抽油機盤根耗能規(guī)律及調盤根優(yōu)化研究

呂秋蕓

中國石油大慶油田有限責任公司第五采油廠 （黑龍江 大慶 163513）

到目前為止，某油田抽油機井達5 500口，年耗電超過3.0×108kW·h。通過優(yōu)化抽汲參數(shù)、調整抽油機平衡和應用節(jié)能設備等技術措施實現(xiàn)節(jié)能，見到了一定效果。近幾年，新增能耗點大幅增多，耗電上升快速，而節(jié)能挖潛技術實施空間持續(xù)縮小，這給機采井節(jié)能工作帶來很大壓力[1-3]。因此，需要從細節(jié)著手，對能耗點實施精細管理，以期獲得更好的節(jié)電效果。 目前抽油機井井口采用盤根盒密封，盤根盒采用盤根填充壓緊，保證光桿上下沖程的密封。盤根太松則容易漏油；太緊，抽油機能耗升高[4-5]。在保證盤根不漏油的情況下，降低盤根與光桿間配合松緊程度，可實現(xiàn)一定節(jié)能效果。

由取得的數(shù)據(jù)可知，隨盤根上緊，單井瞬時耗電量增大，終端點與始端點瞬時有功功率相比上升了20%。盤根上緊后，能耗上升較顯著。

圖1 轉矩扳手現(xiàn)場安裝圖

1 最佳盤根松緊度試驗

1.1 盤根上緊試驗

試驗中采用轉矩扳手對盤根上緊，扳手自帶刻度盤指示上緊度，扳手型狀如圖1。首先逆時針轉動扳手，放松盤根盒，直至盤根盒上部漏失，記錄此時扳手讀數(shù)為40 N·m左右；然后，順時針旋轉扳手上緊盤根盒，每旋轉1/4圈，記錄一次扭矩值，緊至扳手讀數(shù)200 N·m為止（此時，由于盤根與光桿配合很緊，導致光桿上下行阻力增大、發(fā)熱明顯并伴有“滋滋”響聲，不宜繼續(xù)上調）。以扭矩為橫坐標，以有功功率為縱坐標繪制曲線，如圖2。

圖2 盤根上緊過程中功率變化圖

1.2 盤根自然松弛規(guī)律

選擇3口高沖次（n=8次/min）抽油機井開展實驗。首先，使用轉矩扳手，將盤根扭矩上緊至200 Nm，試驗第1～2 d加密監(jiān)測數(shù)據(jù)。之后3～10 d每天錄取一次扭矩值。措施后，3口試驗井的扭矩及有功功率均隨時間延長而降低，呈現(xiàn)相似的變化趨勢，下面以A井為例（錄取所得數(shù)據(jù)見表1），分析規(guī)律。

表1 盤根盒扭矩-功率隨時間變化表

由表1繪制時間-功率變化圖，如圖3所示。

圖3 時間與功率變化分區(qū)圖

由圖3，根據(jù)有功功率隨時間變化，將整個區(qū)間劃分為速降區(qū)、緩降區(qū)和平穩(wěn)區(qū)。其中速降區(qū)位于0～48 h內，該區(qū)域內功率隨時間降速很快，但其值仍較高；緩降區(qū)位于45～144 h內，功率降低幅度變緩，但仍處于較高水平；144 h后功率曲線進入平穩(wěn)區(qū)，功率變化趨于平緩，耗電量達到最低。

1.3 盤根上緊周期制定

高沖次（n=8次/min）時，在平穩(wěn)區(qū)可以獲得最低的有功功率，且整個平穩(wěn)區(qū)持續(xù)時間較長（4 d）。盤根消耗主要受盤根和光桿間摩擦次數(shù)影響，每分鐘摩擦次數(shù)越多，盤根消耗越大，越容易變松。因此，低沖次井盤根變松時間要長于高沖次井，也就是說，當抽油機沖次n＜8次/min時，盤根扭矩降至40 N·m所需時間必大于4 d。因此，4 d可作為抽油機沖次n≤8次/min時，現(xiàn)場操作人員對盤根維護周期。通過查詢表1，平穩(wěn)區(qū)對應的盤根扭矩值為50.5～40 N·m。因此，將抽油機盤根額定上緊扭矩確定為50 N·m，調整周期定為4 d。

2 調盤根配套技術——定扭矩盤根盒

一般情況下，現(xiàn)場工人可使用移動式扭矩扳手調盤根。調盤根時，將扭矩扳手端部插頭與盤根扳桿上的固定六角頭配合，順時針轉動扳手即可上緊盤根。

該方法雖然技術上可行，但在管理過程中，發(fā)現(xiàn)雖然配備了扭矩扳手，并要求工人現(xiàn)場按照50 N·m扭矩上緊盤根，但部分工人為了減輕每4 d就要調一次盤根的工作量，仍將盤根緊至150 N·m以上，這樣直至下次盤根流油（40 N·m左右），可間隔9 d再實施盤根調緊工作。這種問題直接造成了定扭矩調盤根無法有效實施，無法實現(xiàn)預期的節(jié)能效果。

基于以上問題，設計了一種定扭矩盤根盒，這種盤根盒可實現(xiàn)在扭矩達到50 N·m以后，工人無法繼續(xù)上緊盤根，避免了以上問題的發(fā)生。

抽油機井定扭矩值盤根盒在原有盤根盒基礎上進行了改進，在盤根壓帽處增加了棘輪棘爪式定扭矩機構，保留了原有盤根盒密封蓋、扳桿、大壓帽、偏心球頭和彈簧等組成部分（圖4）。該設計可通過旋緊和旋松調節(jié)螺母起到預設壓緊和放松彈簧的目的，以此改變棘輪棘爪定扭矩范圍，目前預設3個松緊檔位，分別為 50 N·m、60 N·m 和 70 N·m。

實際中，在完成加盤根并對盤根壓帽旋緊時，通過扳桿、棘輪棘爪式定扭矩機構帶動盤根壓帽一起向下旋轉上扣，隨扳桿順時針旋轉上扣，內部壓帽逐漸壓緊盤根，扳桿和定扭矩機構處的扭矩達到預設值（50 N·m）時，棘輪向外推動棘爪并壓縮彈簧，棘輪和棘爪間失去傳動作用，造成棘爪沿棘輪圓周方向空轉，繼續(xù)旋轉扳桿，盤根也不再繼續(xù)上緊，達到定扭矩的目的。

目前應用定扭矩盤根盒135口井，年內累計節(jié)電 9.72×104kW·h，電費按 0.637 1元/kW·h計算，年節(jié)省費用6.19萬元。定扭矩盤根盒是在原來盤根盒的設計基礎上改造而成，改造費用為155元/個，135口井總投資為2.09萬元。年內投資回收比為1:2.96，投資回收期約為123 d。

圖4 定扭矩盤根盒結構圖

3 結論

1）抽油機井隨盤根上緊，能耗升高。在保證盤根不漏油的情況下，為實現(xiàn)節(jié)能效果，可適當降低上緊扭矩。

2）盤根扭矩調至最緊后，隨盤根與光桿間配合變松，有功功率也隨之變化，先后經歷速降區(qū)、緩降區(qū)和平穩(wěn)區(qū)；其中平穩(wěn)區(qū)可以獲得最低的有功功率，持續(xù)大概4 d，對于沖次n≤8次/min抽油機井，盤根額定上緊扭矩可定為50 N·m。

3）抽油機井定扭矩盤根盒的應用方便了現(xiàn)場操作和對工人按規(guī)定調盤根的管理，較好地控制了抽油機井盤根這一節(jié)點的能耗，實現(xiàn)了節(jié)電。