1　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(yè)不同的地質(zhì)、地理條件，經(jīng)研發(fā)人員實地考察，在綜合分析各種物質(zhì)、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(jié)構、工藝性分析上各有優(yōu)缺點，但根據(jù)不同的條件，現(xiàn)在這些設備在現(xiàn)場還都在廣泛地應用。特別是游梁式磕頭機，雖然已有上百年的歷史，但絕大多數(shù)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(nèi)，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(jié)能減排措施的不斷推廣，在節(jié)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。

2　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(shù)量與規(guī)模上都占絕大多數(shù)。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(diào)試簡單，使用可靠、應用靈活而被大多數(shù)的采油廠使用，如圖1所示為野外使用的抽油機 。

圖1　油梁式磕頭機
　　這種設備是采用杠桿的原理，由電機帶動減速器周期性的旋轉(zhuǎn)，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(tǒng)。
　　該設備由于都安裝于地面，安裝、調(diào)試都比較方便，應用也比較廣泛。但是在地質(zhì)情況比較復雜的場合，如油質(zhì)稠、含沙、結(jié)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(xiàn)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(diào)節(jié)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1km以上，抽油機啟動時力矩比較大，所需要的轉(zhuǎn)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(xiàn)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(tài)，降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)及電機的效率，增加了無功損耗，使整個系統(tǒng)效率低下，耗能嚴重，出現(xiàn)嚴重的能源浪費現(xiàn)象。
　　根據(jù)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(zhuǎn)差率電機、變頻調(diào)速電機等節(jié)能型措施。這些方法都改進了生產(chǎn)工藝，對節(jié)能生產(chǎn)都起到了一定的推動作用。
2.1　永磁同步電機
(1)結(jié)構及原理
　　永磁同步電機與異步電機結(jié)構基本相似，只是在轉(zhuǎn)子鼠籠條內(nèi)嵌入稀土永磁鋼，改變了原來靠定子邊勵磁為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子邊的銅損、鐵損亦大量減少，大幅提高了功率因數(shù)與效率，降低了電機的溫升與配電設備的容量。
(2)節(jié)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(jié)電率在15%～25%之間。
(3)結(jié)論
　　采用永磁同步電機，主要優(yōu)點是降低了單耗，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，從而節(jié)約了電能。還可挖掘電網(wǎng)的潛在容量，減緩用電負荷的增長，相應地增加了電網(wǎng)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(chǎn)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(tài)而燒毀。再者就是永磁電機維修比較麻煩，不象三相異步電機那樣維修簡單，方便使用。轉(zhuǎn)子褪磁后，需要更換轉(zhuǎn)子中的永磁材料。
2.2　超高轉(zhuǎn)差率電機
(1)結(jié)構及原理
　　由超高轉(zhuǎn)差率電機和節(jié)能控制箱組成，專門設計制造用于游梁式抽油機。超高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩;節(jié)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(jié)能分析
　　這類電機的抽油機拖動系統(tǒng)最主要的特點是能提高抽油機的系統(tǒng)效率，降低電耗，根據(jù)油井的供液量簡便地完成調(diào)節(jié)沖次工作，減少停機時間，減少設備維修和油井的維護作業(yè)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(diào)節(jié)沖次等都具有普通抽油機無可替代的效果。
　　根據(jù)多次試驗結(jié)果，由于超高轉(zhuǎn)差率電機匹配合理，功率因數(shù)可提高到50%～80%，無功功率降低60%以上，降低電網(wǎng)電流及線路損耗50%以上，還可消除普通抽油機存在的發(fā)電狀態(tài)等。
但這類電機最大的困難是需要改變普通電機的轉(zhuǎn)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。
2.3　變頻調(diào)速電機
　　近年來隨著電力電子技術和微電子技術發(fā)展起來的變頻調(diào)速裝置，由原來的用于風機、水泵的節(jié)能控制，現(xiàn)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(xiàn)了軟啟動、軟停機。對電網(wǎng)無沖擊。變頻調(diào)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(diào)節(jié)運行頻率來無級地調(diào)節(jié)抽油機的轉(zhuǎn)速，進而平滑方便地調(diào)節(jié)沖次，使系統(tǒng)始終保持抽汲平衡，增加泵效，工作于最佳狀態(tài)。
(3)可提高功率因數(shù)達0.95以上，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負擔，節(jié)能達30%以上。
(4)不用改變電機，采用普通電機即可實現(xiàn)調(diào)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(fā)電過程的再生能量。再者變頻器的諧波對電網(wǎng)有影響，也會使電機的附加損耗增大。

3　潛油電泵
　　在某些供液足，井況比較好的油田區(qū)域，多采用潛油電泵這種采油設備，來加速采油過程，保證穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。
　　該系統(tǒng)由地面控制柜和井下電泵組成。由于油井都比較深，大約在1000—3000m，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(huán)散熱，控制柜必須設置欠載保護，以保證在井內(nèi)供液不足時停止運轉(zhuǎn)，不讓電泵干轉(zhuǎn)而燒毀?；緫萌鐖D2所示。

