數(shù)字化抽油機(jī)質(zhì)量問(wèn)題分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

閆 凱張志強(qiáng) 嚴(yán)密林 李昱坤

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 西安 2.大慶油田 黑龍江大慶）

一、引言

抽油機(jī)作為油田生產(chǎn)的重要設(shè)備，其質(zhì)量好壞直接影響油田生產(chǎn)，也可能造成重大事故。數(shù)字化抽油機(jī)是某油田公司自主研發(fā)的具有遠(yuǎn)程智能控制和高效節(jié)能的新一代采油設(shè)備，滿足了該油田綠色開(kāi)采、數(shù)字化管理的需要。相對(duì)于傳統(tǒng)抽油機(jī)由傳動(dòng)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)等4部分組成，數(shù)字化抽油機(jī)增加了數(shù)字化控制系統(tǒng)，對(duì)其他4部分進(jìn)行數(shù)字化控制，更增加了整機(jī)的復(fù)雜性，如圖1所示。數(shù)字化抽油機(jī)所用的零部件和電子元件眾多，任何一個(gè)零部件或電子元件出現(xiàn)問(wèn)題，都可能造成整機(jī)故障。針對(duì)數(shù)字化抽油機(jī)在油田現(xiàn)場(chǎng)使用中存在的常見(jiàn)問(wèn)題，進(jìn)行分析歸類，指出抽油機(jī)質(zhì)量改進(jìn)的方向，并著重對(duì)抽油機(jī)支架設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高抽油機(jī)在油田現(xiàn)場(chǎng)的使用性能。

二、數(shù)字化抽油機(jī)質(zhì)量問(wèn)題分析

對(duì)某油田各采油廠和超滲油藏項(xiàng)目部的數(shù)字化抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量情況進(jìn)行跟蹤調(diào)查，收集到近3年在驗(yàn)收、使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的各種質(zhì)量問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)出常見(jiàn)的41個(gè)質(zhì)量問(wèn)題，將其歸納并分為外協(xié)外購(gòu)件質(zhì)量問(wèn)題、標(biāo)準(zhǔn)件質(zhì)量問(wèn)題、抽油機(jī)設(shè)計(jì)問(wèn)題、整機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題、其他問(wèn)題共5大類（表1）。

圖1 數(shù)字化抽油機(jī)系統(tǒng)組成圖

表1 數(shù)字化抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用質(zhì)量問(wèn)題分類

分析現(xiàn)場(chǎng)使用反饋的質(zhì)量問(wèn)題，外協(xié)外購(gòu)件質(zhì)量問(wèn)題和抽油機(jī)設(shè)計(jì)問(wèn)題所占比例大，應(yīng)作為質(zhì)量改進(jìn)的重點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)件質(zhì)量問(wèn)題和整機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題所占比例也比較大，也應(yīng)給予高度重視。其他問(wèn)題中主要是售后服務(wù)質(zhì)量，應(yīng)該作為數(shù)字化抽油機(jī)生產(chǎn)廠的服務(wù)提高重點(diǎn)項(xiàng)。

三、數(shù)字化抽油機(jī)支架設(shè)計(jì)優(yōu)化

數(shù)字化抽油機(jī)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的功能部件主要有平衡機(jī)構(gòu)、電控配備、支架強(qiáng)度、數(shù)采傳輸性能等。經(jīng)過(guò)分析研究，支架是抽油機(jī)支撐系統(tǒng)的重要部分，支架的完整性和可靠性直接影響整機(jī)性能是否能正常實(shí)現(xiàn)，因此支架發(fā)生故障后的影響較大。對(duì)數(shù)字化抽油機(jī)支架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為抽油機(jī)支撐系統(tǒng)完整性提供保障。

1.支架優(yōu)化重點(diǎn)及要求

某油田使用的第三代數(shù)字化抽油機(jī)支架采用3支腿結(jié)構(gòu)，節(jié)省材料，并具有加工焊接容易等特點(diǎn)，但是其整體強(qiáng)度較弱，在惡劣工況下容易發(fā)生支架開(kāi)裂、傾倒等故障。

支架結(jié)構(gòu)和用材應(yīng)作為抽油機(jī)支架優(yōu)化的重點(diǎn)，其強(qiáng)度必須保證油田現(xiàn)場(chǎng)正常工況下并且一定等級(jí)的異常情況下整機(jī)支撐系統(tǒng)的的完整性和可靠性，其結(jié)構(gòu)應(yīng)易于加工焊接，所用材料不冗余。

