曳引式抽油機在舉升中的應用分析

李秋穎, 王 濤, 楊 雷, 于天奇, 李 崢, 楊麗紅

(1中石油華北油田采油一廠 2中石油華北石油管理局有限公司江蘇儲氣庫分公司)

常規(guī)游梁式抽油機結構簡單、可靠耐用、操作維護方便，在有桿泵采油中占據(jù)了主導地位[1-2]。但受游梁前臂長和擺角限制，不適應長沖程；因懸點加速度和動載荷較大、平衡效果差，凈扭矩波動大，存在著大電機、大減速器配備方式，即“大馬拉小車”，因而效率低、能耗高[3]。為了節(jié)能和加大沖程，一方面對常規(guī)抽油機改進結構設計，如前置型、異相型[4]、異型(雙驢頭)[5]、下偏杠鈴和彎游梁等抽油機[6-7]，這些變型機只對四連桿機構進行了改進，未擺脫其在傳遞過程中的影響，未解決根本問題[1]。另一方面,為適應“長沖程、低沖次”抽油方式，諸如鏈條、寬帶、摩擦換向、數(shù)控等無游梁抽油機[8-9]逐漸在現(xiàn)場應用并取得較好的效果。但這幾種機型存在結構較復雜、撓性構件較多、傳動元件壽命低、換向沖擊載荷大等不足[10]。曳引式抽油機是長沖程無游梁抽油機，采用低速外轉子電機，動滑輪及天平式平衡，變頻控制等技術[11-12]，適用于各類油井的生產[13]。本文分析了曳引式抽油機機型懸點運動和受力狀況，建立了懸點載荷、平衡重、電機轉矩等計算模型，意在為該類機選型、工況優(yōu)化等提供分析的方法。

1 曳引式抽油機結構及工作原理

1.1 結構組成

曳引式抽油機由動力、曳引、控制、平衡及扶正、機架及移動、安全制動等六個系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 曳引式抽油機結構示意圖

1.2 主要特點

1)與游梁式抽油機和鏈條、寬帶等立式抽油機相比，無四連桿機構和減速裝置，簡化了傳動結構，實現(xiàn)電機直接驅動舉升系統(tǒng)，提高了傳動效率。

2)采用天平式平衡，平衡率高，保障了其在上下沖程運行的穩(wěn)定性。

3)曳引系統(tǒng)應用動滑輪裝置，電機承載較懸點降低1/2[12]，有效減小了電機裝機容量和輸出功率，提高了負載率。

4)通過改變供電頻率來調整沖次；調節(jié)上、下止點傳感器的位置來調整沖程的長度。地面調參可無級調整，且操作簡單。

1.3 工作原理

電機啟動后，驅動曳引系統(tǒng)帶動抽油桿柱和平衡重上下運動。當平衡重到達上、下限位開關時，由此處的傳感器向控制系統(tǒng)反饋信號，控制系統(tǒng)便發(fā)出相應指令，控制電機減速、停止、反向運轉。如此往復循環(huán)，實現(xiàn)了帶動抽油桿柱及井下泵的抽油過程。

2 舉升系統(tǒng)分析

2.1 懸點運動規(guī)律

曳引式抽油機懸點運動特點與游梁式抽油機不同，其懸點在上、下沖程的速度—時間曲線見圖2。懸點上下沖程的運動規(guī)律是勻加速—勻速—勻減速，但其運動方向相反。懸點的速度v、位移s、加速度a是隨時間t變化的分段函數(shù)。

圖2 懸點速度—時間曲線圖

2.2 曳引輪與動滑輪之間的速度、加速度關系

圖3中曳引輪O2定軸轉動時，兩個同樣的動滑輪O1和O3作平面運動[13]。質心O1點的速度V1為懸點向上運動的速度，B點為瞬心，A點的速度VA與曳引輪E點的速度VE相同，此時有：

V1=rω1

(1)

VA=VE=Rω2=2rω1

(2)

圖3 曳引系統(tǒng)平面運動示意圖

由式(1)、式(2)，并對其兩邊對時間t求導，得到：

(3)

(4)

式中：R—曳引輪半徑，m；ω2—曳引輪角速度，rad·s-1；r—動滑輪O1和O3的半徑，m；ω1—動滑輪O1繞瞬心軸B的角速度，rad·s-1；aA—A點的加速度，m·s-2；ao1—懸點O1的加速度，m·s-2。

所以電機曳引輪提升鋼絲繩的速度、加速度分別是懸點運動速度、加速度的2倍。同樣也是平衡重下降速度和加速度的2倍。

2.3 曳引系統(tǒng)動力學分析

以曳引系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)受力情況見圖4，假定懸點運動向上為正。

圖4 曳引系統(tǒng)受力分析圖

2.3.1 電機轉矩計算

上沖程，懸點由下死點向上死點運動，即在t1、t2、t3時間段內分別做勻加速、勻速、勻減速等運動。

在t1時間段，懸點的初始位置在下死點，系統(tǒng)此位置的動能Ek1=0,當懸點向上運動t1(s)、S1(m)的距離時，懸點速度為最大，此時系統(tǒng)動能為

