基于升頻技術(shù)的石油排采系統(tǒng)優(yōu)化分析

師遠(yuǎn)征，姜 珂，廖榮輝

（1.西部鉆探工程有限公司，新疆烏魯木齊 830001；2.深圳市禾望電氣有限公司，廣東深圳518055）

1 引言

游梁式抽油機(jī)是石油排采系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)其應(yīng)用升頻技術(shù)可有效節(jié)能、提高效率。然而，升頻獲得的能量轉(zhuǎn)化會(huì)影響排采系統(tǒng)懸點(diǎn)和曲柄的速度、轉(zhuǎn)矩和應(yīng)力。文獻(xiàn)［1］-［2］給出了基于石油井現(xiàn)場(chǎng)條件的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析，但轉(zhuǎn)速條件默認(rèn)為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，不能直接用于升頻技術(shù)等變轉(zhuǎn)速情況下的動(dòng)態(tài)參數(shù)分析。本文分析應(yīng)用升頻技術(shù)給石油排采系統(tǒng)帶來(lái)的影響，給出優(yōu)化意見(jiàn)，對(duì)升頻技術(shù)在石油開(kāi)采領(lǐng)域的應(yīng)用具有理論指導(dǎo)意義。

2 抽油機(jī)幾何運(yùn)動(dòng)參數(shù)

石油排采系統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。（圖中:R、P、K、A、C 和 I分別表示曲柄半徑、連桿長(zhǎng)度、基桿長(zhǎng)度、游梁前臂長(zhǎng)度、游梁后臂長(zhǎng)度和基桿在油平方向的投影；L表示連桿垂直方向的距離投影）電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄、連桿、橫梁和游梁組成四連桿結(jié)構(gòu)［3］-［4］，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛瘟菏匠橛蜋C(jī)前端抽油桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由圖1可得如下幾何關(guān)系:

圖1 石油排采系統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)幾何結(jié)構(gòu)

分析計(jì)算以θ2＝0的點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)，并取逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较颉０凑帐噶亢铣稍瓌t，可知:

（式中:i上標(biāo)是復(fù)數(shù)計(jì)算符號(hào)）

對(duì)于懸點(diǎn)位移，設(shè)下死點(diǎn)為位移零點(diǎn)。以上沖程方向作為為正方向，根據(jù)幾何關(guān)系得:

（式中，SPR、PR、vA、aA、Ψmax、Ψmin分別表示懸點(diǎn)沖程長(zhǎng)度、懸點(diǎn)位移、懸點(diǎn)速度、懸點(diǎn)加速度和上死點(diǎn)角度、下死點(diǎn)角度）

3 排采系統(tǒng)懸點(diǎn)載荷

3.1 懸點(diǎn)載荷構(gòu)成

石油排采系統(tǒng)工作過(guò)程中懸點(diǎn)存在以下載荷:桿柱自身質(zhì)量；柱塞上的油柱重；油對(duì)柱塞下部的壓力；抽油桿與油柱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性載荷；抽油桿和油柱產(chǎn)生的振動(dòng)載荷；柱塞與筒泵、桿柱之間的摩擦力；油柱與桿柱、筒管和游動(dòng)閥間的摩擦力。

上述載荷前3項(xiàng)與抽油桿的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，稱(chēng)為靜載荷。第4、5項(xiàng)載荷與抽油桿的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，稱(chēng)為動(dòng)載荷［5］。最后1項(xiàng)載荷受多因素影響，如運(yùn)動(dòng)、井下油體成分等。相比之下，振動(dòng)載荷和摩擦載荷很小，本文的分析中忽略這2項(xiàng)。

