加裝減載器的有桿抽油系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)

孟 亞，王金東，于振東，趙海洋

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司，黑龍江大慶163318） ＊

加裝減載器的有桿抽油系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)

孟 亞1，王金東1，于振東2，趙海洋1

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司，黑龍江大慶163318）＊

減載器是采油井內(nèi)配置的一種井下工具，可以通過(guò)自身產(chǎn)生的液壓反饋力來(lái)降低抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)載荷和抽油桿應(yīng)力。加裝減載器后，使有桿抽油系統(tǒng)的動(dòng)力特性發(fā)生改變，原有系統(tǒng)平衡被打破。根據(jù)有桿抽油系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和平衡準(zhǔn)則，對(duì)抽油系統(tǒng)及平衡重力進(jìn)行分析。將理論計(jì)算與實(shí)際工況相結(jié)合，通過(guò)數(shù)值分析計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，使有桿抽油系統(tǒng)能耗降低，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

減載器；懸點(diǎn)載荷；平衡重；數(shù)值分析

有桿抽油系統(tǒng)包括抽油機(jī)、抽油桿、抽油泵、油管、套管等地面設(shè)備和井下設(shè)備。減載器是安裝在采油井井口和井下抽油泵之間的一種井下工具［1－4］。通過(guò)該工具與抽油機(jī)、抽油桿、抽油泵等的合理匹配，可以產(chǎn)生液壓反饋力來(lái)大幅度降低抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)載荷，增加泵掛深度和泵的沉沒(méi)度，增大生產(chǎn)壓差，提高油井產(chǎn)量，降低抽油桿應(yīng)力；實(shí)現(xiàn)油井深抽或超深抽，從而提高抽油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，并且延長(zhǎng)抽油桿及地面設(shè)備的使用壽命，有效節(jié)約生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益［5］。筆者根據(jù)有桿抽油系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律［6－8］，對(duì)加裝減載器的抽油系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)值分析對(duì)系統(tǒng)平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其在平衡狀態(tài)下工作，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 減載器及減載力

減載器主要由進(jìn)出液孔、柱塞管，上下密封管、呼吸孔、減載活塞等部分組成，其具體結(jié)構(gòu)及工作原理見(jiàn)文獻(xiàn)［3］。減載器的柱塞管和減載活塞隨抽油桿柱一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，減載活塞上、下端面2處的壓力有差值，由該差值所產(chǎn)生的力作用在減載活塞的下端面，使其產(chǎn)生一個(gè)向上的舉升力——減載力。減載器的減載力與油井動(dòng)液面高度、減載器在井下深度、減載活塞和密封活塞的直徑有關(guān)。

減載力與油井動(dòng)液面高度存在一定的關(guān)系：當(dāng)動(dòng)液面在井口時(shí)，減載力為零，減載力隨著動(dòng)液面的下降而逐漸增大；當(dāng)動(dòng)液面在減載器呼吸孔位置時(shí)，減載力達(dá)到最大；當(dāng)動(dòng)液面在呼吸孔以下時(shí)，減載力保持最大值。減載力PF（不考慮油套環(huán)空中靜氣柱的壓力）計(jì)算式為

式中，p1為減載活塞下端面處的壓力，Pa；p2為減載活塞上端面處的壓力，Pa；ρ為井液密度，kg／m3；h為減載器上液體折算高度，m；S1為減載活塞截面面積，m2；S2為柱塞管截面面積，m2。

2 平衡重力理論計(jì)算

加裝減載器后的有桿抽油系統(tǒng)原來(lái)的平衡狀態(tài)和動(dòng)力特性都發(fā)生改變，因此需要達(dá)到新的平衡才能保證其在最佳狀態(tài)下工作。這需要對(duì)抽油機(jī)的平衡重進(jìn)行調(diào)節(jié)。

安裝減載器后，抽油機(jī)下沖程過(guò)程中懸點(diǎn)所承受的力主要由抽油桿柱在液體中的重力、減載力及下沖程各種摩擦力組成。在上沖程中，懸點(diǎn)所承受的力主要有抽油桿柱在液體中的重力、油管內(nèi)柱塞以上的液柱重力和減載力、上沖程各種摩擦力。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)在上、下沖程做功相等的平衡準(zhǔn)則，下沖程時(shí)平衡重所儲(chǔ)存的能量或上沖程時(shí)釋放出的能量A0為

