懸重平衡游梁式抽油機的研制

□ 楊曉剛 □ 曾興昌 □ 張小龍 □ 汪耘舟 □ 姚 博

1.寶雞石油機械有限責任公司 陜西寶雞 721002 2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司 陜西寶雞 721002

1 研制背景

常規游梁式抽油機具有結構簡單、制造容易、維修方便、使用可靠等特點,可以長期在油田全天候運轉,在相當長時間內仍是油田的首選采油設備。但是,常規游梁式抽油機自身的結構特征導致存在平衡效果差、凈扭矩波動大、負載率低、工作效率低、能耗大等缺點。自從1985年第一臺異相曲柄平衡游梁式抽油機應用以來,國內各大油田紛紛開始重視抽油機的節能工作[1-5]。

實際上,抽油機的電機多以輕載工況運行,目前我國大部分抽油機的電機平均負載率只有20%～30%,造成能源極大浪費,抽油機節能的關鍵是提高電機的負載率[6]。目前,抽油機實現節能的途徑包括改變游梁式抽油機的結構型式和改變游梁式抽油機的平衡方式。常見的平衡方式主要有三種,分別為異相曲柄平衡、游梁偏置平衡、游梁懸重平衡。其中,游梁懸重平衡方式的懸點載荷在游梁上與平衡懸重相抵消,動態平衡率高,基本消除了負扭矩,減速器凈扭矩小,變化平緩,具有顯著的節能效果[7-8]。

針對我國大部分油田高含水油井、稠油、低滲透油層開采的特點,筆者所在單位研制了懸重平衡游梁式抽油機。這一抽油機采用長沖程、低沖次、高負載、低能耗的設計,減小抽油桿的相對變形值,提高抽油泵的充滿因數和排量因數,延長抽油桿和抽油泵的使用壽命,是今后抽油機發展的主要方向之一[9-10]。

2 技術參數

筆者單位研制的懸重平衡游梁式抽油機主要技術參數見表1。

表1 懸重平衡游梁式抽油機主要技術參數

3 結構

懸重平衡游梁式抽油機主要由底座、后支架、前支架、托架、游梁、驢頭、橫梁、連桿、曲柄裝置、電機、減速器、滑輪組、懸重裝置、制動機構、鋼絲帶等組成[11],結構如圖1所示。

▲圖1 懸重平衡游梁式抽油機結構

4 工作原理

在懸重平衡游梁式抽油機中,電機通過減速器驅動曲柄裝置,曲柄裝置通過連桿、橫梁驅動游梁和驢頭完成上下往復運動。懸重平衡游梁式抽油機上沖程工作時,懸重裝置下行,通過鋼絲帶帶動游梁和驢頭上行,完成抽油桿上提。懸重平衡游梁式抽油機下沖程工作時,游梁和驢頭下行,通過鋼絲帶帶動懸重裝置上行,完成抽油桿下放。

5 技術特點

懸重平衡游梁式抽油機的平衡系統采用鋼絲帶與動靜滑輪組組合的傳動方式,使懸重裝置的質量減小了50%,大大節約了懸重裝置的制造成本,同時減小了鋼絲帶的負載,有效延長了鋼絲帶的使用壽命。

懸重平衡游梁式抽油機的懸重裝置主要由吊耳、鋼砂箱、水箱組成,結構如圖2所示。鋼砂箱為懸重裝置的主要配重部分,水箱為輔助配重部分,主要用于配重微調,實現精確平衡。這一抽油機下沖程工作時,驢頭下降,重力做功轉換為懸重裝置的重力勢能。上沖程工作時,懸重裝置重力勢能轉換為驢頭上升的動能。懸重裝置作為蓄能器,用于增大懸重平衡游梁式抽油機的轉動慣量,充分發揮動能的均衡作用,改善減速器的受力,減小電機容量,實現節能降耗。懸重平衡游梁式抽油機上沖程工作和下沖程工作分別如圖3、圖4所示。

▲圖2 懸重裝置結構

▲圖3 懸重平衡游梁式抽油機上沖程工作

懸重平衡游梁式抽油機采用非對稱循環機構,使游梁在上下死點時,連桿兩個位置之間存在相位夾角。上沖程工作時驢頭的水平夾角為18°,下沖程工作時驢頭的水平夾角為16.5°,具有急回特性。上沖程工作時驢頭轉角大于下沖程工作時,即上沖程工作用時長,速度慢,加速度小,使上沖程工作中負載扭矩曲線的上峰值減小。與此相反,下沖程工作用時短,速度快,加速度大,使下沖程工作中負載扭矩曲線的上峰值增大,有效減小載荷扭矩曲線的波動量,改善整機的受力狀況。

