機械調(diào)速裝置在低產(chǎn)抽油機井上的應(yīng)用

福踐慶（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

機械調(diào)速裝置在低產(chǎn)抽油機井上的應(yīng)用

福踐慶（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

摘要：大慶油田生產(chǎn)的抽油機其最小沖速為 4min-1，對于一些嚴重供液不足的抽油機井要想在低于 4min-1的沖速條件下生產(chǎn)，依靠皮帶輪的調(diào)整無法實現(xiàn)。應(yīng)用“機械調(diào)速裝置”來達到降低沖速、實現(xiàn)供排關(guān)系平衡、合理控制能耗的試驗，初步見到了較好的效果。結(jié)合油田實際，從管理角度詳盡論述了“機械調(diào)速裝置”的工作原理、適用條件及使用設(shè)計方法，闡述了機采節(jié)能的實質(zhì)為“減少能源浪費、實現(xiàn)能耗的合理匹配”，為合理使用“機械調(diào)速裝置”提供了必要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：調(diào)速裝置抽油機技術(shù)應(yīng)用 節(jié)能效果

在油田開發(fā)進入強采階段以后，機械舉升是實現(xiàn)強采的主要手段。

抽油機作為機械舉升的主要方式之一，在油田開發(fā)的強采階段得到了廣泛的應(yīng)用。但就國內(nèi)生產(chǎn)的抽油機而言，最小沖速為 3min-1，大慶油田生產(chǎn)的抽油機其最小沖速為 4min-1。因此對于一些嚴重供液不足的抽油機井要想在低于 3min-1的沖速條件下生產(chǎn)，顯然依靠皮帶輪的調(diào)整是無法實現(xiàn)的。大慶油田第二采油廠共有抽油機 5624口，其中沖速小于 4min-1的井有 1231 口。

為了滿足嚴重供液不足的抽油機井在低沖速條件下生產(chǎn)的需要，近年來我們開始嘗試應(yīng)用“機械調(diào)速裝置”來達到降低沖速、實現(xiàn)供排關(guān)系平衡、合理控制能耗的試驗，初步見到了較好的效果。

1　機械調(diào)速裝置的工作原理

機械調(diào)速裝置通俗的講就是減速器或減速機，其工作原理就是利用機械調(diào)速裝置的傳動比來實現(xiàn)調(diào)速。在油田抽油機井上常見的機械調(diào)速裝置有兩大類，即：二次減速輪（減速器）和R系列斜齒輪硬齒面減速機 （減速機）。見圖1。

由于我們是在嚴重供液不足的抽油機井上應(yīng)用機械調(diào)速裝置，故此我們僅討論降低沖速即減速的情況。

機械調(diào)速裝置實現(xiàn)降低沖速的過程是利用機械方法來增加地面抽油機的傳動比。

圖1　機械調(diào)速裝置

1）對于常規(guī)抽油機而言，其沖速設(shè)計的理論依據(jù)為：

式中：

n ——抽油機沖速，min-1；

K——減速器總傳動比；

nd——電動機銘牌轉(zhuǎn)速，r/min；

d——電動機皮帶輪直徑，mm；

D ——減速器大輪直徑，mm。

2）當在常規(guī)抽油機上安裝了機械調(diào)速裝置后，其沖速設(shè)計的理論就變?yōu)椋?/p>

式中： K1——機械調(diào)速裝置的傳動比。

式中：

d1——二次輪小皮帶輪直徑，mm；

D1——二次輪大皮帶輪直徑，mm。

由此可見，二次減速輪（減速器）和R系列斜齒輪硬齒面減速機（減速機）實現(xiàn)其降低沖速的基礎(chǔ)理論是相同的。但其實現(xiàn)方法有別，即：二次減速輪是靠兩不同直徑的皮帶輪形成的傳動比降速，實現(xiàn)過程簡單、成本低廉，但安裝過程相對煩瑣；R系列斜齒輪硬齒面減速機，依靠一組（或多組）齒輪形成的傳動比降速，成本較高，但安裝方便，裝置運行的穩(wěn)定性較好。

2　機械調(diào)速裝置的節(jié)能原理

機械調(diào)速裝置不是節(jié)能設(shè)備，但將其應(yīng)用到供液不足的抽油機井上實現(xiàn)低速運行時確實具有一定的節(jié)能效果。

從能量守恒的角度不難看出，機械調(diào)速裝置之所以具有一定的節(jié)能效果，是因為其降低了抽油機的沖速，如果我們要實現(xiàn)提高沖速來應(yīng)用機械調(diào)速裝置則無疑是多耗能的。

對于供液不足的抽油機井而言，由于受使用機型設(shè)計最小沖速條件的限制，無法滿足供排平衡。此時使用機械調(diào)速裝置來降速運行，就能夠達到供排平衡的目的。分析降低沖速可達到一定節(jié)能效果原因，可將其歸結(jié)為如下兩個方面：

2.1減少無用功，降低慣性負載

利用：A= ∑F ·S ·cos? 其中∑F=M ·a

對于抽油機井而言上行程中懸點最大載荷為：

式中：

Wr——上沖程中作用在懸點上的抽油桿柱載荷，kN；W′l——上沖程中相當于作用在全活塞上的液柱載荷，kN；S——實測光桿沖程，m。

由此可見，當抽油機沖速n減小時由于其能夠滿足抽油機井的供排關(guān)系平衡，因此減少了無用功，同時又將慣性負荷較大幅度的降低了，這是機械減速裝置實現(xiàn)降低能耗的一個方面。