(5)

t1時間段內，系統(tǒng)作的總功:

W=M1φ1+mpgS1+m3gS1-mrgS1-mlgS1-m1gS1

(6)

式中:mr、ml、mp—桿柱、液柱和平衡重的質量，kg；m1、m3、m2—動滑輪O1、O3和曳引輪O2的質量，kg；J1、J3—兩個動滑輪的轉動慣量，kg·m2；J2—曳引輪的轉動慣量，kg·m2；ω3—動滑輪O3繞瞬心D的角速度，rad·s-1；φ1—曳引輪的轉角，rad。

下沖程，由于泵的游動凡爾打開，液柱載荷作用在油管上，懸點主要承受桿柱在油管內液體中的重力。

依據(jù)動能定理，Ek2-Ek1=W[14]，計算上沖程電機扭轉M1、M2、M3，下沖程扭矩M4、M5、M6。計算表明，曳引系統(tǒng)使用動滑輪裝置，電機輸出轉矩是懸點載荷力矩的1/2。

2.3.2 懸點最大、最小載荷

同樣，曳引式抽油機懸點最大載荷Pmax發(fā)生在上沖程，最小載荷Pmin發(fā)生在下沖程，也受靜載荷、動載荷和摩擦載荷的影響。在只考慮桿柱和液柱的靜載荷和慣性載荷時，依據(jù)文獻[15]的分析方法，Pmax、Pmin分別由式(13)、式(14)計算:

Pmax=P靜+P慣上=(mr+ml)g+(mr+ml)a1

(7)

(8)

式中:P靜—懸點靜載荷，是桿柱在空氣中的重力與液柱重力的和，N；P慣上—上沖程桿柱和液柱的慣性載荷，N。

2.3.3 平衡重計算

要保持曳引式抽油機平衡運轉，須使電機上下沖程相應階段所輸出的轉矩相同。

在勻加速階段，若a1=-a4,令M1=M4，化簡得到平衡重計算公式：

(9)

在勻速和勻減速階段平衡重的計算結果與式(19)相同。故曳引式抽油機的平衡重應為懸點最大載荷與最小載荷的1/2。

3 現(xiàn)場應用及效果分析

曳引式抽油機近幾年在華北油田采油一廠應用11口井，應用效果良好。以R311井為例,試驗數(shù)據(jù)分析如下:試驗時油井泵徑、泵深、桿柱組合未變，沖程由3 m增至5.5 m，沖次由5 min-1降至3 min-1，泵的排量增大5.3 m3/d。

3.1 懸點運動曲線對比

由圖5、圖6看出，曳引式抽油機懸點只在上下死點附近有加速度，大部分時間將保持勻速運動，且vmax、amax小，這種狀況降低了懸點慣性載荷，使舉升系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)。

圖5 抽油機懸點加速度曲線

3.2 電機輸入功率曲線對比

該井電機容量由前45 kW換為14.5 kW。由圖7看出，該電機功率曲線平緩，峰值小，不存在負功，電機運行平穩(wěn)。

圖6 抽油機懸點速度曲線

圖7 實測電機輸入功率曲線

3.3 示功圖對比

由圖8比較看出，一是紅線功圖較藍線功圖的加載和卸載線平緩，基本與橫軸平行，表明懸點主要作勻速運動，說明受慣性載荷的影響小。二是紅線功圖沖程增大，其沖程損失減小。

3.4 抽油工況對比

1)因試驗后排量增大，產液量由37.8 t/d增至49.7 t/d，增加11.9 t/d，泵效由72%增至85.8%，提高13.8%。

圖8 實測示功圖

2)系統(tǒng)效率由52.36%提高到75.82%，提高23.46%，噸液百米耗電減小0.16 kW·h。

3)日耗電由253 kW·h減小到215.8 kW·h，日節(jié)電37.2 kW·h，有功節(jié)電率為30.8%，綜合節(jié)電率34.4%。

4)電機功率因數(shù)由0.421增至0.984，提高了0.563。

4 結論

1)曳引式抽油機從結構和技術上進行改進，一是無四連桿機構和減速裝置，簡化了傳動結構，提高了傳動效率；二是使用動滑輪裝置，有效降低了電機負載，使其能耗降低；三是天平式平衡，提高了平衡率；四是外轉子稀土永磁同步電機，功率因數(shù)高，無功損耗低。因此該舉升系統(tǒng)效率高、能耗低。

2)經(jīng)在不同工況的油井上應用，曳引式抽油機能夠滿足“長沖程、低沖次”抽油方式的需要，運行穩(wěn)定，調參方便。