滾珠絲杠抽油機(jī)的研制與應(yīng)用

鄭 東 志

(大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點實驗室 )

0 引 言

隨著原油開采進(jìn)入中后期，低產(chǎn)(<5 t/d)油井?dāng)?shù)量逐年增多。目前，大慶油田有提撈井5 000多口，超過1.2萬口抽油機(jī)井執(zhí)行間抽制度，井下供液不足,不滿足抽油機(jī)泵的排量要求，采用常規(guī)游梁式抽油機(jī)采油，嚴(yán)重影響了油田的經(jīng)濟(jì)高效和節(jié)能降耗開發(fā)[1-2]。為此，國內(nèi)外油田科研院所和企業(yè)做了大量研究，在常規(guī)游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，研發(fā)了新型抽油機(jī)。Dynovation設(shè)計公司研制了無游梁機(jī)械驅(qū)動叢式井抽油機(jī)，電機(jī)通過皮帶傳動帶動主動鏈輪轉(zhuǎn)動，主動鏈輪通過2個定向鏈輪帶動鏈條做往復(fù)運動，實現(xiàn)雙井采油，最大下泵深度4 200 m，最大沖程24 m[3]。加拿大A Schlumberger公司的KUDU型液壓抽油機(jī)使用電動機(jī)和天然氣作為動力，最大沖程可達(dá)8.53 m，減小了循環(huán)應(yīng)力，減輕了抽油桿伸長的影響，改變了氣體的壓縮比，提高了系統(tǒng)總效率[4-5]。吉林油田研發(fā)了繩輪式和直連式“U型平衡一拖二”液壓抽油機(jī)[6]。勝利油田利用雙向液馬達(dá)蓄能平衡技術(shù),研制了低矮型長沖程節(jié)能抽油機(jī)[7]。邵軍等[8]設(shè)計了新型節(jié)能偏心輪式抽油機(jī)，采用齒輪-齒條換向，使傳動更加平穩(wěn)。曹忠亮等[9]基于PLC控制無游梁抽油機(jī)，增強(qiáng)了抽油機(jī)對環(huán)境的適應(yīng)能力。同游梁式抽油機(jī)相比，新型抽油機(jī)除縮小外形尺寸和減輕質(zhì)量外，還具有多種復(fù)雜工況下高效、穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運行等優(yōu)點。

通過調(diào)研，目前國內(nèi)還沒有將滾珠絲杠應(yīng)用在抽油機(jī)井的案例，僅查閱到相關(guān)專利[10]。鑒于此，筆者結(jié)合現(xiàn)場采油工藝要求，發(fā)揮滾珠絲杠結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)效率高和運行平穩(wěn)等優(yōu)勢，研制了滾珠絲杠抽油機(jī)，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。完成樣機(jī)的研制之后，對樣機(jī)進(jìn)行了室內(nèi)及現(xiàn)場試驗。

1 滾珠絲杠抽油機(jī)

1.1 整體方案

滾珠絲杠抽油機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體呈三節(jié)筒狀結(jié)構(gòu)，分為動力總成、中間輔助支撐和底座總成。

1—動力總成；2—中間輔助支撐；3—底座總成。

滾珠絲杠抽油機(jī)動力總成結(jié)構(gòu)如圖2所示，由變頻調(diào)速電機(jī)、減速箱、空心滾珠絲杠及絲母等部件組成。電機(jī)通過傳動軸驅(qū)動減速箱運轉(zhuǎn)，減速齒輪與絲母相連，從而驅(qū)動滾珠絲杠上下往復(fù)運動。

1—方卡子；2—空心滾珠絲杠；3—防護(hù)罩；4—絲母；5—軸承；6—減速箱；7—異步電機(jī)。

滾珠絲杠抽油機(jī)中間輔助支撐部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。其上端連接減速箱，下端連接底座，導(dǎo)軌及導(dǎo)軌固定座由緊定螺釘固定在外筒上，輔助絲杠上下運行。同時，輔助支撐部分底端設(shè)計彈簧座用來壓縮大、小彈簧，下沖程時減輕桿柱重力對裝置的沖擊，上沖程時輔助桿柱上行，減小電機(jī)啟動電流。

1—上連接法蘭；2—外筒×2；3—中間法蘭；4—彈簧座；5—大、小壓縮彈簧；6—下連接法蘭；7—行程開關(guān)座×2；8—導(dǎo)軌固定環(huán)；9—導(dǎo)軌固定座×3；10—導(dǎo)軌×3。

滾珠絲杠抽油機(jī)底座總成部分如圖4所示。上、下法蘭通過4根支柱焊接連接，密封盒坐封于下法蘭中心。底座總成在安裝前需進(jìn)行密封壓力測試，動密封公稱壓力不小于4 MPa，靜密封公稱壓力不小于8 MPa，整體通過6根M30螺栓與套管連接。

1—外筒連接法蘭；2—密封盒；3—支柱×4；4—套管連接法蘭。

1.2 工作原理

變頻電機(jī)直驅(qū)減速箱，帶動減速齒輪和絲母旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠的直線運動。抽油桿穿過空心絲杠，由方卡子固定在絲杠頂端，實現(xiàn)抽油桿和柱塞泵上下往復(fù)運動，完成抽汲動作。下沖程時，絲杠底端備帽壓縮彈簧完成蓄能；上沖程時，彈簧釋放能量，協(xié)助桿柱上行。

