抽油机是开采石油的一种机器设备，通过加压的办法使石油出井。当抽油机上冲程时，油管弹性收缩向上运动，带动机械解堵采油器向上运动，撞击滑套产生振动；同时，正向单流阀关闭，变径活塞总成封堵油当抽油机下冲程时，油管弹性伸长向下运动，带动机械解堵采油器向下运动，撞击滑套产生振动；同时，反向单流阀部分关闭，变径活塞总成仍然封堵油套环形油道，使反向单流阀下方区域形成高压区，这一运动又对地层内的油流通道产生一种反向的冲击力。
目前，抽油机井用电量约占油田总用电量的40%左右，是油田耗能大户。分析抽油机的特点、使用现状及负载特性，探索其节能潜力具有一定的现实意义。
技术原理
1. 节能型抽油机
节能型抽油机主要包括异相曲柄平衡抽油机、前置式抽油机、双驴头抽油机、直线电机式抽油机和渐开线抽油机等。
异相曲柄平衡抽油机是非对称循环抽油机，上冲程所用时间较长，下冲程时间较短。CYJl0-3-26B（Y）抽油机在冲次n＝9 min-1时，上下冲程时间均为3.55s。而CYJ10-3-26B 抽油机，当冲次n＝9min-l时，上下冲程时间均为3.33s。假设CYJ10-3-26B与CYJ10-3-26B（Y）抽油机所需有用功相同，CYJl0-3-26B（Y）的光杆功率可以减少6%左右，这意味着井下效率明显提高。双驴头抽油机是在常规型游梁式抽油机的基础上发展的新一代抽油设备，它不仅保持了常规机的优点，同时还具有低冲次、节能、系统效率高等优点。
直线电机式抽油机是总结了百年来游梁抽油机和无游梁抽油机的优缺点，利用直线电机将电能直接转换成直线往复运动，简化了传动方式，减少了26%传动能量损失，利用天平式平衡方式改善了平衡效果。
渐开线抽油机是新一代节能抽油机，较异相曲柄抽油机节能效果有大幅度提高，从净扭矩曲线的变化规律可以看出，渐开线节能抽油机曲柄轴净扭矩曲线变化平缓，消除了负扭矩。在相同参数条件下，该机减速箱额定扭矩比常规游梁式抽油机下降30%以上，装机功率下降50%左右，具有显著的节电效果，是抽油机的发展方向。
2. 非节能抽油机改造
下偏杠铃游梁复合平衡抽油机结构下偏是指杠铃的质量中心与过游梁的回转中心的连线与游梁中心水平线下偏一个角度。下偏杠铃装置在四连杆机构工作时，下偏杠铃质心的运动轨迹是绕中座中心的一段圆弧，其奥妙之处在于圆弧半径不变，但其重力臂值则在不断地变化。当悬点处于下死点时，下偏杠铃恰好摆在过中座中心的水平线上，平衡力臂值最大，摆角越大，其平衡力臂值变化越大，平衡力矩变化也越大。游梁复合平衡抽油机的游梁摆角越大，则变矩范围越大，其大变矩减少了连杆大传动角时抽油机性能恶化的程度。较好地实现改善平衡效果和节能的目的。
下偏杠铃抽油机的净扭矩曲线比常规抽油机更平缓，这就避免了抽油机在极端载荷下工作，使得降低抽油机的装机功率、提高电机负荷率成为可能，而电机的效率随着负荷率的提高而增大。
3. 节能型驱动设备
这种方法是从研究电机的特性入手，研究开发新型的电动机，使之与采油井井况相匹配，进而达到提高电动机的效率和功率因数的目的，即采用高转差率电动机(转差率8%- 13% ) 和超高转差率电动机代替常规转差率电动机(转差率小于5% )。美国Baldor电器公司生产的高转差率电动机驱动抽油机可提高功率因数74，节电22. 7%；在国内，超高转差率电动机有功节电率为10. 56% ，综合节电率为17. 42%。通过对在用的高转差率电机转矩进行动态调整，解决了在不更换现有设备的情况下小马拉大车的情况，优化了设备运行状况。又如永磁同步同步电机，是一种油田所用的新型抽油机电机，其效率和功率因素都优于一般异步电机。电机本身是硬特性，运行中无转差。如TYC250M-6，功率37kW ，功率因素0. 983，额定电流60. 6A ，堵转电流12. 7倍，堵转力矩3. 69倍；还有双定子电机，电磁调速电机等专用电机。
