懸重平衡游梁式抽油機(jī)的研制

□ 楊曉剛 □ 曾興昌 □ 張小龍 □ 汪耘舟 □ 姚 博

1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西寶雞 721002 2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司 陜西寶雞 721002

1 研制背景

常規(guī)游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維修方便、使用可靠等特點(diǎn),可以長(zhǎng)期在油田全天候運(yùn)轉(zhuǎn),在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍是油田的首選采油設(shè)備。但是,常規(guī)游梁式抽油機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致存在平衡效果差、凈扭矩波動(dòng)大、負(fù)載率低、工作效率低、能耗大等缺點(diǎn)。自從1985年第一臺(tái)異相曲柄平衡游梁式抽油機(jī)應(yīng)用以來,國(guó)內(nèi)各大油田紛紛開始重視抽油機(jī)的節(jié)能工作[1-5]。

實(shí)際上,抽油機(jī)的電機(jī)多以輕載工況運(yùn)行,目前我國(guó)大部分抽油機(jī)的電機(jī)平均負(fù)載率只有20%～30%,造成能源極大浪費(fèi),抽油機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵是提高電機(jī)的負(fù)載率[6]。目前,抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的途徑包括改變游梁式抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和改變游梁式抽油機(jī)的平衡方式。常見的平衡方式主要有三種,分別為異相曲柄平衡、游梁偏置平衡、游梁懸重平衡。其中,游梁懸重平衡方式的懸點(diǎn)載荷在游梁上與平衡懸重相抵消,動(dòng)態(tài)平衡率高,基本消除了負(fù)扭矩,減速器凈扭矩小,變化平緩,具有顯著的節(jié)能效果[7-8]。

針對(duì)我國(guó)大部分油田高含水油井、稠油、低滲透油層開采的特點(diǎn),筆者所在單位研制了懸重平衡游梁式抽油機(jī)。這一抽油機(jī)采用長(zhǎng)沖程、低沖次、高負(fù)載、低能耗的設(shè)計(jì),減小抽油桿的相對(duì)變形值,提高抽油泵的充滿因數(shù)和排量因數(shù),延長(zhǎng)抽油桿和抽油泵的使用壽命,是今后抽油機(jī)發(fā)展的主要方向之一[9-10]。

2 技術(shù)參數(shù)

筆者單位研制的懸重平衡游梁式抽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 懸重平衡游梁式抽油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)

懸重平衡游梁式抽油機(jī)主要由底座、后支架、前支架、托架、游梁、驢頭、橫梁、連桿、曲柄裝置、電機(jī)、減速器、滑輪組、懸重裝置、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、鋼絲帶等組成[11],結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 懸重平衡游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

4 工作原理

在懸重平衡游梁式抽油機(jī)中,電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)曲柄裝置,曲柄裝置通過連桿、橫梁驅(qū)動(dòng)游梁和驢頭完成上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。懸重平衡游梁式抽油機(jī)上沖程工作時(shí),懸重裝置下行,通過鋼絲帶帶動(dòng)游梁和驢頭上行,完成抽油桿上提。懸重平衡游梁式抽油機(jī)下沖程工作時(shí),游梁和驢頭下行,通過鋼絲帶帶動(dòng)懸重裝置上行,完成抽油桿下放。

5 技術(shù)特點(diǎn)

懸重平衡游梁式抽油機(jī)的平衡系統(tǒng)采用鋼絲帶與動(dòng)靜滑輪組組合的傳動(dòng)方式,使懸重裝置的質(zhì)量減小了50%,大大節(jié)約了懸重裝置的制造成本,同時(shí)減小了鋼絲帶的負(fù)載,有效延長(zhǎng)了鋼絲帶的使用壽命。

懸重平衡游梁式抽油機(jī)的懸重裝置主要由吊耳、鋼砂箱、水箱組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。鋼砂箱為懸重裝置的主要配重部分,水箱為輔助配重部分,主要用于配重微調(diào),實(shí)現(xiàn)精確平衡。這一抽油機(jī)下沖程工作時(shí),驢頭下降,重力做功轉(zhuǎn)換為懸重裝置的重力勢(shì)能。上沖程工作時(shí),懸重裝置重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為驢頭上升的動(dòng)能。懸重裝置作為蓄能器,用于增大懸重平衡游梁式抽油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,充分發(fā)揮動(dòng)能的均衡作用,改善減速器的受力,減小電機(jī)容量,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。懸重平衡游梁式抽油機(jī)上沖程工作和下沖程工作分別如圖3、圖4所示。

▲圖2 懸重裝置結(jié)構(gòu)

▲圖3 懸重平衡游梁式抽油機(jī)上沖程工作

懸重平衡游梁式抽油機(jī)采用非對(duì)稱循環(huán)機(jī)構(gòu),使游梁在上下死點(diǎn)時(shí),連桿兩個(gè)位置之間存在相位夾角。上沖程工作時(shí)驢頭的水平夾角為18°,下沖程工作時(shí)驢頭的水平夾角為16.5°,具有急回特性。上沖程工作時(shí)驢頭轉(zhuǎn)角大于下沖程工作時(shí),即上沖程工作用時(shí)長(zhǎng),速度慢,加速度小,使上沖程工作中負(fù)載扭矩曲線的上峰值減小。與此相反,下沖程工作用時(shí)短,速度快,加速度大,使下沖程工作中負(fù)載扭矩曲線的上峰值增大,有效減小載荷扭矩曲線的波動(dòng)量,改善整機(jī)的受力狀況。

