提撈式抽油機(jī)研究與分析

孫祥，謝勁松

（長春理工大學(xué)，長春 130022）

0 引言

智能提撈式抽油機(jī)與傳統(tǒng)抽油機(jī)最大的不同是將剛性抽油桿換成連續(xù)柔性抽油桿，以超大沖程代替小沖程。此種抽油機(jī)克服了傳統(tǒng)抽油機(jī)供液不足情況下“干抽”的難題，克服了傳統(tǒng)抽油機(jī)能耗大效率低的缺點(diǎn)［1］。該項(xiàng)技術(shù)目前已在大慶油田、勝利油田、吉林油田、遼河油田試驗(yàn)成功并開始推廣，取得了良好的效果。

1 智能提撈式抽油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

智能提撈式抽油機(jī)作為一種完全區(qū)別于傳統(tǒng)抽油機(jī)的新型抽油系統(tǒng)［2］，主要由地上智能主機(jī)部分和地下抽油部分組成。地上智能主機(jī)部分主要包括電控箱、電動(dòng)機(jī)、擺線針輪減速機(jī)、制動(dòng)器、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、里巴斯?jié)L筒、自動(dòng)排繩機(jī)構(gòu)、設(shè)備支架、井架、滑輪等；地下部分主要包括連續(xù)柔性抽油桿、加重桿、壓力傳感器、柱塞、油管等。結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能提撈式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理簡介

連續(xù)柔性抽油桿將設(shè)備的里巴斯?jié)L筒和柱塞連接在一起，借鑒傳統(tǒng)提撈式抽油原理，以油井整體管柱為抽油泵筒，通過滾筒的正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)柱塞上下運(yùn)動(dòng)，完成抽汲過程［3～4］。

當(dāng)上行抽油時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，在設(shè)定的速度下，里巴斯?jié)L筒將連續(xù)柔性抽油桿纏繞在卷筒上的同時(shí)帶動(dòng)柱塞上行。柱塞上行時(shí)柱塞膠筒下滑至柱塞桿柱下端，將柱塞以上液柱封死不漏失。柱塞上行壓縮柱塞以上的液柱和氣體，當(dāng)壓力達(dá)到足以推開集油管線的單向閥時(shí)，液體經(jīng)集油管線進(jìn)入泵站。當(dāng)柱塞運(yùn)行至上死點(diǎn)時(shí)電控箱的控制系統(tǒng)感應(yīng)到信號(hào)，控制制動(dòng)器制動(dòng)，設(shè)備自動(dòng)停止運(yùn)行，等待控制信號(hào)下放，以保護(hù)柱塞不觸及井口密封器，避免井口密封器的損壞或者是由于拉力過大而使柱塞與柔性抽油桿脫離。

當(dāng)柱塞下行時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，制動(dòng)器開啟，依靠加重桿、連續(xù)柔性抽油桿、柱塞的自重帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)。柱塞膠筒滑至柱塞桿柱的上端，柱塞打開，液體沿著柱塞桿柱上的凹槽倒注入柱塞。當(dāng)柱塞運(yùn)行至下死點(diǎn)時(shí)，制動(dòng)器制動(dòng)，根據(jù)壓力傳感器反饋的信號(hào)決定是否上行，若液柱高度沒達(dá)到設(shè)定值，則停機(jī)等待液面恢復(fù)之后自動(dòng)起機(jī)進(jìn)行上行抽汲。

3 柱塞膠筒受力分析

膠筒是核心部分，對抽油起著至關(guān)重要的作用，因此有必要對其進(jìn)行受力分析，研究其磨損變形問題。膠筒在井下同時(shí)受到液柱的壓力和油管的摩擦力的作用。

3.1 液體壓力計(jì)算

P 為膠筒所受壓強(qiáng)，MPa；P0為井口油壓，MPa；ρl為液體密度，kg/m3；Hs為舉升液體的高度，m；Hd為膠筒底部液面高度，m；Ht為油套環(huán)空液面高度，m；Pt為套壓，MPa。

