數字化抽油機質量問題分析及設計優化

閆 凱張志強 嚴密林 李昱坤

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院 西安 2.大慶油田 黑龍江大慶）

一、引言

抽油機作為油田生產的重要設備，其質量好壞直接影響油田生產，也可能造成重大事故。數字化抽油機是某油田公司自主研發的具有遠程智能控制和高效節能的新一代采油設備，滿足了該油田綠色開采、數字化管理的需要。相對于傳統抽油機由傳動系統、支撐系統、平衡系統和潤滑系統等4部分組成，數字化抽油機增加了數字化控制系統，對其他4部分進行數字化控制，更增加了整機的復雜性，如圖1所示。數字化抽油機所用的零部件和電子元件眾多，任何一個零部件或電子元件出現問題，都可能造成整機故障。針對數字化抽油機在油田現場使用中存在的常見問題，進行分析歸類，指出抽油機質量改進的方向，并著重對抽油機支架設計進行優化，提高抽油機在油田現場的使用性能。

二、數字化抽油機質量問題分析

對某油田各采油廠和超滲油藏項目部的數字化抽油機現場質量情況進行跟蹤調查，收集到近3年在驗收、使用過程中發現的各種質量問題，統計出常見的41個質量問題，將其歸納并分為外協外購件質量問題、標準件質量問題、抽油機設計問題、整機生產質量問題、其他問題共5大類（表1）。

圖1 數字化抽油機系統組成圖

表1 數字化抽油機現場使用質量問題分類

分析現場使用反饋的質量問題，外協外購件質量問題和抽油機設計問題所占比例大，應作為質量改進的重點。標準件質量問題和整機生產質量問題所占比例也比較大，也應給予高度重視。其他問題中主要是售后服務質量，應該作為數字化抽油機生產廠的服務提高重點項。

三、數字化抽油機支架設計優化

數字化抽油機需要進行設計優化的功能部件主要有平衡機構、電控配備、支架強度、數采傳輸性能等。經過分析研究，支架是抽油機支撐系統的重要部分，支架的完整性和可靠性直接影響整機性能是否能正常實現，因此支架發生故障后的影響較大。對數字化抽油機支架進行了優化設計，為抽油機支撐系統完整性提供保障。

1.支架優化重點及要求

某油田使用的第三代數字化抽油機支架采用3支腿結構，節省材料，并具有加工焊接容易等特點，但是其整體強度較弱，在惡劣工況下容易發生支架開裂、傾倒等故障。

支架結構和用材應作為抽油機支架優化的重點，其強度必須保證油田現場正常工況下并且一定等級的異常情況下整機支撐系統的的完整性和可靠性，其結構應易于加工焊接，所用材料不冗余。

2.抽油機運轉結構受力分析

按照中華人民共和國石油天然氣行業標準SY/T 5044—2003，抽油機正常工況下懸點最大載荷不超過標準規定的額定懸點載荷。以6型機為例，該機型抽油機運轉時支架結構頂部受力示意圖見圖2。通過抽油機設計軟件及計算機輔助軟件，得出支架頂部在曲柄旋轉一周中的受力情況見表2。其中θ曲柄旋轉角度，Fx為支架頂部水平力，Fz為支架頂部豎直力，G為懸點載荷。

圖2 抽油機支架頂部受力示意圖

圖3 支架有限元分析模型（3支腿）

3.支架結構有限元分析

第三代數字化抽油機支架采用3支腿結構，1支前腿和2支對稱的后腿，前腿采用18#工字鋼，后腿采用18#槽鋼，后腿之間設有3道橫撐均采用 16#槽鋼，前后腿有兩道橫撐均采用16#工字鋼，所用的型鋼材料均為Q235。

采用有限元分析軟件ABAQUS對其支架進行數值模擬，計算模型見圖3，曲柄每旋轉15°設置1個分析步，在1個旋轉周期（360°）共設置25個分析步。計算得出每個分析步相應的數值解。

通過計算得出，支架的最大Mises（等效）應力和最大位移均出現在 225°時，最大應力為184.8 MPa，頂部最大位移為6.5 mm。可以看出，最大Mises應力雖符合材料性能要求，但已經接近材料的屈服極限235 MPa，安全裕量不充足；頂部最大位移雖不超標準要求，但如果某機本身的懸點投影直徑較大，兩者疊加就可能造成抽油桿磨損井口的情況。

表2 支架頂部受力模擬計算情況

4.支架優化結構有限元分析

經研究提出一種4支腿支架的結構，2支對稱前腿和2支對稱的后腿，4支腿均采用 18#槽鋼，相鄰兩腿之間設有兩道橫撐均采用16#槽鋼，所用型鋼材料均為Q235。有限元分析模型見圖4，載荷與3支腿支架計算相同。

通過計算得出，支架的最大Mises應力和最大位移也出現在225°時，最大Mises應力為109.1 MPa，頂部最大位移為3.5 mm。可以看出，最大Mises應力遠小于材料的屈服極限235 MPa，安全裕量充足；頂部最大位移較小，不易引起抽油桿磨損井口的情況。

圖4 支架有限元分析模型（4支腿）

5.有限元分析結果對比

圖5 兩種結構支架最大Mises應力對比

對比兩個結構有限元計算的性能參數見圖5和圖6。可見，在整個循環過程中4支腿結構強度和剛度明顯好于3支腿結構，安全性高。4支腿結構所用材料量較多，但多用材料量在整機成本中所占比例仍較小，綜合考慮安全性和經濟性，應選用4條腿結構的支架。經過在油田現場使用情況反饋，4支腿結構穩定性較好，適用于油田現場。

四、結語

圖6 兩種結構支架頂部位移對比

通過現場調研和分析，外協外購件問題和抽油機設計問題是影響數字化抽油機現場使用質量的主要因素。對抽油機支架進行設計優化，模擬計算表明改進的支架在受載情況下的最大應力和頂部最大位移大幅降低，安全裕度充足。油田現場應用表明，采用優化支架結構的數字化抽油機使用效果良好，適應性強。