3.2 懸點(diǎn)載荷分析

上沖程過(guò)程中，靜載荷的成分如下

（式中，ρ桿、ρ油、A桿、A泵、L桿、h、g分別表示抽油桿材料的密度、油液的密度、抽油桿橫截面積、泵柱塞橫截面積、抽油桿長(zhǎng)度、泵的沉沒(méi)度、重力加速度。P桿、P油、P壓、P′桿、P′水分別表示桿柱自身重力、柱塞上的油柱重力、油對(duì)柱塞下部的壓力、抽油桿浮在油中的重力、泵柱塞在動(dòng)液面以上的油柱重力。）上沖程過(guò)程中，慣性載荷為

（式中，m、ε、a、P桿慣和 P油慣分別表示油柱慣性載荷與桿柱慣性載荷的比值、油過(guò)流斷面引起的加速度變化、油柱加速度、抽油桿的慣性載荷和石油的慣性載荷）

由此可計(jì)算得，上沖程懸點(diǎn)總載荷為

類(lèi)似分析，可得知下沖程靜載荷、慣性載荷和懸點(diǎn)總載荷為

4 升頻對(duì)排采系統(tǒng)工作影響分析

4.1 工作過(guò)程分析

抽油機(jī)在一個(gè)沖次過(guò)程中分為正常工作階段和升頻階段，如圖3所示。

1）正常工作階段。曲柄旋轉(zhuǎn)到達(dá)升頻停止點(diǎn)θpfe時(shí)，轉(zhuǎn)速減至正常工作轉(zhuǎn)速ωn，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作階段，曲柄以ωn勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；游梁前端達(dá)到上死點(diǎn)后，系統(tǒng)進(jìn)入升頻階段，曲柄加速。

圖2 抽油機(jī)工作過(guò)程示意

2）升頻階段。升頻階段電動(dòng)機(jī)不做功，能量轉(zhuǎn)化完全在機(jī)械設(shè)備和負(fù)載間進(jìn)行。根據(jù)能量守恒定律有

上述四個(gè)變量分別表示等效曲柄配重的重力勢(shì)能變化、等效曲柄配重的動(dòng)能變化、懸點(diǎn)載荷的重力勢(shì)能變化、懸點(diǎn)載荷動(dòng)能變化。

4.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

4.2.1 曲柄關(guān)鍵位置角

1）上死點(diǎn)位置角。Ψ＝Ψmin時(shí)，系統(tǒng)到達(dá)上死點(diǎn)，即 θ2＝θdu。根據(jù)幾何關(guān)系可得

2）下死點(diǎn)位置角。當(dāng)Ψ＝Ψmax時(shí)，系統(tǒng)到達(dá)下死點(diǎn)，即θ2到達(dá)θdd。根據(jù)幾何關(guān)系可得

（θdu、θdd表示曲柄在下死點(diǎn)時(shí)的角度位置、上死點(diǎn)時(shí)的角度位置）

4.2.2 曲柄角速度

1）正常工作階段。曲柄勻速旋轉(zhuǎn)，所以曲柄的角速度為

2）升頻階段。根據(jù)能量守恒定律和各參數(shù)的表達(dá)式計(jì)算相應(yīng)角速度值。

4.2.3 曲柄軸扭矩

曲柄軸扭矩與懸點(diǎn)載荷、機(jī)械結(jié)構(gòu)及抽油機(jī)平衡狀況有密切關(guān)系［6］。確定合理的曲柄軸扭矩，對(duì)電動(dòng)機(jī)功率選擇、抽油設(shè)備的機(jī)械應(yīng)力核算有重要意義［7］。

圖3 曲柄扭矩受力

曲柄軸凈扭矩為曲柄切向力與的乘積為

根據(jù)連桿連接點(diǎn)的力學(xué)平衡關(guān)系，得凈扭矩為

5 優(yōu)化分析

5.1 排采系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

利用上述分析結(jié)果對(duì)延長(zhǎng)石油定邊采油廠六號(hào)站1168#油井排采設(shè)備進(jìn)行分析優(yōu)化。1168#油井采用CYJY4-1.5-9HB型后置式曲柄平衡游梁抽油機(jī)，機(jī)械參數(shù)如下:曲柄半徑 0.65m；連桿長(zhǎng)度 1.95m；基桿長(zhǎng)度 2.40m；游梁后臂長(zhǎng) 1.35m；游梁前臂長(zhǎng) 1.50m；懸點(diǎn)沖程 1.522m。

