游梁式抽油機(jī)盤根盒效率模型研究

周 勇，趙福生，孟令俊，祝玉松，程 成，劉志楊

（1.新疆油田公司 工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依834000；2.新疆油田公司質(zhì)量設(shè)備節(jié)能處，新疆 克拉瑪依834000；3.西南石油大學(xué)，成都610500）①

為了防止油氣從光桿處泄露，抽油機(jī)井口配有盤根盒，如圖1所示。作為傳輸動(dòng)力的重要環(huán)節(jié)，在長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)和摩損過(guò)程中，密封處過(guò)松或過(guò)緊，將會(huì)造成原油的泄露或效率的降低。目前，沒(méi)有準(zhǔn)確的效率能耗計(jì)算模型對(duì)盤根盒效率進(jìn)行計(jì)算，通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整填料密封的松緊程度。筆者對(duì)盤根盒的對(duì)中性、松緊度問(wèn)題開(kāi)展了試驗(yàn)研究，得到盤根盒的效率模型。該模型可在實(shí)際生產(chǎn)中較為準(zhǔn)確地控制盤根盒能耗［1-3］。

圖1 抽油機(jī)盤根盒結(jié)構(gòu)示意

1 盤根盒效率影響因素

通過(guò)對(duì)盤根盒的結(jié)構(gòu)與工作原理分析，得出影響盤根盒效率的主要因素有3項(xiàng)［4-5］：①盤根盒類型與規(guī)格、填充材料類型；②光桿與盤根盒對(duì)中性；③盤根盒填料壓實(shí)過(guò)程中的松緊度。其中，盤根盒對(duì)中性與松緊度對(duì)效率和密封效果的影響效果最為明顯。

2 盤根盒效率

2.1 效率模型的建立

抽油機(jī)工作時(shí)，由于光桿與盤根盒中填料有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦，因此會(huì)產(chǎn)生功率損失。其摩擦力隨工作壓力、壓縮量、密封材質(zhì)、填料硬度、接觸面積等的增大而增大，隨運(yùn)動(dòng)速度、溫度等的提高而減少［6-8］。盤根盒的效率用式（1）進(jìn)行計(jì)算。

不同盤根材料、不同盤根盒上緊轉(zhuǎn)矩、不同對(duì)中性都將影響工作壓力大小，可在密封處放置壓力應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，也可通過(guò)理論計(jì)算獲得［9］。填料單元受力如圖2所示。

圖2 填料單元受力示意

填料腔中某點(diǎn)處的填料對(duì)抽油光桿產(chǎn)生的徑向壓力為：

式中：p r 為某點(diǎn)x 處填料產(chǎn)生的徑向壓力；x 為由填料頂端至單元體的距離；μc 為填料與外壁靜摩擦因數(shù)μst和填料與采油光桿之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μd 的算術(shù)平均值為 填 料 寬 度，bk=Rr，R 為盤根盒外 圓 半 徑，r 為 光 桿 半 徑；k 為 填 料 的側(cè)壓系數(shù)（k≤1），側(cè)壓系數(shù)受圈數(shù)、盤根盒壓蓋壓緊應(yīng)力影響，壓緊應(yīng)力越大，側(cè)壓系數(shù)越大，一般取單圈0.5～0.7，多圈0.2～0.6［10-11］。

對(duì)式（4）進(jìn)行積分，獲得整個(gè)密封段的平均壓力為：

采用式（6）計(jì)算光桿速度。

式中：a為游梁前臂長(zhǎng)；b為游梁后臂長(zhǎng)；ω 為曲柄角速度；rc為曲柄回轉(zhuǎn)半徑；α為曲柄與連桿夾角；β為游梁后臂與連桿夾角。

上下行程中，每一組α、β 對(duì)應(yīng)一個(gè)速度，用式（7）計(jì)算。

上、下行程的平均速度為：

游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。其參數(shù)計(jì)算如式（9）。

圖3 游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意

式（3）適用于光桿摩擦力的理論計(jì)算，但在實(shí)際工況時(shí)，盤根盒并非理想狀態(tài)，主要受對(duì)中性與松緊度的影響。

引入對(duì)中系數(shù)f1，松緊系數(shù)f 2 來(lái)量化兩者對(duì)摩擦力的影響，將式（3）修正為［12］：

在確定對(duì)中系數(shù)時(shí)，引入偏心距e、原始間隙e0、偏心間隙e1，如圖4所示。

圖4 對(duì)中性測(cè)量

測(cè)量偏心間隙e1的具體方法為：先在盤根盒內(nèi)做中心標(biāo)記，然后再用卡尺測(cè)出偏心間隙e1，得到偏心距e=e1-e0。

在對(duì)中性良好的狀態(tài)下（無(wú)偏心距）獲得產(chǎn)液量Q 所消耗的功率P（或耗電量），以及在各種偏心距值下獲得產(chǎn)液量Q 所消耗的功率Pe（或耗電量），可得到對(duì)中系數(shù)，并將此制成e-f1表。

正常工況下，松緊系數(shù)f 2 為1（原始點(diǎn)工況），將工作點(diǎn)調(diào)至微帶油時(shí)其值將小于1；調(diào)至稍緊點(diǎn)、緊固發(fā)熱點(diǎn)時(shí)將大于1。測(cè)試方法仍然使用功率法，首先測(cè)試正常工況下獲得產(chǎn)液量Q 所消耗的功率P（或耗電量），然后測(cè)得各工作點(diǎn)下獲得產(chǎn)液量所消耗的功率Psj（或耗電量），則可得松緊系數(shù)f2將其制成T-f2表（T 為每種工況下的盤根盒轉(zhuǎn)矩）［13-15］。