2.抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)受力分析

按照中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5044—2003，抽油機(jī)正常工況下懸點(diǎn)最大載荷不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定懸點(diǎn)載荷。以6型機(jī)為例，該機(jī)型抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)支架結(jié)構(gòu)頂部受力示意圖見(jiàn)圖2。通過(guò)抽油機(jī)設(shè)計(jì)軟件及計(jì)算機(jī)輔助軟件，得出支架頂部在曲柄旋轉(zhuǎn)一周中的受力情況見(jiàn)表2。其中θ曲柄旋轉(zhuǎn)角度，F(xiàn)x為支架頂部水平力，F(xiàn)z為支架頂部豎直力，G為懸點(diǎn)載荷。

圖2 抽油機(jī)支架頂部受力示意圖

圖3 支架有限元分析模型（3支腿）

3.支架結(jié)構(gòu)有限元分析

第三代數(shù)字化抽油機(jī)支架采用3支腿結(jié)構(gòu)，1支前腿和2支對(duì)稱的后腿，前腿采用18#工字鋼，后腿采用18#槽鋼，后腿之間設(shè)有3道橫撐均采用 16#槽鋼，前后腿有兩道橫撐均采用16#工字鋼，所用的型鋼材料均為Q235。

采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)其支架進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算模型見(jiàn)圖3，曲柄每旋轉(zhuǎn)15°設(shè)置1個(gè)分析步，在1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期（360°）共設(shè)置25個(gè)分析步。計(jì)算得出每個(gè)分析步相應(yīng)的數(shù)值解。

通過(guò)計(jì)算得出，支架的最大Mises（等效）應(yīng)力和最大位移均出現(xiàn)在 225°時(shí)，最大應(yīng)力為184.8 MPa，頂部最大位移為6.5 mm?？梢钥闯?，最大Mises應(yīng)力雖符合材料性能要求，但已經(jīng)接近材料的屈服極限235 MPa，安全裕量不充足；頂部最大位移雖不超標(biāo)準(zhǔn)要求，但如果某機(jī)本身的懸點(diǎn)投影直徑較大，兩者疊加就可能造成抽油桿磨損井口的情況。

表2 支架頂部受力模擬計(jì)算情況

4.支架優(yōu)化結(jié)構(gòu)有限元分析

經(jīng)研究提出一種4支腿支架的結(jié)構(gòu)，2支對(duì)稱前腿和2支對(duì)稱的后腿，4支腿均采用 18#槽鋼，相鄰兩腿之間設(shè)有兩道橫撐均采用16#槽鋼，所用型鋼材料均為Q235。有限元分析模型見(jiàn)圖4，載荷與3支腿支架計(jì)算相同。

通過(guò)計(jì)算得出，支架的最大Mises應(yīng)力和最大位移也出現(xiàn)在225°時(shí)，最大Mises應(yīng)力為109.1 MPa，頂部最大位移為3.5 mm?？梢钥闯?，最大Mises應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服極限235 MPa，安全裕量充足；頂部最大位移較小，不易引起抽油桿磨損井口的情況。

圖4 支架有限元分析模型（4支腿）

5.有限元分析結(jié)果對(duì)比

圖5 兩種結(jié)構(gòu)支架最大Mises應(yīng)力對(duì)比

對(duì)比兩個(gè)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的性能參數(shù)見(jiàn)圖5和圖6?？梢?jiàn)，在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中4支腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度明顯好于3支腿結(jié)構(gòu)，安全性高。4支腿結(jié)構(gòu)所用材料量較多，但多用材料量在整機(jī)成本中所占比例仍較小，綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)選用4條腿結(jié)構(gòu)的支架。經(jīng)過(guò)在油田現(xiàn)場(chǎng)使用情況反饋，4支腿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，適用于油田現(xiàn)場(chǎng)。

四、結(jié)語(yǔ)

圖6 兩種結(jié)構(gòu)支架頂部位移對(duì)比

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和分析，外協(xié)外購(gòu)件問(wèn)題和抽油機(jī)設(shè)計(jì)問(wèn)題是影響數(shù)字化抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用質(zhì)量的主要因素。對(duì)抽油機(jī)支架進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，模擬計(jì)算表明改進(jìn)的支架在受載情況下的最大應(yīng)力和頂部最大位移大幅降低，安全裕度充足。油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，采用優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)的數(shù)字化抽油機(jī)使用效果良好，適應(yīng)性強(qiáng)。