4. 节能配电箱
定子绕组Y-△转换调压：电机正常运行时，定子绕组为△接法，起动时为Y 接法。起动时绕组电压为电网额定线电压的1/√3 ，起动电压降低，待接近额定转速时，定子绕组转换为△接法，控制简单。电容器动态无功补偿及静态无功补偿：无功补偿的基本原理是把容性负荷与感性负荷并联在同一个系统中，能量在两者之间互相转换。这样，感性负荷所需的无功功率可由容性负荷提供，功率因数也提高了，既减小了无功损耗，还可以提高设备的有功功力、降低功率损耗和电能损失。根据以上的想法，如果在高压电动机起动时并联适当电容值的电容器，同样可以补偿起动时的无功功率，减小起动电压降。其工作原理是：在启动高压电动机时，同时将电容器投入，经过适当的时间，迅速退出电容器组。整个过程可理解为无功功率的就地补偿，只是时间很短。电容补偿起动的优点在于起动时，电动机的端电压不降低同样可以减少起动电流，并且不减少起动转矩，缩小起动时间。
可控硅调压(软起动) ：一般称之为电机的软起动，通过采用晶闸管调压电路来控制电压的大小。虽然采用双向晶闸管实现了定子电压随负载变化的连续调节，节电效果较好。
液态电阻软起动：在起动过程中，将可变电阻串入定子，实现限流，在起动完成后将它短接。电阻的可变性是靠改变电解液电阻箱的极板距离实现的。电解液电阻箱串入定子的方法在本质上属于降压起动，它是以牺牲起动力矩为代价的。电阻值随着电机转速的升高而均匀减少，借以不断增加起动力矩，并为短接时不产生电流冲击准备条件。在定子回路中串入电液变阻起动器的三相电阻，其中Q F1 为主机运行断路器，Q S 为隔离开关，Q F2 为星点短接断路器， RS 为电液变阻起动器。电液变阻器由三个相互绝缘的电液箱构成，内部分别盛有电液及一组相对应的导电极板，导电极板为一动一定，动极板组通过传动机构及伺服控制系统控制运行。起动开始后，根据电动机起动电流的大小可自动地调整液阻值，使整个起动过程控制在较小起动电流下均匀升速，而液阻无级切除，从而实现电动机的软起动。优点成本低，易于维护，工作环境要求不高。
5. 节能电控装置
继电接触器调压节能：抽油机起动时都是带载起动，惯性矩较大，且总在上下死点处起动，油田在选配电机时为了启动顺利，不影响生产，一般按最大扭矩选配电机，而抽油机起动后正常工作时平均转矩与最大扭矩相比又较低，所以电机输人功率仅有额定功率的三分之一，这是造成抽油机整体系统效率低的主要原因。在抽油机电机安装继电接触器，通过定子绕组进行切换，可以实现有级的降压节能。安装继电接触器后，普通系列异步电动机的定子绕组接法为三角形，抽油机要求启动转矩大，启动时定子绕组接成三角形抽油机正常工作时，将每相绕组分成两部分，接成三角形- 星形混和绕组，降低相电压及输人功率，就达到了节能的目的。
变频调速器节能：由于我国油田多为低孔、低渗以及低压的低渗透油藏，部分油井的地下渗透能力小于抽油机的泵排量，为提高抽吸效率降低单位产量的能耗指标，最直接的办法是对油井实施间开制度。但是，实施间开制度一般会影响产油量，很难得到大规模实施。抽油泵是一种柱塞泵，对电动机来讲是一种恒转矩性的负载，即电动机的电功率与其转速成正比，可以通过改变抽油机的电动机转速，使抽油泵的排量与油井的渗透能力相适应。通过在抽油机安装变频调速器，可以根据油井的出液量，自动调节电动机转速来调整功率，来达到节能的目的。