式中，Axs為上沖程提升抽油桿柱所做的功；Axx為下沖程抽油桿柱下落所做的功。

如果已有抽油機(jī)的實(shí)際示功圖，則Axs和Axx可以由示功圖面積求得；沒(méi)有實(shí)際示功圖，可以用靜力示功圖進(jìn)行計(jì)算。但在井較深、抽油機(jī)沖次較大的情況下，必須考慮動(dòng)載荷的影響，動(dòng)載荷由慣性載荷和振動(dòng)載荷2部分組成。

確定了儲(chǔ)存或平衡的能量A0以后，進(jìn)而對(duì)機(jī)械平衡重力的大小和位置進(jìn)行計(jì)算。本文以如圖1所示的復(fù)合平衡游梁式抽油機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算。

游梁部件自重力折算成的游梁平衡重力為

曲柄自重力折算成曲柄平衡重力的平衡半徑為

1） 對(duì)于復(fù)合平衡抽油機(jī)，游梁平衡重力為

曲柄平衡重力的平衡半徑為

2） 對(duì)于游梁平衡方式，Qq＝0，忽略曲柄自重力影響，得

3） 對(duì)于曲柄平衡方式，Qy＝0，忽略游梁部件自重力的影響，得

式中，Kc為Qy離游梁支點(diǎn)的距離，m；Qq為曲柄平衡重力，N；Rq為Qq的平衡半徑，即曲柄平衡重力重心離曲柄旋轉(zhuǎn)中心O′的距離，m；qy為游梁部件（包括驢頭、游梁、橫梁和連桿）的重力，N；ly為qy的重心離游梁支點(diǎn)的距離，m，qy的重心在驢頭一側(cè)為負(fù)值，反之為正；qq為曲柄自重力，N；Lq為qq的重心離曲柄旋轉(zhuǎn)中心O′的距離，m；δy為游梁擺角，（°）；δ為上沖程起始點(diǎn)時(shí)曲柄轉(zhuǎn)角，（°）；δ′為上沖程終止點(diǎn)時(shí)曲柄轉(zhuǎn)角，（°）。

圖1 復(fù)合平衡游梁式抽油機(jī)原理

3 數(shù)值分析

以平衡重力的理論計(jì)算和分析為基礎(chǔ)，將現(xiàn)場(chǎng)采集到的抽油系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)和抽油機(jī)型號(hào)等作為基本參數(shù)，通過(guò)編寫(xiě)相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)減載后重新調(diào)節(jié)平衡重的計(jì)算和分析，得出新的適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的平衡參數(shù)。

在抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析過(guò)程中，很多參數(shù)（例如懸點(diǎn)位移、速度、加速度）均可用曲柄轉(zhuǎn)角的函數(shù)表示，因此在程序運(yùn)算過(guò)程中取曲柄轉(zhuǎn)角的間隔為1°。將抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力參數(shù)（例如懸點(diǎn)位移、載荷、扭矩等）設(shè)為數(shù)組變量，數(shù)組長(zhǎng)度取360°，與曲柄轉(zhuǎn)角的劃分一致，這樣可將每次循環(huán)所算出的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力參數(shù)存放于數(shù)組變量中。然后，采用描點(diǎn)法繪出較為清晰的位移、速度、加速度、扭矩曲線以及動(dòng)力示功圖。相應(yīng)數(shù)組元素就是曲線上點(diǎn)的縱坐標(biāo)，曲柄轉(zhuǎn)角是橫坐標(biāo)。

利用本程序?qū)友bSC－П型深抽減載裝置的CYJY10－3－37HB型抽油機(jī)（工況：桿柱組合為?19 mm×905m、?22mm×603m，泵徑?38mm，泵深1 506m，沖次4min－1）進(jìn)行平衡重力的調(diào)節(jié)計(jì)算和運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析，將得出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入工作表中繪制扭矩曲線，如圖2～3所示。圖中，TwB為純光桿載荷在曲柄軸上產(chǎn)生的扭矩，N·m；Tm為曲柄平衡扭矩，N·m；Tn為減速器凈扭矩，N·m。