懸重平衡游梁式抽油機的智能控制柜由變頻器、數據采集、控制和傳輸裝置、控制面板、電氣控制回路等組成。懸重平衡游梁式抽油機沖次可以通過變頻器實現遠程調節,通過數據采集、控制和傳輸裝置對油井參數、電參數進行監測、采集、傳輸、分析、調整,實現遠程控制,滿足抽油機高效節能的發展需求[12]。

▲圖4 懸重平衡游梁式抽油機下沖程工作

懸重平衡游梁式抽油機的曲柄采用輪式結構設計,設有三處曲柄銷孔,可以準確可靠地調節三個不同的懸點沖程,以滿足不同油井的開采工藝要求。

6 關鍵部件校核

6.1 支架總成靜力學分析

懸重平衡游梁式抽油機支架總成主要包括后支架、前支架、托架、底座。支架總成作為這一抽油機所有部件的承載體,其強度、剛度、穩定性是整機正常工作的根本保障,支架總成各構件主要承受軸向拉壓和彎曲載荷[13-14]。

無論是正面風載還是側面風載,對支架的最大應力和最大位移均無明顯影響[15]。正面風載相比側向風載,對支架變形的影響稍大。因此,懸重平衡游梁式抽油機安裝時,可以根據所在地常見風向使抽油機側向承受風載,此處則不考慮風載。

支架總成主要承受懸重裝置的拉力和游梁的壓力,游梁壓力的大小和方向根據不同的游梁位置而變化。游梁在上下兩個極限位置受力最為復雜,通過比較,游梁處于下極限位置時,游梁對支架的壓力最大。因此,筆者對游梁處于下極限位置時支架總成的強度和剛度進行分析。

支架總成的材料為Q345鋼,材料彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3,屈服極限為345 MPa。支架總成應力云圖如圖5所示。根據GB/T 29021—2012《石油天然氣工業 游梁式抽油機》標準規定,支架總成的安全因數不小于3.3。由圖5可以看出,支架總成的最大應力為94.26 MPa,則支架總成的強度滿足設計要求。

▲圖5 支架總成應力云圖

支架總成的位移云圖如圖6所示。根據GB/T 29021—2012《石油天然氣工業 游梁式抽油機》標準規定,當游梁式抽油機最大沖程大于6 m時,支架頂部縱向振幅不大于7 mm,橫向振幅不大于6 mm。由圖6可以看出,支架總成頂部最大位移為1.52 mm,支架總成的剛度符合設計要求。

▲圖6 支架總成位移云圖

6.2 游梁強度校核

游梁是懸重平衡游梁式抽油機中最重要的部件之一,所有主要載荷都作用在游梁上面。游梁主截面如圖7所示。游梁前端連接驢頭,承受懸點載荷。游梁通過動滑輪組承受懸重裝置的拉力,通過中間橫梁連桿連接曲柄裝置,傳遞驅動力。游梁后端有中央軸承座,與后支架相連。游梁是懸重平衡游梁式抽油機所有部件中受力最復雜的部件,主要承受彎曲應力[16-18],其應力云圖如圖8所示。

▲圖7 游梁主截面

▲圖8 游梁應力云圖

游梁采用H型鋼和兩側加筋板的形式,材料選用Q345鋼,材料彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3,屈服極限為345 MPa。根據GB/T 29021—2012《石油天然氣工業 游梁式抽油機》標準規定,游梁的安全因數不小于3.3。由圖8可以看出,游梁的最大應力位于主梁中間位置,為72.93 MPa,則游梁的強度滿足設計要求。

7 現場應用

目前,筆者所在單位生產的CYJQ12-4.8-37型懸重平衡游梁式抽油機已在青海油田投入使用,運行平穩,安全可靠,應用現場如圖9所示。經現場實測,懸重平衡游梁式抽油機相比常規游梁式抽油機節能50%～53%,節能效果十分明顯,受到用戶的一致認可和好評。此外,長慶油田訂購的CYJQ9-3-18型懸重平衡游梁式抽油機也已進入生產組裝階段。

8 結束語

懸重平衡游梁式抽油機采用懸重平衡方式,成本低,精度高,結構簡單,調節方便,有效改善了減速器的受力,減速器凈扭矩小,變化平緩,減小了電機容量,實現了節能降耗。

懸重平衡游梁式抽油機采用非對稱循環機構,實現了慢提快放,減小了負載扭矩曲線的波動量,改善了整機的受力狀況。

▲圖9 懸重平衡游梁式抽油機應用現場

懸重平衡游梁式抽油機通過變頻器實現遠程調節沖次,通過數據采集裝置對油井參數和電參數進行監測、采集、傳輸、分析、調整,實現遠程控制。

懸重平衡游梁式抽油機采用長沖程、低沖次、高負載、大扭矩設計,減小了抽油桿的相對變形值,延長了抽油桿和抽油泵的使用壽命,實現了油田對抽油機高精度平衡和低能耗的總體要求,具有廣闊的應用前景。