采用间抽控制器：低渗透油田由于地层渗流能力差，低产低效油井比例比较高，而抽油机是按照油井最大化的抽取量来进行选择的，会形成很低的泵效，也会浪费大量的电能。如果将泵效较低的油井调低降低工作参数后，泵效仍然较低，就可以对这类油井实行间开制度。抽油机装配间抽控制器后，当油井出液量不足或发生空抽时，它就会自动关闭抽油机，等待井下液量的蓄积，当液面超过一定深度时，再自动开启抽油机，这样就提高了抽油机的工作效率，避免了大量的电能浪费。装备间抽控制器的优点是，在用人工控制和定时自动控制间抽时，由于防止油井产量下降，就会发生实际抽油时间比必要的抽油时间长的情形，因而不能完全避免空抽而装配间抽控制器后，可以通过传感器信号实现闭环控制的智能间抽控制器( IPOC) ，在检测到空抽时立即关闭抽油机，避免了空抽的发生，通过对抽油时间进行精确控制大大减少了电能消耗，平均节约电能可达20% 以上。
6. 日常管理措施
换小机型：在两种情况下应该换小机型：①地面参数已调到最小，示功图仍然显示供液不足的井，通过换小机型，下调地面参数，保证供采协调；②示功图并未显示供液不足，但载荷利用率和扭矩利用率明显偏低的井，通过换小机型，降低地面设备在系统功耗中的比例，以提高系统效率、降低吨液耗电为目的。
换小泵径：在现用机型的载荷利用率较高，也就是在目前条件下，机型已经最小，地面参数在现有设备条件下已调到最小，而泵效低于30 %或示功图显示供液不足的井，需要换小泵径。
调小地面参数：在示功图显示油井供液不足的情况下，可以调小地面参数。调小参数的目的，目前有以下两点：①降低理论排量，提高泵效、系统效率等采油工程经济技术指标，降低能耗；②通过调小地面参数，提高深井泵的沉没度，减轻低沉没度对管杆偏磨的影响程度。
实行间抽制度：实行间抽制度，可达到单井节电60%以上，而产量、含水数据变化不大。
国内发展和应用现状
我国的油田不像中东的油田那样有很强的自喷能力，多为低渗透的低能、低产油田，大部分油田要靠注水压油入井，再用抽油机把油从地层中提升上来。以水换油或者以电换油是我国油田的现状，因而，电费在我国的石油开采成本中占了相当大的比例，所以，石油行业十分重视节约电能。随着节能工作的深入，目前已有近30%的油井使用了节能设备，如各种节能型抽油机、节能型电机以及节能配电箱。这样，在保证生产的前提下，既合理使用了能源，又最大限度地节约了能源，取得了很好的经济效益。目前，我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在3500 MW，每年耗电量逾百亿千瓦时。抽油机的运行效率特别低，在我国平均效率为25.96%，而国外平均水平为30.05%，年节能潜力可达几十亿千瓦时。
国外发展和应用现状
目前国外抽油机总的发展趋势是：超大载荷、长冲程、低冲次；精确平衡；自动化、智能化；节能；高适应性；无游梁长冲程；大型化。游梁式抽油机经过多年的发展，产品的系列化、标准化和通用化程度日益提高；各种节能机型得到了普遍推广；抽油机自动化控制系统也被广泛使用；多种型式的无游梁长冲程抽油机的发展已日趋完善。
（１）为适应各种地理条件、原油种类、油井类型、边缘区域等抽油的需要，研制与应用了液压缸式抽油机、低冲次长冲程抽油机、紧凑型抽油机、增大冲程无游梁抽油机、增大冲程游梁抽油机、双井平衡抽油机、双驴头抽油机、斜井及丛式井抽油机、螺杆泵采油系统、低矮型抽油机、移动式车装抽油机等。如美国Hydraulic Rod Pump Int公司在低矮型抽油机上安装油管旋转器，使抽油机可安装在海洋平台、市区和丛式井等在高度和空间受限的地方。
（２）为了节能降耗，国外研制了多种节能抽油机，主要有异相曲柄平衡抽油机，如美国CMI公司研究开发的TORQMASTER型，最大扭矩减少60％，功率减少15％一35％；前置式抽油机，如美国ＬｕＫｉｎ公司生产的ＭａｒｋＩＩ型，平均节电３６．８％，美国Baldor电器公司生产的高转差率电动机驱动抽油机，节电22.4％；美国Lowjaek低矮型抽油机节电20％；此处还有前置式气平衡抽油机；大圈抽油机；旋转驴头式长冲程抽油机等。
