曳引式抽油機(jī)在舉升中的應(yīng)用分析

李秋穎, 王 濤, 楊 雷, 于天奇, 李 崢, 楊麗紅

(1中石油華北油田采油一廠 2中石油華北石油管理局有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫分公司)

常規(guī)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用、操作維護(hù)方便，在有桿泵采油中占據(jù)了主導(dǎo)地位[1-2]。但受游梁前臂長和擺角限制，不適應(yīng)長沖程；因懸點(diǎn)加速度和動(dòng)載荷較大、平衡效果差，凈扭矩波動(dòng)大，存在著大電機(jī)、大減速器配備方式，即“大馬拉小車”，因而效率低、能耗高[3]。為了節(jié)能和加大沖程，一方面對常規(guī)抽油機(jī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如前置型、異相型[4]、異型(雙驢頭)[5]、下偏杠鈴和彎游梁等抽油機(jī)[6-7]，這些變型機(jī)只對四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，未擺脫其在傳遞過程中的影響，未解決根本問題[1]。另一方面,為適應(yīng)“長沖程、低沖次”抽油方式，諸如鏈條、寬帶、摩擦換向、數(shù)控等無游梁抽油機(jī)[8-9]逐漸在現(xiàn)場應(yīng)用并取得較好的效果。但這幾種機(jī)型存在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、撓性構(gòu)件較多、傳動(dòng)元件壽命低、換向沖擊載荷大等不足[10]。曳引式抽油機(jī)是長沖程無游梁抽油機(jī)，采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，動(dòng)滑輪及天平式平衡，變頻控制等技術(shù)[11-12]，適用于各類油井的生產(chǎn)[13]。本文分析了曳引式抽油機(jī)機(jī)型懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和受力狀況，建立了懸點(diǎn)載荷、平衡重、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等計(jì)算模型，意在為該類機(jī)選型、工況優(yōu)化等提供分析的方法。

1 曳引式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

曳引式抽油機(jī)由動(dòng)力、曳引、控制、平衡及扶正、機(jī)架及移動(dòng)、安全制動(dòng)等六個(gè)系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 曳引式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要特點(diǎn)

1)與游梁式抽油機(jī)和鏈條、寬帶等立式抽油機(jī)相比，無四連桿機(jī)構(gòu)和減速裝置，簡化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)舉升系統(tǒng)，提高了傳動(dòng)效率。

2)采用天平式平衡，平衡率高，保障了其在上下沖程運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3)曳引系統(tǒng)應(yīng)用動(dòng)滑輪裝置，電機(jī)承載較懸點(diǎn)降低1/2[12]，有效減小了電機(jī)裝機(jī)容量和輸出功率，提高了負(fù)載率。

4)通過改變供電頻率來調(diào)整沖次；調(diào)節(jié)上、下止點(diǎn)傳感器的位置來調(diào)整沖程的長度。地面調(diào)參可無級調(diào)整，且操作簡單。

1.3 工作原理

電機(jī)啟動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)曳引系統(tǒng)帶動(dòng)抽油桿柱和平衡重上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)平衡重到達(dá)上、下限位開關(guān)時(shí)，由此處的傳感器向控制系統(tǒng)反饋信號，控制系統(tǒng)便發(fā)出相應(yīng)指令，控制電機(jī)減速、停止、反向運(yùn)轉(zhuǎn)。如此往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了帶動(dòng)抽油桿柱及井下泵的抽油過程。

2 舉升系統(tǒng)分析

2.1 懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律

曳引式抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與游梁式抽油機(jī)不同，其懸點(diǎn)在上、下沖程的速度—時(shí)間曲線見圖2。懸點(diǎn)上下沖程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是勻加速—?jiǎng)蛩佟獎(jiǎng)驕p速，但其運(yùn)動(dòng)方向相反。懸點(diǎn)的速度v、位移s、加速度a是隨時(shí)間t變化的分段函數(shù)。

圖2 懸點(diǎn)速度—時(shí)間曲線圖

2.2 曳引輪與動(dòng)滑輪之間的速度、加速度關(guān)系

圖3中曳引輪O2定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)同樣的動(dòng)滑輪O1和O3作平面運(yùn)動(dòng)[13]。質(zhì)心O1點(diǎn)的速度V1為懸點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)的速度，B點(diǎn)為瞬心，A點(diǎn)的速度VA與曳引輪E點(diǎn)的速度VE相同，此時(shí)有：

V1=rω1

(1)

VA=VE=Rω2=2rω1

(2)

圖3 曳引系統(tǒng)平面運(yùn)動(dòng)示意圖

由式(1)、式(2)，并對其兩邊對時(shí)間t求導(dǎo)，得到：

(3)

(4)

式中：R—曳引輪半徑，m；ω2—曳引輪角速度，rad·s-1；r—?jiǎng)踊哋1和O3的半徑，m；ω1—?jiǎng)踊哋1繞瞬心軸B的角速度，rad·s-1；aA—A點(diǎn)的加速度，m·s-2；ao1—懸點(diǎn)O1的加速度，m·s-2。

所以電機(jī)曳引輪提升鋼絲繩的速度、加速度分別是懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度、加速度的2倍。同樣也是平衡重下降速度和加速度的2倍。

2.3 曳引系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

以曳引系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)受力情況見圖4，假定懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)向上為正。

圖4 曳引系統(tǒng)受力分析圖

2.3.1 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

上沖程，懸點(diǎn)由下死點(diǎn)向上死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，即在t1、t2、t3時(shí)間段內(nèi)分別做勻加速、勻速、勻減速等運(yùn)動(dòng)。

