直游梁抽油機設(shè)計與應(yīng)用

吳永正，李永新，孫奇，韓雪

（玉門油田公司，甘肅酒泉 735000）

0 引言

據(jù)文獻[1]，2014年全球在產(chǎn)油井?dāng)?shù)為985 881口。以上油井除了少部分為自噴井或螺桿泵外，90%以上使用抽油機、抽油桿、抽油泵等構(gòu)成的有桿泵抽油系統(tǒng)采油，這些抽油機井中絕大部分為游梁式抽油機，抽油機消耗了油田開發(fā)25%以上的能耗[2]。而據(jù)中石油勘探開發(fā)研究院最新統(tǒng)計，2020年僅中國石油集團公司內(nèi)，機采系統(tǒng)耗電量達到110 億kW·h，占油田生產(chǎn)總能耗的44%，主要是多數(shù)油田進入開發(fā)后期，原油含水量不斷攀升，在此情況下研究抽油機節(jié)能效果具有重要經(jīng)濟意義。

游梁式抽油機的平衡方式主要有游梁平衡、曲柄平衡、復(fù)合平衡。目前，國內(nèi)游梁平衡式抽油機多數(shù)采用彎游梁結(jié)構(gòu)，也稱調(diào)徑變矩型抽油機或兩級平衡游梁抽油機。以上抽油機主要特點是：游梁后端（有的也稱平衡臂）與游梁前部呈一定夾角（游梁角），即游梁平衡重相對支架與橫梁軸承中心下偏一定角度。驢頭處于上死點時，游梁尾部平衡箱（平衡重）接近地面。典型的調(diào)徑變矩型抽油機如圖1所示。

圖1 調(diào)徑變矩型抽油機

文獻[3]～文獻[8]對調(diào)徑變矩型抽油機進行了研究，認(rèn)為調(diào)徑變矩型抽油機游梁平衡重下偏后，改變了力臂和平衡力距，相對常規(guī)曲柄平衡抽油機具有節(jié)能效果，節(jié)能20%～30%，文獻[4]甚至認(rèn)為調(diào)徑變矩抽油機相對普通抽油機節(jié)能約40%，但以上文獻均未給出游梁平衡重下偏角與節(jié)能效果的關(guān)系。

玉門油田機械廠近年來一直生產(chǎn)前置型調(diào)徑變矩抽油機。2019年，為玉門油田環(huán)慶分公司設(shè)計常規(guī)型柴油機驅(qū)動的抽油機時，因柴油機高度遠(yuǎn)高于電動機，而設(shè)計了游梁平衡的直游梁抽油機，如圖2所示。直游梁抽油機的特征是游梁平衡重與驢頭、游梁支承中心、橫梁接近在一條水平線上。在使用電動機進行型式試驗時發(fā)現(xiàn)，調(diào)整平衡后，直游梁抽油機峰值電流始終小于調(diào)徑變矩型抽油機，同比日耗電量下降12%以上。

圖2 直游梁抽油機

1 游梁角變化對抽油機能耗研究

1.1 研究方法

假定油井井況和抽油機參數(shù)，利用文獻[9]的有關(guān)公式，分別設(shè)置游梁平衡重下偏角（游梁角τ）為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°，反復(fù)調(diào)整游梁平衡重，直到減速器平衡率大于99%，考慮到減速器轉(zhuǎn)矩為負(fù)值時，不消耗電能，僅研究其變化對減速器正轉(zhuǎn)矩均方根值的影響[10]。

1.2 假定油井井況

下泵工藝參數(shù)：下泵深度為1800 m，動液面深度為1600 m，柱塞直徑為32 mm，桿柱組合φ22×720+φ19×810+φ22×270，液體密度為0.90 t/m3，油管不鉚定[11]。

1.3 抽油機參數(shù)

游梁前臂長度A=3000 mm，游梁后臂長度C=1510 mm，連桿長度P=3610 mm，R=720 mm，游梁支承中心至減速器輸出軸垂直距離H-G=3600 mm，游梁支承中心至減速器輸出軸水平距離I=1600 mm，結(jié)構(gòu)不平衡重B=5 kN，曲柄重力為3 kN，曲柄、游梁平衡半徑Kc=5500 mm，沖次4 沖/min。抽油機機構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 抽油機機構(gòu)模型示意圖

1.4 主要計算公式[9]

2 主要計算結(jié)果及原因分析

鑒于手工計算工作量巨大，使用有桿泵抽油機系統(tǒng)設(shè)計計算軟件進行模擬計算，有桿泵抽油系統(tǒng)抽油機參數(shù)輸入界面如圖4所示。

圖4 抽油機參數(shù)輸入界面

2.1 主要計算結(jié)果

抽油機設(shè)計軟件模擬計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 抽油機設(shè)計軟件模擬計算結(jié)果

通過軟件模擬計算認(rèn)為，游梁角小于10°時，減速器峰值轉(zhuǎn)矩和電動機平均功率變化不明顯；游梁角超過10°后減速器峰值轉(zhuǎn)矩和電動機平均功率迅速上升。不同游梁角對減速器峰值轉(zhuǎn)矩和電動機平均功率如表2所示。

表2 不同游梁角對峰值轉(zhuǎn)矩和平均功率的影響

2.2 原因分析

多數(shù)游梁式抽油機均為對稱循環(huán)抽油機，即游梁上下擺角相同，即使存在擺角差，一般也不超過5°。

抽油機實時光桿功率為光桿載荷與光桿速度的乘積，目前國內(nèi)多數(shù)抽油機屬于中、低沖次，一般沖次低于8沖/min，因此其整個運行過程中因懸點加速度引起的懸點載荷變化不大，但懸點速度從0變到最大再到0，游梁處于水平位置附近時，光桿獲得最大速度，因此游梁處于水平位置附近時，需要最大功率，直游梁抽油機此時力臂最長，能夠提供最大的平衡功率，即電動機需要輸出的功率相對較小。

此外，一般游梁機游梁上、下擺角在30°左右，游梁平衡重提供的平衡力距始終在86.6%～100%之間變化。在鋼制抽油桿組成的有桿泵抽油系統(tǒng)中，油井最小載荷一般為最大載荷的50%左右。而調(diào)徑變矩型或彎游梁，平衡重下偏角約20°，平衡重提供的平衡功率在64%～100%之間變化，故非常容易出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩。不同游梁角時曲柄凈轉(zhuǎn)矩曲線圖如圖6所示。

圖6 不同游梁角時曲柄凈轉(zhuǎn)矩曲線圖

3 結(jié)語

本抽油機在玉門油田環(huán)慶區(qū)塊已應(yīng)用近百臺，在井場對直游梁抽油機峰值電流和24 h耗電量進行檢測證實，直游梁抽油機相對調(diào)徑變矩型抽油機更加節(jié)能，同比日均耗電量下降12%以上。

經(jīng)過理論分析以及軟件模擬可知：直游梁抽油機整個運行過程中，力臂變化較小，更接近于雙驢頭抽油機。調(diào)徑變矩型抽油機整體重心較低，同等工況和材料規(guī)格下，穩(wěn)定性較好，但調(diào)徑變矩型抽油機運行過程中游梁配重塊提供的平衡轉(zhuǎn)矩變化較大，運行過程中非常容易出現(xiàn)負(fù)轉(zhuǎn)矩，耗電量也隨著平衡重下偏角的增大而明顯增大，從節(jié)能角度考慮游梁角不宜超過15°。