1168#井實(shí)際井況與工作參數(shù)如下:井深515m；泵掛位置 461.1m；桿徑 19.1mm；管徑 73mm；井液密度1000 kg/m3；等效曲柄配重 11000N；設(shè)定工作沖次4次/min。

5.2 結(jié)果分析

升頻模式與勻速模式下的分析結(jié)果如圖5～圖8；上述影響與不平衡程度的分析結(jié)果如圖9所示。

5.2.1 曲柄角速度

圖4為在升頻和勻速2種工作模式下，曲柄角速度隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線。升頻模式，達(dá)到上死點(diǎn)后曲柄加速，在下死點(diǎn)附近轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，之后減小至正常工作轉(zhuǎn)速。前述工作參數(shù)下，升頻過(guò)程中最大曲柄轉(zhuǎn)速可達(dá)正常角速度的3～4倍。

圖4 曲柄角速度隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線

5.2.2 實(shí)際沖次

圖5 實(shí)際工作沖次與設(shè)定沖次

圖5為在勻速和變頻2種工作模式下，設(shè)定沖次與實(shí)際沖次的關(guān)系曲線。分析可知，應(yīng)用升頻技術(shù)后，實(shí)際工作沖次大于設(shè)定工作沖次，特別對(duì)于低沖次工作情況更嚴(yán)重。

5.2.3 配重不平衡程度影響

懸點(diǎn)載荷與配重的關(guān)系如圖6所示。

隨著等效曲柄配重的減小（由11000N減到9000N），分析可知，配重的不平衡程度逐漸增加，懸點(diǎn)載荷最大值也急劇增大。升頻模式下的懸點(diǎn)應(yīng)力遠(yuǎn)大于勻速模式下的應(yīng)力；隨著不平衡程度的增大，系統(tǒng)懸點(diǎn)應(yīng)力也急劇增加。

5.3 分析優(yōu)化

在上述分析模型下，以1168#井懸點(diǎn)載荷為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮系統(tǒng)沖次和采油量為約束條件，得到最優(yōu)化參數(shù)為:曲柄配重調(diào)節(jié)為12650N，基準(zhǔn)工作頻率為27Hz

實(shí)施該升頻方案后，實(shí)際工作沖次4.189次/min，采油量相較于工頻提升2.8%，節(jié)電率達(dá)到37.69%；懸點(diǎn)載荷峰值相較于優(yōu)化前的默認(rèn)配重時(shí)降低28.83%，有效降低了設(shè)備的機(jī)械應(yīng)力和皮帶的磨損。

圖6 懸點(diǎn)載荷與配重關(guān)系

6 結(jié)論

1）升頻技術(shù)是油田的重要節(jié)能手段，但應(yīng)用升頻技術(shù)會(huì)使懸點(diǎn)的線速度和加速度極大增加，導(dǎo)致懸點(diǎn)載荷和機(jī)械應(yīng)力增大；另一方面也會(huì)改變石油井排采系統(tǒng)沖次時(shí)間

2）通過(guò)本文的分析，可以有效計(jì)算得到懸點(diǎn)載荷、沖次等，分析出升頻模式下的各參數(shù)值。

3）在上述分析基礎(chǔ)上，對(duì)配重塊和基礎(chǔ)工作頻率進(jìn)行約束和優(yōu)化，能夠有效改善系統(tǒng)應(yīng)力峰值，提高設(shè)備的使用壽命。

升頻技術(shù)在石油開(kāi)采領(lǐng)域的應(yīng)用具有積極的意義，能夠較好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。在工程應(yīng)用中必須充分考慮其對(duì)開(kāi)采設(shè)備系統(tǒng)的影響，合理設(shè)定參數(shù)，才能達(dá)到更好的實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用效果。