盤根盒效率計(jì)算模型為：

2.2 盤根盒效率的提升

由式（11）可知，盤根盒效率的提升方式主要分為“換”和“調(diào)”兩類，“換”指的是更換盤根盒和盤根來(lái)提升效率；“調(diào)”指的是調(diào)整盤根盒對(duì)中性和松緊度。盤根盒和盤根的更換效果可計(jì)入對(duì)中性和松緊度的調(diào)整效果。目前盤根盒的效率為90%～95%。

對(duì)中系數(shù)f1在原始工況（即現(xiàn)場(chǎng)盤根盒未調(diào)整狀態(tài)）下的值取為1。在更換對(duì)中盤根盒（非必需進(jìn)行更換）以及按對(duì)中評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)中調(diào)整后，多次測(cè)量的f1獲得的值應(yīng)該小于1。

松緊系數(shù)f2在對(duì)中系數(shù)f1調(diào)整好之后進(jìn)行調(diào)整（可將普通盤根更換為石墨盤根），將現(xiàn)場(chǎng)未調(diào)整狀態(tài)定為原始點(diǎn)，并用力矩扳手測(cè)出此時(shí)的力矩大小，通過(guò)調(diào)整松緊度，依次獲得微帶油點(diǎn)、稍緊點(diǎn)（力矩大小在微帶油點(diǎn)上增加50～60 N·m）、緊固發(fā)熱點(diǎn)，同時(shí)測(cè)出對(duì)應(yīng)的力矩大小。以前的研究表明，在微帶油點(diǎn)松緊度最好，測(cè)出此時(shí)的松緊系數(shù)f2。

功率損耗降低比Δf 為：

若能將f1、f2調(diào)整到0.9～1.0，則損耗功率可降低0～19%。

盤根盒效率提升百分比Δη為：

式中：ΔP′為改造后盤根盒的功率損失。

3 算例

以CAJ10-3-37 HB 型抽油機(jī)為例，前臂長(zhǎng)a=3.0 m，后臂長(zhǎng)b=2.4 m，沖程=3 m，沖次取6 r／min，得到曲柄角速度ω=π／5 rad／s，曲柄回轉(zhuǎn)半徑rc=1.15 m。曲柄與連桿夾角α 為0°～180°，游梁后臂與連桿夾角β為57°～123°，如圖5所示。

圖5 夾角曲線

對(duì)中系數(shù)與松緊度系數(shù)取值如表1所示。利用單一變量法刻畫(huà)對(duì)中系數(shù)與松緊度系數(shù)對(duì)盤根盒效率的影響。

表1 對(duì)中系數(shù)與松緊度系數(shù)取值

對(duì)中系數(shù)最理想的值為1，非對(duì)中狀態(tài)下的值均大于1。松緊度系數(shù)小于1為轉(zhuǎn)矩松弛點(diǎn)，此處定義0.8為微漏油點(diǎn)（松緊度最理想狀態(tài)），定義1為測(cè)試時(shí)抽油機(jī)盤根盒松緊度原始狀態(tài)；1.1為轉(zhuǎn)矩緊固點(diǎn)，松緊度大于原始狀態(tài)。

對(duì)中系數(shù)、松緊度系數(shù)與效率相對(duì)量的關(guān)系曲線如圖6～7所示。當(dāng)松緊度系數(shù)不變時(shí)（此處取松緊度系數(shù)為0.8），隨對(duì)中系數(shù)的增大，盤根盒效率逐漸減小；當(dāng)對(duì)中系數(shù)不變時(shí)（此處取對(duì)中系數(shù)為1），隨松緊度系數(shù)的增大，盤根盒效率逐漸減小。

圖6 對(duì)中系數(shù)與效率相對(duì)量關(guān)系曲線

圖7 松緊度系數(shù)與效率相對(duì)量關(guān)系曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

選擇新疆油田某采油廠TDXX01稠油井，其盤根為皮帶盤根。試驗(yàn)分3種情況，分別為盤根正常狀態(tài)，盤根盒壓蓋扭緊90°狀態(tài)，盤根盒壓蓋松90°狀態(tài)。每種狀態(tài)下測(cè)試有功功率3次，每次測(cè)試時(shí)間為5 min；盤根每改變一種狀態(tài)，中間等待盤根恢復(fù)時(shí)間5 min后再進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2。

由表2可知，盤根越緊有功功率越高，即能耗越高。盤根盒壓盤扭緊90°狀態(tài)與常規(guī)緊固狀態(tài)相比，有功功率增加0.14 k W，增幅7.03%，日耗電增加3.36 k W·h；盤根盒壓盤松90°狀態(tài)與常規(guī)緊固狀態(tài)相比，有功功率減少0.091 k W，日耗電減少2.18 k W·h。

表2 盤根松緊度能耗測(cè)試記錄

盤根盒在較松狀態(tài)下，減少了光桿的摩擦力，電機(jī)輸入功率明顯降低，進(jìn)而減少了抽油井能耗。但是從現(xiàn)場(chǎng)觀察，盤根盒在較松狀態(tài)時(shí)，雖然沒(méi)有漏油，但是油光與正常緊固狀態(tài)下相比明顯增多，隨著盤根的磨損，增大了漏油風(fēng)險(xiǎn)，因此現(xiàn)場(chǎng)一般每天都要觀察盤根盒，如有松動(dòng)及時(shí)扭緊，杜絕漏油風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

1） 理論分析和試驗(yàn)表明，盤根盒松緊度與對(duì)中性相比，對(duì)盤根盒效率的影響更大，因此要更加關(guān)注對(duì)盤根盒松緊度的調(diào)整。

2） 填料盒松緊度調(diào)整至合適程度，可使該井的盤根盒效率達(dá)到最佳。

3） 較低松緊度下應(yīng)加強(qiáng)巡查，防止盤根盒出現(xiàn)漏油情況。