陈昌龙，李东海

（吐哈油田公司a.吐鲁番采油厂；b.机械厂，新疆鄯善 838202）＊

目前，国内油田处于开发中后期，油田含水不断增加，造成原油的开采能耗增加。另外，新疆油田、胜利油田和辽河油田普遍存在井深和稠油的问题，使开采难度增加，要求采油设备能满足深抽、大排量提液、冲次调节范围宽、节能以及间抽等工艺要求，现有的游梁式抽油机不能完全满足该要求。为满足油田中后期开发的需要，已研制出多种立式抽油机。本文以4种典型的立式抽油机为例，分析了其结构和性能及在新疆3个油田的使用情况。

1 立式抽油机技术综述

立式抽油机为塔架式结构，占地面积小，高度高。目前使用较多的立式抽油机主要以链条抽油机、ROTAFLEX 长冲程宽带抽油机、直线电机式抽油机机、摩擦换向式抽油机4种为主。其余的立式抽油机均是这几种抽油机的改进型。

1.1 链条抽油机

胜利油田从1966年就开始了LCJ1250型链条抽油机的研究工作，至今已在胜利、辽河等油田推广应用1800多台，是国内除游梁式抽油机外在用数量较多的主力机型［1］。在东部油田中的高含水期开采和稠油开采井中发挥了重要作用，有效地解决了稠油、高凝油开采和低渗透油藏深抽的技术难题。

早期链条抽油机是采用轨迹链条换向机构把动力机的旋转运动变成往复运动。采用气动平衡系统，在下冲程中压缩平衡气缸内的气体来储存能量，上冲程中气体膨胀推动柱塞帮助抽油。其结构如图1［2］。

图1 LCJ型链条抽油机结构（气平衡）

链条抽油机的结构比游梁式抽油机的复杂，现场维护工作难度较大。随着该机应用范围的不断扩大，存在的问题也日益突出。

1）换向机构受力不合理，往返架存在垂直于轨迹链条传动平面的侧弯力矩。

2）气动平衡系统故障率较高，润滑油泄漏和砂粒易拉伤柱塞，造成平衡气缸早期损坏。

3）钢丝绳使用寿命短，钢丝绳使用寿命平均只有3～6个月。

20世纪90年代，胜利、辽河等油田针对气平衡链条抽油机存在的问题进行了一系列的技术改造，例如气平衡改为配重平衡，调整、加固导轨和导向滚轮和改进失载保护装置等，使链条抽油机的可靠性得到明显的提高。对新式链条抽油机的结构进行了优化，使结构的可靠性、现场使用的方便性得到明显提高。改进后的链条抽油机结构如图2。

图2 改进的链条抽油机结构

1.2 ROTAFLEX长冲程宽带抽油机

ROTAFLEX 长冲程宽带抽油机由美国WEATERFORD 公司在链条式抽油机的基础上研制而成，采用链条＋宽皮带传动，配重对称平衡。抽油机系统效率达到81.2%，比常规游梁式抽油机节能25%。胜利高原公司引进了该技术，并结合其他类型抽油机的设计经验进行了优化，取得较广泛的应用。胜利、大港、辽河等油田有5000多台皮带抽油机在现场应用。

宽带式抽油机为塔架结构，塔架内垂直布置链传动机构，轨迹链条挂在上下链轮上，在下链轮的驱动下作长环形运动，结构如图3。曲拐轴的头部实际上充当着轨迹链条的一个特殊链节，当曲拐轴随轨迹链条的直线部分上行时，曲拐轴带动滚轮架，滚轮架带动换向架沿着抽油机塔梁H 钢内壁作上下往复运动。这样就把链轮的圆周运动变成往返架的直线运动。塔架的顶部有一个滚筒，上面搭着承载皮带，该皮带的一端与平衡箱、往返架总成连接；另一端连接悬绳器，滚筒相当于一个定滑轮，这样就把往返架的直线往返运动变成了悬绳器的直线往返运动。

图3 宽带抽油机换向系统结构

宽带式抽油机与链条抽油机都采用链条传动＋特殊链节换向机构，换向系统原理实际上完全相同，即都是曲柄滑块机构，如图4。只是在特殊链节、主轴销、换向架、滚轮架部件的具体结构上各不相同。

图4 链条抽油机曲柄滑块换向机构原理

1.3 摩擦换向式抽油机

摩擦换向式抽油机结构如图5。其工作原理是：以交流变频电机＋交流变频控制为动力源，经过齿轮减速器减速后驱动摩擦轮，摩擦轮上布置有驱动悬绳，一端通过悬绳器与光杆连接，另一端与配重箱连接，在摩擦力作用下摩擦轮克服悬绳两端载荷差扭矩，带动悬绳往返运动，实现抽油机的上下运动。