在t1時(shí)間段，懸點(diǎn)的初始位置在下死點(diǎn)，系統(tǒng)此位置的動(dòng)能Ek1=0,當(dāng)懸點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)t1(s)、S1(m)的距離時(shí)，懸點(diǎn)速度為最大，此時(shí)系統(tǒng)動(dòng)能為

(5)

t1時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)作的總功:

W=M1φ1+mpgS1+m3gS1-mrgS1-mlgS1-m1gS1

(6)

式中:mr、ml、mp—桿柱、液柱和平衡重的質(zhì)量，kg；m1、m3、m2—?jiǎng)踊哋1、O3和曳引輪O2的質(zhì)量，kg；J1、J3—兩個(gè)動(dòng)滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；J2—曳引輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ω3—?jiǎng)踊哋3繞瞬心D的角速度，rad·s-1；φ1—曳引輪的轉(zhuǎn)角，rad。

下沖程，由于泵的游動(dòng)凡爾打開，液柱載荷作用在油管上，懸點(diǎn)主要承受桿柱在油管內(nèi)液體中的重力。

依據(jù)動(dòng)能定理，Ek2-Ek1=W[14]，計(jì)算上沖程電機(jī)扭轉(zhuǎn)M1、M2、M3，下沖程扭矩M4、M5、M6。計(jì)算表明，曳引系統(tǒng)使用動(dòng)滑輪裝置，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩是懸點(diǎn)載荷力矩的1/2。

2.3.2 懸點(diǎn)最大、最小載荷

同樣，曳引式抽油機(jī)懸點(diǎn)最大載荷Pmax發(fā)生在上沖程，最小載荷Pmin發(fā)生在下沖程，也受靜載荷、動(dòng)載荷和摩擦載荷的影響。在只考慮桿柱和液柱的靜載荷和慣性載荷時(shí)，依據(jù)文獻(xiàn)[15]的分析方法，Pmax、Pmin分別由式(13)、式(14)計(jì)算:

Pmax=P靜+P慣上=(mr+ml)g+(mr+ml)a1

(7)

(8)

式中:P靜—懸點(diǎn)靜載荷，是桿柱在空氣中的重力與液柱重力的和，N；P慣上—上沖程桿柱和液柱的慣性載荷，N。

2.3.3 平衡重計(jì)算

要保持曳引式抽油機(jī)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)，須使電機(jī)上下沖程相應(yīng)階段所輸出的轉(zhuǎn)矩相同。

在勻加速階段，若a1=-a4,令M1=M4，化簡得到平衡重計(jì)算公式：

(9)

在勻速和勻減速階段平衡重的計(jì)算結(jié)果與式(19)相同。故曳引式抽油機(jī)的平衡重應(yīng)為懸點(diǎn)最大載荷與最小載荷的1/2。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

曳引式抽油機(jī)近幾年在華北油田采油一廠應(yīng)用11口井，應(yīng)用效果良好。以R311井為例,試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如下:試驗(yàn)時(shí)油井泵徑、泵深、桿柱組合未變，沖程由3 m增至5.5 m，沖次由5 min-1降至3 min-1，泵的排量增大5.3 m3/d。

3.1 懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線對比

由圖5、圖6看出，曳引式抽油機(jī)懸點(diǎn)只在上下死點(diǎn)附近有加速度，大部分時(shí)間將保持勻速運(yùn)動(dòng)，且vmax、amax小，這種狀況降低了懸點(diǎn)慣性載荷，使舉升系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

圖5 抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度曲線

3.2 電機(jī)輸入功率曲線對比

該井電機(jī)容量由前45 kW換為14.5 kW。由圖7看出，該電機(jī)功率曲線平緩，峰值小，不存在負(fù)功，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖6 抽油機(jī)懸點(diǎn)速度曲線

圖7 實(shí)測電機(jī)輸入功率曲線

3.3 示功圖對比

由圖8比較看出，一是紅線功圖較藍(lán)線功圖的加載和卸載線平緩，基本與橫軸平行，表明懸點(diǎn)主要作勻速運(yùn)動(dòng)，說明受慣性載荷的影響小。二是紅線功圖沖程增大，其沖程損失減小。

3.4 抽油工況對比

1)因試驗(yàn)后排量增大，產(chǎn)液量由37.8 t/d增至49.7 t/d，增加11.9 t/d，泵效由72%增至85.8%，提高13.8%。

圖8 實(shí)測示功圖

2)系統(tǒng)效率由52.36%提高到75.82%，提高23.46%，噸液百米耗電減小0.16 kW·h。

3)日耗電由253 kW·h減小到215.8 kW·h，日節(jié)電37.2 kW·h，有功節(jié)電率為30.8%，綜合節(jié)電率34.4%。

4)電機(jī)功率因數(shù)由0.421增至0.984，提高了0.563。

4 結(jié)論

1)曳引式抽油機(jī)從結(jié)構(gòu)和技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)，一是無四連桿機(jī)構(gòu)和減速裝置，簡化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率；二是使用動(dòng)滑輪裝置，有效降低了電機(jī)負(fù)載，使其能耗降低；三是天平式平衡，提高了平衡率；四是外轉(zhuǎn)子稀土永磁同步電機(jī)，功率因數(shù)高，無功損耗低。因此該舉升系統(tǒng)效率高、能耗低。

2)經(jīng)在不同工況的油井上應(yīng)用，曳引式抽油機(jī)能夠滿足“長沖程、低沖次”抽油方式的需要，運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)參方便。