2.2電動機扭矩的放大作用可降低裝機功率

2.2.1常規(guī)抽油機拖動裝置（電動機）的設(shè)計方法

在抽油機拖動裝置的設(shè)計中我們是依據(jù)滿足抽油機曲柄旋轉(zhuǎn)扭矩的要求來設(shè)計電動機的。

1）均方根扭矩的計算方法：

依據(jù)凈扭矩曲線計算其均方根扭矩Te

式中：

Te——均方根扭矩，kN·m；

N——等分區(qū)間數(shù)；

Tni——瞬時扭矩值 。

計算均方根扭矩最大值的經(jīng)驗公式：

式中：

MMax——計算最大扭矩，kN·m；

S——實測光桿沖程，m；

PMax——實測最大懸點載荷，kN；

PMin——實測最小懸點載荷，kN。

經(jīng)驗公式的計算結(jié)果，在示功圖的測試回放結(jié)果中就已經(jīng)計算完成，這為我們直接調(diào)用提供了方便，兩種方法的比對結(jié)果顯示，應(yīng)用經(jīng)驗公式計算的結(jié)果與凈扭矩曲線方法的計算結(jié)果其相對誤差在4%以內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場的需求。

2）電動機扭矩的計算方法：

式中：

M ——電動機扭矩，N·m；

P ——電動機功率，kW；

nd——電動機名牌轉(zhuǎn)速，r/min。

3）抽油機額定 （實際）扭矩折算成所需電動機扭矩的計算方法：

式中：

Md——抽油機額定（實際）扭矩折算成所需

電動機扭矩，N·m；

d——電動機皮帶輪直徑，mm；

D ——減速器大輪直徑，mm；

K ——減速器總傳動比（CYJ10-3-37HB， K=28）；

n ——抽油機沖速，min-1。

2.2.2安裝機械減速裝置抽油機拖動裝置 （電動機）的設(shè)計方法

抽油機額定（實際）扭矩折算成所需電動機扭

表1　機械調(diào)速裝置安裝前情況統(tǒng)計

表2　機械調(diào)速裝置安裝后情況統(tǒng)計

矩的計算方法：

式中：

M′d——帶機械減速裝置抽油機額定（實際）扭矩折算成所需電動機扭矩，N·m；

K1——機械減速裝置的傳動比。

由此可見，機械減速裝置具備電動機扭矩的放大作用，可實現(xiàn)降低裝機功率，這是機械減速裝置實現(xiàn)降低能耗的另一個方面。為此，機采節(jié)能的實質(zhì)為“減少能源浪費、實現(xiàn)能耗的合理匹配”。

3　機械調(diào)速裝置的適用條件

在此僅討論用作減速作用的機械調(diào)速裝置即機械減速裝置，依據(jù)大慶油田（含外圍區(qū)塊）現(xiàn)場試驗情況，現(xiàn)將機械調(diào)速裝置的適用條件歸納總結(jié)如下：

1）機械調(diào)速裝置適用沖速的范圍為 1.5～4min-1。

2）對于含水小于等于 50%的抽油機井其設(shè)計理論泵效小于等于 40%。

3）抽油機井在低沖速條件下運行時，其沉沒度 H 滿足：80m≤ H ≤150m。

4）機械調(diào)速裝置的輸出皮帶輪直徑大于等于180mm。

5）在設(shè)計中可采用先將低產(chǎn)井的沖速降低1/2， 但 要 滿足在 1.5～4min-1的 范圍內(nèi)， 然 后 在 依據(jù)實際生產(chǎn)情況，調(diào)整輸出皮帶輪直徑、使其達到滿足 80m≤ H ≤150m的條件 （注：若產(chǎn)量預(yù)測準確，可以直接設(shè)計到位）。

4　現(xiàn)場應(yīng)用情況

依據(jù)機械調(diào)速裝置的適用條件我們開展了6口井的現(xiàn)場試驗，初步見到了較好的效果，裝置安裝前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1、表2。

對 比結(jié) 果 顯示 ， 平均 沖 速下 降 了 2.8min-1， 沉沒 度回升 283.05m，有 功功率下降 3.2kW，無功功率下降 18.75kvar，平均單井日節(jié)電 114.44kWh。

5　結(jié)論與認識

通過開展上述工作，我們得到的初步結(jié)論與認識如下：

1）機采節(jié)能的實質(zhì)為“減少能源浪費、實現(xiàn)能耗的合理匹配”。

2）機械調(diào)速裝置的選用可以根據(jù)費用的多少來確定，當費用緊張時可以優(yōu)先考慮二次減速輪。

3）機械調(diào)速裝置在設(shè)計中產(chǎn)量預(yù)測的準確度對其效果的影響較大。

4）盲目地使用機械調(diào)速裝置可能會導(dǎo)致影響產(chǎn)量的后果。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2013.001.013

收稿日期：（2012-05-30）

作者簡介：福踐慶，1999年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院 （石油礦場機械專業(yè)）， 從 事 采 油 工 作 ， E-mail： wangxiuxiu1@petrochina.com.cn， 地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司第二采油廠第一作業(yè)區(qū) 2-10隊，163411。