圖2　潛油電泵控制圖
　　潛油電泵是安放在井下1000—3000m的電泵設備，工作環(huán)境非常惡劣(高溫、強腐蝕)。而傳統(tǒng)的供電方式—全壓、工頻更使它故障頻繁，運行成本較高。
3.1　主要表現(xiàn)
(1) 工頻全速運轉(zhuǎn)，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(chǎn)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(jīng)與科研單位探討，認為變頻器具有軟啟動和調(diào)速方便的優(yōu)點。
3.2　變頻器應用的優(yōu)點
(1)低頻、低壓的軟啟動，使電網(wǎng)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(jù)井況隨時調(diào)節(jié)電泵轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)始終運行在較好的工作狀態(tài)。節(jié)能效果較好，在10～20%左右。
(3) 電泵工作電壓基本不受電網(wǎng)波動的影響，電機運行平穩(wěn)，無脈動現(xiàn)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(shù)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，保護電泵及控制柜免受電網(wǎng)及負載的沖擊的影響。
　　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(chǎn)的這類變頻器還比較少，現(xiàn)運行比較可靠、穩(wěn)定的是山東新風光電子有限公司生產(chǎn)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。

4　螺桿泵
　　在高粘度、高含砂量的區(qū)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(chǎn)井原油的需要，并以其工藝簡單、管理方便、低生產(chǎn)成本、高舉升性能的特點得到了廣泛應用。
　　截至2005年，全國各油田不完全統(tǒng)計共有螺桿泵采油系統(tǒng)的生產(chǎn)油井約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(fā)現(xiàn)，螺桿泵采油井抽油桿斷脫、油管漏失、結(jié)蠟嚴重、螺桿泵定子脫落、磨損嚴重等故障。其工況特征表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩、軸向力、電流、沉沒度、油壓、套壓、液量等參數(shù)的變化上。
　　為最大限度的增產(chǎn)、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(diào)速控制，對螺桿泵進行科學合理調(diào)參，達到增產(chǎn)節(jié)能，提高系統(tǒng)效率的目的，充分發(fā)揮螺桿泵的潛力。
4.1　變頻調(diào)速自動控制系統(tǒng)
　　變頻控制系統(tǒng)包括變頻器、主控電路和輔助電路，如圖3所示。

圖3　帶工變頻切換的自動控制系統(tǒng)

　　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(jù)螺桿泵井的生產(chǎn)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(tài)。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(diào)速系統(tǒng)為一閉環(huán)控制系統(tǒng)，工作原理為轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸向力傳感器實時測量抽油桿的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、軸向力工作參數(shù)，并實時將這些信息傳送給單片機，根據(jù)這些信息的計算分析結(jié)果與程序中事先設定的各臨界參數(shù)進行分析、比較、判斷，并由單片機向信號輸出單元發(fā)出指令，操縱變頻器，使其按照要求改變電機運轉(zhuǎn)頻率，使電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，帶動螺桿泵在不同的轉(zhuǎn)速下工作，使整個系統(tǒng)在安全的前提下，實現(xiàn)提液增產(chǎn)、節(jié)能降耗，提高設備的利用率。系統(tǒng)構成如圖4示。

圖4　螺桿泵的變頻調(diào)速系統(tǒng)

圖5　野外使用的直線電機抽油機

4.2　改造后的效果
(1)螺桿泵變頻調(diào)速采油工藝技術不但實現(xiàn)了變頻調(diào)速自動控制，而且能準確的測出螺桿泵的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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(fā)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(yōu)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。

5　直線電機抽油機
　　直線電機是上世紀30年代發(fā)展起來的一門新興電機技術。在國外發(fā)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90年代。因其優(yōu)異的驅(qū)動性能而備受各界關注。直線電機取代旋轉(zhuǎn)電機，系統(tǒng)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(yè)的普遍關注。近幾年，法國、美國等國家以及國內(nèi)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。
5.1　直線電機的工作原理
　　直線電機的原理與旋轉(zhuǎn)電機的原理基本相似?？梢哉J為直線電機是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構方面的一種演變。將一臺旋轉(zhuǎn)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。由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。
5.2　應用
　　直線電機驅(qū)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(xiàn)長沖程、高出力。
　　直線電機由于省去了中間環(huán)節(jié)，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，山東新風光研制的直線電機專用變頻器已經(jīng)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5所示是直線電機野外使用的情況。
5.3　特點
(1)由于直線電機取消了中間傳動裝置，在提高系統(tǒng)總效率和節(jié)能方面具有很大的優(yōu)勢;
(2)直線電機用于采油設備，結(jié)構簡單，節(jié)能效果好，系統(tǒng)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(huán)境;
(3)應用直線電機驅(qū)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(huán)節(jié)。
(4)隨著研究的深入，直線電機節(jié)能、高效的優(yōu)勢將會不斷顯現(xiàn)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?？春玫?，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(yè)乃至于電機行業(yè)的又一次新技術革命。

6　結(jié)束語
　　任何一種設備的更新?lián)Q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(fā)展也不例外。雖然經(jīng)過了幾代的發(fā)展，但每一套設備都各有優(yōu)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(xiàn)更多、更新的設備投放于采油設備上，使生產(chǎn)力得到更大的發(fā)展，采油水平更上一個臺階，必將朝著更環(huán)保、更節(jié)能、更趨于合理化的方向發(fā)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(nèi)長期共存，但發(fā)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。