抽油機四連桿參數(shù)優(yōu)化研究

吳永正, 李小朋, 常菁鉉, 李永新, 胡汝軍

（1. 中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島266580；2. 玉門油田分公司，甘肅 酒泉735000）

0 引 言

游梁式抽油機是我國主要的機械采油設備，據(jù)統(tǒng)計，截至2012年底，僅中石油下屬企業(yè)在用游梁式抽油機就超過14萬臺，其總數(shù)占采油井總數(shù)的80%以上。由抽油機、抽油桿、抽油泵等構(gòu)成的有桿泵采油系統(tǒng)耗能約占油田開發(fā)總能耗的1/4，因此對游梁式抽油機四連桿參數(shù)進行優(yōu)化研究有重要的經(jīng)濟意義。

1 目標函數(shù)、研究方法和步驟

1.1 目標函數(shù)

對抽油機優(yōu)化研究有以下目標函數(shù)：以懸點上沖程的最大加速度amax最小為目標函數(shù)，以期獲得較小的動載荷；以懸點上沖程的最大轉(zhuǎn)矩因數(shù)TFmax最小為目標函數(shù)，以改善抽油機減速箱曲柄轉(zhuǎn)矩特性；以曲柄均方根轉(zhuǎn)矩Me最小為目標函數(shù)；以抽油機耗能最少為目標函數(shù)。抽油機耗能最小為目標函數(shù)需要制造大量抽油機進行試驗，不具備操作可行性。經(jīng)過抽油機設計軟件模擬計算，證明懸點上沖程的最大加速度amax最小、懸點上沖程的最大轉(zhuǎn)矩因數(shù)TFmax最小和曲柄均方根轉(zhuǎn)矩Me最小三個目標函數(shù)不具備一致性，即相同工況下某抽油機懸點上沖程的最大加速度amax小不代表其懸點上沖程的最大轉(zhuǎn)矩因數(shù)TFmax和曲柄均方根轉(zhuǎn)矩Me也小，抽油機耗電量與減速器轉(zhuǎn)矩有直接的關(guān)系，鑒于減速器轉(zhuǎn)矩為負值時，不消耗電能，因此本文以曲柄正轉(zhuǎn)矩均方根值最小為目標函數(shù)。

1.2 研究方法和步驟

為便于定量直觀分析抽油機四連桿參數(shù)，首先根據(jù)參考文獻[2]有關(guān)公式計算出若干組抽油機四連桿參數(shù)，然后分別計算其在工況下的減速器正轉(zhuǎn)矩均方根值，從而研究抽油機四連桿參數(shù)變化對目標函數(shù)的影響。由于數(shù)據(jù)計算量龐大，本文使用抽油機設計軟件進行輔助設計計算,得到抽油機四連桿參數(shù)，如圖1所示。

圖1 抽油機設計軟件設計四連桿參數(shù)圖

1.2.1 抽油機四連桿參數(shù)約束條件

經(jīng)過對美國API、前蘇聯(lián)及國產(chǎn)抽油機進行分析，一般抽油機有以下約束條件：游梁最大擺角Ψ=40°～60°，游梁前臂與后臂長度的比值A(chǔ)/C=1.2～2.4，游梁后臂長度與極距的比值C/K=0.35～0.70，游梁上擺角與下擺角差值Ψb=-10°～+10°，極位夾角λ=0°～16°[4]。抽油機機構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 抽油機機構(gòu)模型示意圖

1.2.2 假定工況

設定曲柄平衡重Wb=45 kN；下泵工藝參數(shù)：下泵深度為1200 m，動液面深度為1000 m，柱塞直徑為56 mm，桿柱尺寸為25 mm×22 mm，比例為2∶3，液體密度為0.90 t/m3，油管不鉚定[5]。

1.2.3 假定抽油機參數(shù)

設定抽油機沖程為3 m，沖次為7 min-1。游梁最大擺角Ψ=50°，游梁前臂與后臂長度的比值m=1.5，游梁后臂與極距的比值n=0.4，游梁上擺角與下擺角差值Ψb=0°，極位夾角λ=0°。每次改變游梁擺角、游梁前臂與后臂、游梁上擺角與下擺角差值、極位夾角數(shù)值中的一個，反復調(diào)整曲柄平衡重偏置角和曲柄平衡重，直到減速器平衡率大于99%，研究其變化對減速器正轉(zhuǎn)矩均方根值的影響。

2 主要計算結(jié)果

抽油機設計軟件可以畫出計算目標函數(shù)圖，如圖3所示（常規(guī)型抽油機曲柄旋轉(zhuǎn)方向為逆時針，異相型抽油機曲柄旋轉(zhuǎn)方向為順時針），將使用該軟件計算得到的結(jié)果列成表格，得到常規(guī)型抽油機計算數(shù)據(jù)表（如表1）和異相型抽油機計算數(shù)據(jù)表（如表2）。

圖3 抽油機設計軟件計算目標函數(shù)圖

3 計算結(jié)果分析

對以上數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)：游梁前后臂長度比值、游梁后臂與極距的比值和游梁擺角增大均可引起目標函數(shù)（曲柄正轉(zhuǎn)矩均方根值）的增大；極位夾角為8°左右時目標函數(shù)最小，即抽油機理論能耗最小；游梁上擺角大于下擺角時對目標函數(shù)影響不大，但游梁下擺角大于上擺角時目標函數(shù)增大。

表1 常規(guī)型抽油機目標函數(shù)表

表2 異相型抽油機目標函數(shù)表

4 結(jié) 語

經(jīng)過計算結(jié)果分析可知，部分設計變量對目標函數(shù)影響不大，即對抽油機能耗影響不大，設計人員可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要進行優(yōu)化，同時盡量避免使用對目標函數(shù)不利的設計變量。通過計算也驗證了設計合理的異相型抽油機理論上比常規(guī)型抽油機更加節(jié)能，但需要對曲柄平衡重偏置角進行優(yōu)化調(diào)整。