0 引 言

自里查·德里发明抽油机以来，经过120多年的实践和不断的改进创新，其结构形式和使用功能都发生了很大变化^[1]。但体积庞大、系统效率低及能耗高的游梁式抽油机一直占有绝对地位^[2-3]。周封等^[4]在三相异步电动机变频调速原理^[5]的基础上，提出了抽油机变频节能技术；邱淑云^[6]采用LP/CJT系列抽油机节能拖动装置解决了抽油机用普通电动机拖动存在的“大马拉小车”问题。近年来，游梁式抽油机柔性运行节能技术在煤层气开采领域得到了发展^[7]。李伟等^[8]在 1.14 kV 电压系统中，应用高转矩多功率异步电动机及电动机智能控制技术，实现了电动机高效率、经济运行的目的；以追求最小吨油能耗为目标，马卫国和陈祥臻等^[9-10]提出了利用现有生产数据进行参数优化的新方法；冯子明等^[11]基于抽油机变速耦合运行理论建立了数学模型,证明变速运行可以降低电动机功率和电动机扭矩,减小减速箱扭矩和悬点峰值载荷,但当变速运行曲线的初始相位角有偏差时,会影响整个抽油机系统的综合性能,造成无法开机或突然停机；新近获得美国发明专利授权的曲柄无游梁抽油机与传统胶带机相比，平均节电率达71.2％，解决了丛式井举升系统效率低和能耗高等难题。随着深层油藏的开发和绿色油田的推进，深井、大斜度井和丛式井日益增多，对“三抽”设备提出了更高的要求^[12-13]。抽油机在工作时承受带冲击性的周期交变载荷，这一载荷特性要求驱动电动机要有足够的余量，以保证带载启动时能克服抽油机较大的惯性矩，运行时有足够的过载能力，以克服交变载荷的最大扭矩。然而，现场选择的电动机容量过大，载荷匹配不合理，载荷率一般为25%～35%。值得庆贺的是，抽油机用液力偶合器传动箱动力机组^[14]，将调速电动机、偶合器及齿轮减速箱组合为一个动力单元，改善了抽油机性能，降低了抽油机能耗。现场6口井的应用结果表明：抽油机平均日耗电由234 kW·h降至191 kW·h，节电率18.37%。

限矩型液力偶合器是一种应用广泛的通用液力传动元件，置于动力机与工作机之间，用于传递动力。典型的限矩型液力偶合器结构由对称布置的泵轮与涡轮及主轴、外壳等构件组成。输入端(与泵轮固定连接)与输出端(与涡轮固定连接)分别与动力机和工作机相连接。由泵轮和涡轮具有叶片的凹腔所形成的圆环状空腔称为工作腔，供传动介质(工作液体)在其中循环流动，传递动力进行工作。抽油机液力偶合传动装置(见图 1)由电动机直接驱动偶合器，再由偶合器驱动1对锥齿轮，改变输出转向，经2级齿轮减速后，达到所需要的冲次。偶合器将系统由原来的硬连接变为柔性连接。电动机轴与偶合器主轴连接，带动主叶轮旋转，使腔体内的传动油产生动能，驱动被动叶轮旋转，传输功率；被动叶轮与外壳连接，外壳驱动抽油机齿轮减速箱。液力传油在电动机与齿轮减速之间进行软连接方式的功率传递，电动机启动时，偶合器部分充液，电动机启动载荷降低，随着转速的提高，电动机负载率逐步增大，电动机实现柔性启动。偶合器还起到了“液体飞轮”的作用，在隔振减振的同时，可消减由抽油机不平衡引起的发电现象。加装偶合器后，抽油机液力偶合传动装置的电动机可降低1~2个座号，提高了电动机的负载率与功率因数，达到了节能降耗的目的。

图 1 液力偶合传动装置连接图 Fig.1 Hydraulic coupling transmission connection diagram

图选项

传统的游梁式抽油机由电动机与减速箱通过三角胶带组传动，耗能高，且存在安全风险。而液力偶合传动装置采用双速电动机作为动力机，取消了胶带传动，将调速电动机、偶合器及齿轮减速箱组合为一个独立的动力单元，不仅提高了系统传动效率，降低了抽油机能耗，并且调整冲次时不需更换胶带轮，只需调整电动机接线盒组合开关调节电动机转速即可；同时，偶合器使电动机的峰值电压降低，可降低冲击载荷30%～40%，可有效提高系统的可靠性，延长齿轮箱的寿命。日常维护中不需更换胶带，降低了操作人员的劳动强度，也消除了 “胶带伤手”的安全隐患。

自2015年3月开始，抽油机液力偶合器在赵61-42X等6口抽油机井上应用，拖动电动机功率由37 kW降至30 kW，现场监测结果如表 1所示。平均吨液百米有功耗电量从0.653 kW·h降至0.511 kW·h；平均吨液百米无功耗电量从1.128 kW·h降至1.057 kW·h；抽油机平均日耗电由234 kW·h降至191 kW·h，节电率达18.37%。

典型井例：赵61-32X井，ø44 mm泵下深1 498.39 m，冲程4.8 m，冲次4.0 min^-1，拖动电动机功率由37 kW降至30 kW。2015年3月15日应用抽油机液力偶合传动装置后，拖动电动机功率为30 kW，其他工作参数均未发生变化，抽油机最大载荷由65.7 kN降至54.2 kN，降低17.5%，如图 2所示。日耗电从338 kW·h降至297 kW·h，节电率22.45%。

图 2 赵61-32X井应用抽油机液力偶合传动装置前后抽油机示功图 Fig.2 The pumping unit dynamometer of Well Zhao 61-32X before and after the application of hydraulic coupling transmission

图选项

(1) 抽油机液力偶合传动装置改善了抽油机电动机的启动性能，可在任意位置启动，降低了电动机的峰值电流及抽油机电动机的配备功率，达到了节能的目的。

(2) 抽油机液力偶合传动为柔性连接，具有隔振和减振的作用，可改善系统工况，延长抽油机减速箱的使用寿命。

(3) 现场6口油井的应用结果表明：抽油机液力偶合传动使电动机功率由37 kW降至30 kW,平均日耗电由234 kW·h降至191 kW·h，节电率达18.37%。所得结论对老油田抽油机节能改造具有参考价值。