圖2 減載前曲柄扭矩隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖3 加裝減載器后達(dá)到新平衡的扭矩曲線

經(jīng)程序計(jì)算得：原CYJY10－3－37HB型抽油機(jī)減速箱輸出軸的最大輸出扭矩為28 187.56N·m；減速箱輸出軸的均方根扭矩為14 642.52N·m；加裝減載器后減載器所能提供的最大減載力為14.4 kN；單塊平衡重調(diào)節(jié)量為移近曲柄中心0.20m；達(dá)到新平衡的CYJY10－3－37HB型抽油機(jī)減速箱輸出軸的最大輸出扭矩為15 980.27N·m；減速箱輸出軸的均方根扭矩為8 926.89N·m。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出，加裝減載器并調(diào)節(jié)平衡重力達(dá)到新平衡后，抽油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，減速箱輸出軸峰值扭矩得到有效降低，而且扭矩曲線波動(dòng)較小，負(fù)扭矩減少。抽油機(jī)凈扭矩波動(dòng)越小，表示電機(jī)所受載荷越均勻，則消耗于熱損失的功就越小，抽油機(jī)能耗越低，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的；同時(shí)，靜扭矩曲線波動(dòng)小可延長(zhǎng)地面設(shè)備和抽油桿的使用壽命。

4 現(xiàn)場(chǎng)試用

2009—2011年，在Y266－140井試用了SC－П型深抽減載裝置，地面使用CYJY10－3－37HB型抽油機(jī)，桿柱組合為?19mm×905m、?22mm×603m，泵徑?38mm，沖次4min－1。按照理論優(yōu)化設(shè)計(jì)，該裝置設(shè)計(jì)下入深度650m。試用SC－П型深抽減載裝置前后示功圖如圖4～5所示。

圖4 Y266－140井減載前地面功圖

圖5 Y266－140井減載后地面功圖

對(duì)比圖4～5可知：抽油機(jī)最大載荷和最小載荷都有不同程度的下降，最小載荷下降幅度較大；抽油機(jī)平均最大、最小載荷分別下降了13.1kN和25 kN，降幅分別為24.6%和78%?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明：抽油機(jī)井系統(tǒng)效率得到提升，平均單井系統(tǒng)效率提高0.91百分點(diǎn)；消耗功率、日耗電量分別下降0.66kW和21kW·h，節(jié)電率達(dá)到13.0%，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)加裝減載器的抽油機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力學(xué)分析，推導(dǎo)出懸點(diǎn)載荷，平衡重力及減速箱曲柄軸扭矩的計(jì)算公式，并繪制了CYJY10－3－37HB型抽油機(jī)減速箱曲柄軸扭矩曲線。通過(guò)對(duì)比原抽油機(jī)和加裝減載器并達(dá)到新平衡的抽油機(jī)的扭矩曲線及均方根扭矩值，可以看出減載器能大幅度減輕抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)載荷及抽油桿柱重力，達(dá)到了增加油井產(chǎn)量、提高系統(tǒng)效率、降低能耗的目的。

［1］ 黃 偉，甘慶明，姚 斌，等.抽油機(jī)減載器原理及應(yīng)用研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（7）：25－27.

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Balance Adjustment of Sucker－rod Pumping System with Load Reducer

MENG Ya1，WANG Jin－dong1，YU Zhen－dong2，ZHAO Hai－yang1
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.Oil Test and Production Branch Company，Daqing Oilfield Company，Daqing163318，China）

Load reducer is a subsurface tool in the oil well.The load reducer can reduce sucker rod stress and polished rod load of pumping unit horse head by hydraulic pressure.The power characteristics and the balance of sucker－rod pumping system were changed with the reduced force produced by the load reducer.According to the system motion law and the balance principle，the pumping system and the counter weight was analyzed with theory.The theoretical calculation combining with the actual working condition，the system balance was adjusted by the result of numerical analysis again.As a result，the energy consumption of rod pumping system is reduced，the production cost is saved and the economic efficiency is improved.

load reducer；polished rod load；counter weight；numerical analysis

1001－3482（2012）03－0036－04

TE933

A

2011－09－23

孟 亞（1984－），女，河北辛集人，碩士研究生，主要從事機(jī)械采油系統(tǒng)工程研究。