Fh為膠筒所受壓力，N；dy為油管內(nèi)徑，mm；dr為柔性抽油桿外徑，mm。由式（1）、式（2）可知膠筒所受壓力與舉升液體的高度成線性關(guān)系。

3.2 摩擦力計(jì)算

在ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖2 所示，網(wǎng)格尺寸限制在2 mm以下，由于膠筒為環(huán)形結(jié)構(gòu)，為了效果更均勻?qū)ΨQ，網(wǎng)格以六面體網(wǎng)格為主。

將膠筒在它的軸線方向（z 方向）上分成N 段，單一小段的高為hn=hz+1-hz。hn為每段的高度；hz+1和hz為該段上下兩個(gè)取樣點(diǎn)的坐標(biāo)值；

每一小段受到的摩擦力fn=μ×π×Djt×hn×fz。

式中：fn為每一小段受到的摩擦力，N；Djt為膠筒與油管接觸面的最大直徑，mm；fz為采樣點(diǎn)的應(yīng)力，N；μ 為摩擦因數(shù)，取0.1。

則由變形擠壓產(chǎn)生的摩擦力計(jì)算公式為

圖2 膠筒網(wǎng)格劃分

Ff為膠筒與油管之間的摩擦力，N。

對以上數(shù)據(jù)在MATLAB 中進(jìn)行曲線擬合，

由擬合曲線知摩擦力與液柱高度也呈線性關(guān)系。

磨損量計(jì)算公式：V＝fm×Ff×l

式中：V 為磨損量；fm為磨損因數(shù)；l 為摩擦力作用距離。

表1 不同液柱高度對應(yīng)的摩擦力

磨損量分別與液柱高度和摩擦力作用距離成正比，對于不同油井需根據(jù)其產(chǎn)液量具體分析，以使磨損量和耗電量同時(shí)最少。已實(shí)驗(yàn)成功的油井，柱塞下放至1 150 m至1 250 m，每次提升0.9 方，節(jié)電率達(dá)到80%。柱塞膠筒40 天左右更換一次。

圖3 擬合曲線

4 耗電量分析

傳統(tǒng)抽油機(jī)能耗分析：Pe1＝（Q·H·Pl·g）/86400。

Pe1為傳統(tǒng)抽油機(jī)有效功率，kW；ρl為液體密度，kg/m3；Q 為油井日產(chǎn)液量，m3；H 為有效揚(yáng)程m；g 為重力加速度，9.8 N/kg。其中有效揚(yáng)程計(jì)算公式：

Hj為井口動(dòng)液面深度，m；Pt為井口套壓，MPa提撈式撈油機(jī)能耗分析：

式中：Pe2為智能撈油機(jī)有效功率，kW；hs為舉升液體高度，m；hr為柱塞達(dá)到上死點(diǎn)時(shí)距井口距離，m。

以兩口實(shí)驗(yàn)井為例，在相同產(chǎn)液量Q 條件下作對比，見表2。

表2 兩口實(shí)驗(yàn)井節(jié)電率對比

5 結(jié)語

通過技術(shù)創(chuàng)新，提撈式抽油機(jī)的性能有了明顯改進(jìn)，在提高了系統(tǒng)工作效率的同時(shí)也達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，為低產(chǎn)井降低成本提供了一條新途徑，有著廣泛的應(yīng)用前景。但目前智能提撈式抽油機(jī)在我國仍處在發(fā)展階段，多項(xiàng)技術(shù)尚不成熟，仍需在膠筒材質(zhì)、抽油桿連接、井口密封等方面加強(qiáng)攻關(guān)，力爭有新的突破。

［1］王峰，靜恩志.我國柔性抽油桿的應(yīng)用及發(fā)展［J］.金屬制品，2001（1）：48-49.

［2］李偉.柔性連續(xù)抽油桿提撈式采油技術(shù)研究［D］.沈陽：東北石油大學(xué)，2011.

［3］王春華，祝立群，張永功，等.新型固定式撈油機(jī)［J］.油氣田地面工程，2007，26（2）：61.

［4］席明元.智能抽油機(jī)舉升技術(shù)應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2013（7）：103-104.