抽油機(jī)平衡度理論計(jì)算原理及載荷選用*

徐新河，鄭德貴，李海東

(1.長(zhǎng)慶油田第六采油廠，陜西西安 710201;2.長(zhǎng)慶油田機(jī)械制造總廠，陜西西安 710201)

0 引言

隨著國(guó)家“兩化融合”理念的持續(xù)推進(jìn)，一大批擁有節(jié)能技術(shù)、智能控制的抽油機(jī)開(kāi)始在各油田陸續(xù)研制推廣，作為新型抽油機(jī)的開(kāi)發(fā)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制參數(shù)均發(fā)生了變化，因此前期的設(shè)計(jì)參數(shù)確定就顯得十分重要。筆者結(jié)合新開(kāi)發(fā)的數(shù)字化智能抽油機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)智能抽油機(jī)涉及的平衡度理論、載荷設(shè)計(jì)參數(shù)提出可行的設(shè)計(jì)方案，為其他新型抽油機(jī)的研制提供一些參考。

1 抽油機(jī)平衡度計(jì)算原理

抽油機(jī)平衡度計(jì)算方法常用的有三種:上下沖程電流峰值比值法、上下沖程功率比值法和上下沖程瞬時(shí)曲柄切線力峰值比值法。我廠在抽油機(jī)的設(shè)計(jì)及抽油機(jī)平衡度的理論計(jì)算時(shí)，采用的是上下沖程減速器輸出軸凈扭矩峰值比值法，等同于上下沖程電流峰值比值法［1］。下面對(duì)上下沖程減速器輸出軸凈扭矩峰值比值法做簡(jiǎn)單介紹，目前很多專業(yè)書籍都對(duì)此計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，因此具體計(jì)算過(guò)程不再贅述。按照?qǐng)D1所示，整個(gè)抽油機(jī)系統(tǒng)中存在兩個(gè)基本力矩平衡關(guān)系。

(1)以游梁擺動(dòng)中心(支架軸承座的中心)為支點(diǎn)的力矩平衡，主要由井口載荷對(duì)游梁擺動(dòng)中心的力矩(順時(shí)針的力矩)、游梁平衡裝置自重對(duì)游梁擺動(dòng)中心的力矩(逆時(shí)針的力矩)、連桿對(duì)游梁擺動(dòng)中心的力矩和由驢頭、游梁、橫梁軸承座以及橫梁組成的擺動(dòng)體的重量對(duì)游梁擺動(dòng)中心的力矩(有些文獻(xiàn)以結(jié)構(gòu)不平衡重代替之)四部分組成一個(gè)力矩平衡系統(tǒng)。如需要更精確地分析計(jì)算，還需要考慮繞游梁擺動(dòng)中心擺動(dòng)的整個(gè)擺動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，為簡(jiǎn)化計(jì)算和節(jié)約計(jì)算成本，一般可忽略不計(jì)。

圖1 抽油機(jī)平衡度計(jì)算原理圖

(2)以曲柄回轉(zhuǎn)中心(減速器輸出軸中心)為支點(diǎn)的力矩平衡，主要由連桿對(duì)曲柄回轉(zhuǎn)中心的力矩、曲柄自重對(duì)曲柄回轉(zhuǎn)中心的力矩和由電機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的力矩三部分組成一個(gè)力矩平衡系統(tǒng)。

由第一個(gè)力矩平衡系統(tǒng)，可以計(jì)算出連桿力，在通過(guò)第二個(gè)力矩平衡系統(tǒng)，就可以計(jì)算出由電機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的力矩(稱之為減速器凈扭矩)。剔除傳遞效率、電壓波動(dòng)等等因素的影響，可以認(rèn)為減速器凈扭矩與電機(jī)的電流呈線性的關(guān)系，用減速器凈扭矩比值來(lái)代替電流比值來(lái)計(jì)算抽油機(jī)平衡度。

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，從曲柄處于12點(diǎn)位置開(kāi)始計(jì)算，曲柄瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每隔15°取一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，曲柄旋轉(zhuǎn)一周，計(jì)算完成?？傆?jì)24個(gè)計(jì)算點(diǎn)的減速器凈扭矩值按照抽油機(jī)的上下沖程歸類，找出上下沖程的減速器凈扭矩峰值，下沖程的減速器凈扭矩峰值與上沖程的減速器凈扭矩峰值之比值就是抽油機(jī)平衡度。

2 抽油機(jī)的載荷適應(yīng)范圍

不論哪種類型的抽油機(jī)，其載荷適應(yīng)范圍都是有限的。一般地，在抽油機(jī)設(shè)計(jì)之前，都要對(duì)擬安裝抽油機(jī)的油井及其參數(shù)進(jìn)行大量的調(diào)查研究，確定一個(gè)合理的抽油機(jī)的載荷適應(yīng)范圍，稱之為抽油機(jī)的設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍。一旦抽油機(jī)的設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍確定，才能夠進(jìn)行載荷及平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。抽油機(jī)投用以后，如果實(shí)際的井口載荷超出抽油機(jī)的設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍，抽油機(jī)就會(huì)出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象(欠平衡或過(guò)平衡)，造成減速器扭矩增加甚至超過(guò)其額定扭矩。因此，抽油機(jī)的設(shè)計(jì)及使用是否成功取決于兩個(gè)方面的要素。

(1)抽油機(jī)設(shè)計(jì)前的調(diào)研，設(shè)計(jì)者要掌握較全面的油井參數(shù)，確定合理的抽油機(jī)設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍。

(2)抽油機(jī)一旦設(shè)計(jì)出來(lái)，就必須按照抽油機(jī)的設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍科學(xué)合理地選型、使用。

以我廠生產(chǎn)的十型第二代數(shù)字化抽油機(jī)為例，根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，第一次的抽油機(jī)的設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍確定為4～7 t(額定載荷的40%～70%)，其平衡度及扭矩計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1、表2所列。

實(shí)際上，在油田現(xiàn)場(chǎng)使用十型機(jī)的油井大部分井口載荷大于7 t，因此經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)后，重新確定抽油機(jī)的設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍為6～9 t(額定載荷的60%～90%)，其平衡度及扭矩參數(shù)見(jiàn)表3、表4所列。

表1 實(shí)際的井口載荷處在抽油機(jī)的設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍(40%～70%)

表2 實(shí)際的井口載荷超出抽油機(jī)的設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍(＜4 000或＞7 000)

表3 實(shí)際的井口載荷處在抽油機(jī)的設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍(60%～90%)

表4 實(shí)際的井口載荷超出抽油機(jī)的設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍(＜6 000或＞9 000)

3 結(jié)論

當(dāng)實(shí)際的井口載荷處在設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍內(nèi)，抽油機(jī)都可以調(diào)整到平衡狀態(tài)，扭矩值和載荷和沖程的乘積呈比例關(guān)系，當(dāng)實(shí)際的井口載荷超出設(shè)計(jì)載荷適應(yīng)范圍，無(wú)論如何調(diào)整抽油機(jī)，抽油機(jī)都處于不平衡狀態(tài)。

上例表明，抽油機(jī)的設(shè)計(jì)、選型和使用三者息息相關(guān)，脫離三者中的任意一者談其他兩者，抽油機(jī)的實(shí)際應(yīng)用就不會(huì)取得好的效果。

［1］ 鄔亦烔，劉卓鈞.抽油機(jī)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1994.