图5 摩擦式抽油机结构

控制变频电机的正反转和转速，实现冲次的控制和调节。通过改变上下接近开关的位置，就可调节抽油机冲程。通过增减配重箱质量，实现平衡调节，如图6［3］。

图6 摩擦式抽油机原理

摩擦式抽油机传动链短，功率损失小，系统效率80%，节能；调参（冲程、冲次）方便；电气控制系统稳定可靠。已经在大庆、辽河、胜利、新疆等油田推广近1000台。

1.4 直线电机抽油机

直线电机抽油机采用直线电机作为驱动源，直线电机动子在通入变频控制器输出的低频电流后，沿导轨上下往复运动，并通过钢丝绳宽带经过承载桁架的顶部转向轮后直接与抽油杆连接，并带动抽油杆达到往复抽吸目的。结构如图7。

图7 直线电机式抽油机结构

直线电机抽油机的关键技术是解决了直线电机大推力的难题，抽油机悬点载荷80～200kN，冲程3～8m，电机推力20～60kN。

直线电机将电能直接转换成直线运动的机械能，取消中间转换机构，提高了传动效率。经现场检测，该抽油机功率因数高达0.996。但抽油机造价极高，仅在塔里木油田少量应用。

1.5 其他立式抽油机

在上述4种主流立式抽油机的基础上，通过变换换向、驱动方式又产生多种变形机。例如双链条抽油机（如图8）、长环形齿条抽油机、复式永磁电动机抽油机，塔架式抽油机、数控绞盘式抽油机、曳引式抽油机等。

图8 双链条式抽油机结构

2 立式抽油机对比分析

现有立式抽油机主要在换向方式、平衡方式、电机类型、驱动方式上进行一系列的变形和优化，造成各种类型的立式抽油机在传动效率、悬点特性上有所不同，以下将从这几个方面进行对比分析。

2.1 换向方式及机构

现有立式抽油机的换向方式主要有机械换向、电机换向以及液压换向3种。

2.1.1 机械换向

机械换向主要是以链传动＋特殊链节换向方式为主。其中，链条抽油机机、胜利高原公司的宽皮带抽油机采用单链传动机构（如图2～3）；吉林油田机械厂、新疆油田总机厂、新疆第三机床厂链条机采用双链条传动（如图8）。此外，还有胜利盛运公司研制的长环形齿条抽油机，采用环形齿轮齿条机构代替链传动机构。

双链条传动路线是：电机与联轴器带动2个减速器输入轴同步运转，2个减速器输出轴通过安装在上面的链轮分别带动两侧传动链条运动，通过跨接在两传动链上特殊链节中心轴带动换向架驱动配重箱与悬绳上下运动。平衡箱牵引系统由单链条机的悬臂梁结构改为简支梁结构，改善了传动系统核心部件——换向架主轴与特殊链节的受力状况，延长其使用寿命。平衡箱运行过程的平稳性也得到很大程度的提高。

2.1.2 电机换向及电机类型

电机换向有旋转电机正反转和直线电机2种。采用旋转电机正反转换向取代机械换向，简化了机械传动结构。电机可以是普通Y 系列异步电机、永磁电机、变频电机及开关磁阻电机。抽油机专用变频器的性能和可靠性有了很大的提高，价格显著降低，推动了电机换向立式抽油机的发展。开关磁阻电机（SRD）及其控制技术在大功率电机上性能日益完善，推动摩擦式抽油机的研制。复式永磁电动机是新型双盘面电机与外转子电动机复合的三维永磁电机，结合了变极变频、永磁材料、盘面电动机、外转子电动机各方面的优势，具有大扭矩、低速、效率高、功率因数高、噪音小、寿命长等良好性能。贵州林泉公司研制的复式永磁电机抽油机得到成功的应用，但电机及控制系统的制造成本较高。