（３）国外研制的无游梁长冲程抽油机主要有法国Mape公司生产的液压驱动塔架长冲程抽油机，最大冲程10ｍ；加拿大Foremost Co公司的HEP液压抽油机；法埃尔夫一阿奎坦石油公司研制的液压马达滚筒式长冲程抽油机；美国National Supply Co研制的Liffttrenie链条抽油机，最大冲程28ｍ；美国NSCO公司生产的滚筒链条长冲程抽油机；美国Rota—Flex公司生产的宽带传动长冲程抽油机等。
（４）国外目前正在发展气动抽油机，如美国Maranatha Industries公司研制的Pneulifl气动抽油机，它不需外部能源，利用套管气作为动力源，就可平稳地举升原油，用于富含气油井中可显著降低采油成本，该型抽油机驱动功率减少30％。
（５）国外正大力发展大型化抽油机，如美国生产的前置式气平衡抽油机最大载荷213ｋＮ；气囊平衡抽油机最大载荷227ｋＮ。长冲程抽油机，如美国WGCO公司的抽油机，其最大冲程27048ｍ。
供应商信息
美国CMI公司
美国Lufilin公司
华北油田采油一厂
美国Baldor电器公司
BAKER提升系统公司
DELTA-X公司
APS公司
NSCO公司
法国Mape公司
WGCO公司
经典案例
3抽油机节能的实施
为降低抽油机的能耗，长庆油田加大投入，对抽油机改进，不断引进抽油机节能的新技术、新工艺，并结合管理节能的新举措，主要工作有：
3．1通过改造与引进实施抽油机节能抽油机节能改造包括使用节能型抽油机和抽油机节能电控装置两个方面，对此两大技术的研究至今方兴未艾，根据资料统计，这些改进机型的节电率可以达到20％以上。
①采用节能型抽油机。节能型抽油机主要包括异相曲柄平衡抽油机、前置式抽油机、双驴头抽油机、直线电机式抽油机和渐开线抽油机等。这些新型节能型抽油机是在常规型游梁式抽油机的基础上发展的新一代抽油设备，不仅保持了常规机的优点，同时还具有低冲次、节能、系统效率高等优点。其中，渐开线抽油机是新一代节能抽油机，不但节能效果有大幅度提高，而且曲柄轴净扭矩曲线变化平缓，消除了负扭矩，在相同参数条件下，该机减速箱额定扭矩
下降30％以上，装机功率下降50％左右，具有显著的节电效果，是抽油机的发展方向。目前，长庆油田公司在新开发的西峰油田引进节能型抽油机共计1172台，占抽油机总数的95．9％，年节约电费1100万元以上。
②采用继电接触器调压节能。抽油机起动时都是带载起动，惯性矩较大，且总在上下死点处起动，油田在选配电机时为了起动顺利，不影响生产，一般按最大扭矩选配电机，而抽油机起动后正常工作时平均转矩与最大扭矩相比又较低，所以电机输入功率仅有额定功率的三分之一，这是造成“大马拉小车”的主要原因。用继电接触器对抽油机电机定子绕组进行切换，将每相绕组分成两部分，接成三角形一星形混和绕组，降低了相电压及输入功率，达到了节能的目的。
3．2应用机采系统效率优化技术降低单耗。长庆油田在投产前，根据采油井抽汲液量的大小，选用相匹配的抽油机，避免了空抽，并通过系统优化软件对杆管柱组合进行优化，也起到了提高抽油机节能的效果。
3．3针对长庆油田低渗透油藏的低产低效井比例较多，而开采过程中抽油机耗电量大的实际情况，长庆油田技术人员积极开展科技攻关，通过对泵效低于35％的采油井，对冲程冲次进行了合理化调整；并对产量小于2t，泵效低于15％以及间歇油井，摸索出油规律，分别实施16／8、12／12、8／16等不同小时数的间开制度。通过对低产低效井的工作制度的调整，不但提高了泵效，同时也降低了抽油机的能耗。长庆油田加大节能新技术、新工艺的推广、应用，并结合富有成效的管理节能、技术节能的新思路和新举措，对抽油机进行了节能改造，在石油产量快速发展的同时，在抽油机节能实旋中取得了良好的效果。
参考文献
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