懸重平衡游梁式抽油機(jī)的智能控制柜由變頻器、數(shù)據(jù)采集、控制和傳輸裝置、控制面板、電氣控制回路等組成。懸重平衡游梁式抽油機(jī)沖次可以通過變頻器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié),通過數(shù)據(jù)采集、控制和傳輸裝置對(duì)油井參數(shù)、電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集、傳輸、分析、調(diào)整,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,滿足抽油機(jī)高效節(jié)能的發(fā)展需求[12]。

▲圖4 懸重平衡游梁式抽油機(jī)下沖程工作

懸重平衡游梁式抽油機(jī)的曲柄采用輪式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)有三處曲柄銷孔,可以準(zhǔn)確可靠地調(diào)節(jié)三個(gè)不同的懸點(diǎn)沖程,以滿足不同油井的開采工藝要求。

6 關(guān)鍵部件校核

6.1 支架總成靜力學(xué)分析

懸重平衡游梁式抽油機(jī)支架總成主要包括后支架、前支架、托架、底座。支架總成作為這一抽油機(jī)所有部件的承載體,其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性是整機(jī)正常工作的根本保障,支架總成各構(gòu)件主要承受軸向拉壓和彎曲載荷[13-14]。

無論是正面風(fēng)載還是側(cè)面風(fēng)載,對(duì)支架的最大應(yīng)力和最大位移均無明顯影響[15]。正面風(fēng)載相比側(cè)向風(fēng)載,對(duì)支架變形的影響稍大。因此,懸重平衡游梁式抽油機(jī)安裝時(shí),可以根據(jù)所在地常見風(fēng)向使抽油機(jī)側(cè)向承受風(fēng)載,此處則不考慮風(fēng)載。

支架總成主要承受懸重裝置的拉力和游梁的壓力,游梁壓力的大小和方向根據(jù)不同的游梁位置而變化。游梁在上下兩個(gè)極限位置受力最為復(fù)雜,通過比較,游梁處于下極限位置時(shí),游梁對(duì)支架的壓力最大。因此,筆者對(duì)游梁處于下極限位置時(shí)支架總成的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析。

支架總成的材料為Q345鋼,材料彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3,屈服極限為345 MPa。支架總成應(yīng)力云圖如圖5所示。根據(jù)GB/T 29021—2012《石油天然氣工業(yè) 游梁式抽油機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,支架總成的安全因數(shù)不小于3.3。由圖5可以看出,支架總成的最大應(yīng)力為94.26 MPa,則支架總成的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

▲圖5 支架總成應(yīng)力云圖

支架總成的位移云圖如圖6所示。根據(jù)GB/T 29021—2012《石油天然氣工業(yè) 游梁式抽油機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)游梁式抽油機(jī)最大沖程大于6 m時(shí),支架頂部縱向振幅不大于7 mm,橫向振幅不大于6 mm。由圖6可以看出,支架總成頂部最大位移為1.52 mm,支架總成的剛度符合設(shè)計(jì)要求。

▲圖6 支架總成位移云圖

6.2 游梁強(qiáng)度校核

游梁是懸重平衡游梁式抽油機(jī)中最重要的部件之一,所有主要載荷都作用在游梁上面。游梁主截面如圖7所示。游梁前端連接驢頭,承受懸點(diǎn)載荷。游梁通過動(dòng)滑輪組承受懸重裝置的拉力,通過中間橫梁連桿連接曲柄裝置,傳遞驅(qū)動(dòng)力。游梁后端有中央軸承座,與后支架相連。游梁是懸重平衡游梁式抽油機(jī)所有部件中受力最復(fù)雜的部件,主要承受彎曲應(yīng)力[16-18],其應(yīng)力云圖如圖8所示。

▲圖7 游梁主截面

▲圖8 游梁應(yīng)力云圖

游梁采用H型鋼和兩側(cè)加筋板的形式,材料選用Q345鋼,材料彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3,屈服極限為345 MPa。根據(jù)GB/T 29021—2012《石油天然氣工業(yè) 游梁式抽油機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,游梁的安全因數(shù)不小于3.3。由圖8可以看出,游梁的最大應(yīng)力位于主梁中間位置,為72.93 MPa,則游梁的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

7 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前,筆者所在單位生產(chǎn)的CYJQ12-4.8-37型懸重平衡游梁式抽油機(jī)已在青海油田投入使用,運(yùn)行平穩(wěn),安全可靠,應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),懸重平衡游梁式抽油機(jī)相比常規(guī)游梁式抽油機(jī)節(jié)能50%～53%,節(jié)能效果十分明顯,受到用戶的一致認(rèn)可和好評(píng)。此外,長(zhǎng)慶油田訂購(gòu)的CYJQ9-3-18型懸重平衡游梁式抽油機(jī)也已進(jìn)入生產(chǎn)組裝階段。

8 結(jié)束語(yǔ)

懸重平衡游梁式抽油機(jī)采用懸重平衡方式,成本低,精度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)節(jié)方便,有效改善了減速器的受力,減速器凈扭矩小,變化平緩,減小了電機(jī)容量,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

懸重平衡游梁式抽油機(jī)采用非對(duì)稱循環(huán)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了慢提快放,減小了負(fù)載扭矩曲線的波動(dòng)量,改善了整機(jī)的受力狀況。

▲圖9 懸重平衡游梁式抽油機(jī)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

懸重平衡游梁式抽油機(jī)通過變頻器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)沖次,通過數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)油井參數(shù)和電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集、傳輸、分析、調(diào)整,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

懸重平衡游梁式抽油機(jī)采用長(zhǎng)沖程、低沖次、高負(fù)載、大扭矩設(shè)計(jì),減小了抽油桿的相對(duì)變形值,延長(zhǎng)了抽油桿和抽油泵的使用壽命,實(shí)現(xiàn)了油田對(duì)抽油機(jī)高精度平衡和低能耗的總體要求,具有廣闊的應(yīng)用前景。