2.2 平衡方式

立式抽油机的平衡方式主要有气动平衡、配重重力平衡。采用配重平衡其平衡效果好、调平衡也方便，是目前主要的平衡方式。

2.3 驱动方式

立式抽油机的驱动轮主要有摩擦轮驱动、滚筒驱动、天轮传动3种，配合的柔性件有钢丝绳、宽皮带、钢丝绳宽带等。因此，驱动轮和柔性件可以组成不同的驱动方式。

摩擦式抽油机采用摩擦轮＋钢丝绳（或宽皮带）驱动，复式永磁电机式抽油机将电机和摩擦轮做成一体，也是摩擦轮＋宽皮带驱动；北京成群公司的塔架式抽油机采取滚筒＋钢丝绳驱动方式、链条抽油机采用天轮＋钢丝绳驱动方式；胜利高原公司的宽皮带抽油机采用天轮＋宽皮带驱动方式、直线电机抽油机采用天轮＋钢丝绳宽带驱动方式；胜利顺天公司的数控绞盘抽油机采取组合驱动方式，摩擦轮＋宽皮带作为主驱动方式，滚筒＋钢丝绳作为防皮带滑动和失载的辅助驱动方式；河南濮阳信宇公司研制的曳引式抽油机采用钢丝绳、滚筒驱动，滚筒上增加曳引槽增加摩擦力。

2.4 悬点特性对比

常规抽油机、链条（宽皮带）抽油机、直线电机抽油机以及摩擦换向式抽油机的悬点速度、加速度曲线分别如图9～11［4］。

图9 常规游梁式抽油机和直线电机抽油机悬点速度曲线

图10 链条（宽皮带）抽油机悬点速度、加速度曲线

图11 摩擦换向式抽油机悬点位移、速度、加速度曲线

由图9～11可以得出：立式抽油机悬点速度、加速度明显平缓，具有换向区域接近匀加速、上行和下行中匀速的特点，明显降低抽油机运转尤其是换向过程的惯性载荷，减少惯性载荷对抽油机、杆、泵的不良影响［4］。

3 立式抽油机在新疆各油田的应用对比

新疆油田下属的采油一厂、二厂、百口泉、彩南、风城、陆梁、石西、准东各采油厂从1990年陆续开始各种立式抽油机的矿场试验，摩擦式抽油机、宽皮带抽油机2种立式抽油机取得较好的应用效果。2010年起，新疆油田正式在油田内部成区域进行这2种立式抽油机的批量推广应用。

在塔里木油田，主要开展摩擦式抽油机、直线电机抽油机2种立式抽油机的推广应用。2008年，20型直线电机抽油机创下了当时抽油机采油下泵深度4600m的记录。

2004—2006年，吐哈油田进行了8台摩擦式抽油机的试验，其中吐鲁番采油厂4台CYJMZ16－7.3－53DB型，鄯善、温米采油厂各2台CYJMZ14－7.3－53DB型。因油井产量低，目前5台停用；因电气故障维修服务跟不上无法修复、大修作业需要整机拆除的问题，其余3台已经拆除。经过现场验证，摩擦式抽油机节能50%以上，电机的功率因数达到0.75以上，甚至达到1.0，机械部分、变频控制部分的可靠性较高，能够满足吐哈油田恶劣环境的要求。

2011年，吐哈油田在鲁克沁采油厂的超深井稠油开采上试验了宇隆公司制造的16型W 曳引式抽油机和河南长江公司的WCYJK16－8－53Z型塔架抽油机。经过近1a的矿场试验，节能显著，抽油机抽汲参数能够满足吐哈稠油开采的要求，但可靠性较低。

4种立式抽油机在新疆各油田使用情况及对比如表1～2。由表2知，立式抽油机具有2个优点：传动效率高，达到80%以上；节能显著，最高达到50%。

表1 立式抽油机在新疆各油田使用情况

表2 4种立式抽油机应用对比

4 结论

1）立式抽油机较游梁式抽油机具有节能、材料消耗低、运行平稳、冲程大、调参方便、智能控制的优点，随着抽油机变频控制技术的不断完善，必然会有更大的发展前景。

2）链条抽油机、宽皮带抽油机、摩擦式抽油机经过现场十几年、甚至几十年的推广应用，并经过不断的改进完善，目前已经具备了在新疆各油田区块推广的条件，对解决稠油开采，实现超深井、长冲程、低冲次抽汲参数具有很重要的意义。

3）复式永磁电机抽油机、直线电机抽油机在技术上还不完善，制造成本还较高，仍然需要更长时间的现场验证和完善。

［1］李新华.浅谈链条抽油机的应用与改进［J］.钻采工艺，1998，21（3）：48－50.

［2］SY／T 5442—1992，链条抽油机［S］.

［3］綦耀光，陈军.电机换向滚筒式抽油机的动力性能分析［J］.石油矿场机械，2008，37（3）：62－65.

［4］王全宾，肖文生.直线电机抽油机与游梁式抽油机性能对比［J］.石油矿场机械，2006，35（5）：80－83.