控制系統(tǒng)控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，并對電流、轉(zhuǎn)速和絲杠行程等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，出現(xiàn)過載、失載及越程等異常工況時，電磁抱閘制動，實現(xiàn)自動停機(jī)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

懸點載荷80 kN，沖程1.2 m，最大沖次4 min-1，整機(jī)質(zhì)量1 t，整機(jī)高度4.442 m，電機(jī)功率15 kW，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 460 r/min，減速箱傳動比3.5∶1.0。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 滾珠絲杠副參數(shù)確定[11]

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，滾珠絲杠的使用范圍越來越廣，以其摩擦損失小、傳動效率高及軸向剛度高等優(yōu)勢，在精密工具機(jī)、輸送機(jī)械和航天領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[12]。應(yīng)用在抽油機(jī)上能夠發(fā)揮其結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)效率高和運動平穩(wěn)等獨特優(yōu)勢，成為極具發(fā)展?jié)摿Φ牟捎驮O(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場工作條件，選用傳遞力的T型滾珠絲杠副將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動時，需結(jié)合負(fù)載、沖程、沖次及壽命等所需功能因素在標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列基礎(chǔ)上進(jìn)行定尺加工。

2.1.1 滾珠絲杠副導(dǎo)程設(shè)計

根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和抽油機(jī)最大沖次計算絲杠導(dǎo)程。計算式如下：

(1)

式中：Ph為導(dǎo)程，mm；S為抽油機(jī)沖程，mm；Nmax為最大沖次，min-1；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；i為減速比。

設(shè)沖程S=1 200 mm，最大沖次Nmax=4 min-1，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=1 460 r/min，減速箱減速比i=3.5，計算得滾珠絲杠副導(dǎo)程Ph=23 mm，實取Ph=25 mm，滿足設(shè)計要求。

2.1.2 滾珠絲杠副預(yù)期額定動載荷

滾珠絲杠副設(shè)計時一般按額定動載荷來確定滾珠絲杠副的尺寸。額定動載荷是指一批相同規(guī)格的滾珠絲杠運轉(zhuǎn)100萬次后，90%的絲杠副(螺紋表面或滾珠)不產(chǎn)生疲勞剝傷(點蝕)時的軸向載荷。絲母在n1，n2，n3，……，nn各種轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)速工作時間占總時間的百分比分別為t1，t2，t3，……，tn，所受載荷分別是F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，……，F(xiàn)n，則當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm和當(dāng)量載荷Fm計算式為：

(2)

(3)

設(shè)備在不同工況下的運轉(zhuǎn)參數(shù)如表1所示。

表1 不同工況下的運轉(zhuǎn)參數(shù)

滾珠絲杠副運動時，其軸向阻力主要來自抽油桿重力和柱塞泵上端液柱載荷，慣性載荷、摩擦載荷以及振動載荷等在最大載荷中占比很小，本次計算忽略不計。全天按24 h開機(jī)，全生命周期按10 a計算，將表1中各參數(shù)代入式(2)和式(3)中，解得nm=288 r/min，F(xiàn)m=41.1 kN。

滾珠絲杠副預(yù)期額定動載荷Cam可按如下公式計算：

(4)

式中：fa為精度系數(shù)，取1；fc為可靠性系數(shù)，可靠性按90%計算，取1；fw為載荷性質(zhì)系數(shù)，按伴有沖擊或振動時取1.5；Lh為預(yù)期工作壽命，h，取87 600 h。

計算可得Cam=785.5 kN。

2.1.3 滾珠絲杠副主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場使用工況及計算的額定動載荷進(jìn)行定尺加工，其主要技術(shù)參數(shù)如下。

有效行程S：1.9 m；

公稱直徑d0：125 mm；

螺紋底徑d2：80 mm；

導(dǎo)程Ph：25 mm；

螺母長度L：280 mm；

額定動載Cam：785.5 kN；

額定靜載Coa：2 437 kN；

精度等級：7。

2.1.4 滾珠絲杠副校核計算

根據(jù)現(xiàn)場使用要求，對無精確位移要求的傳動用T類滾珠絲杠副無需做剛度計算、變形計算和預(yù)拉力計算[13]。現(xiàn)對絲杠額定靜載荷、絲杠軸拉壓強(qiáng)度及壓桿穩(wěn)定性進(jìn)行驗算。

(1)額定靜載荷Coa驗算。Coa按載荷最大時進(jìn)行驗算，驗算公式為：

fsFamax≤Coa

(5)

式中：fs為靜態(tài)安全系數(shù)，有沖擊和振動時取3；Famax為滾珠絲杠副最大軸向載荷，kN，取絲杠上沖程軸向載荷49.12 kN。

計算得fsFamax=147.36 kN，小于2 437.00 kN，滿足設(shè)計要求。

(2)絲杠軸拉壓強(qiáng)度驗算。驗證公式為：

(6)

式中：σs為滾珠絲杠主體材料GCr15屈服強(qiáng)度，取518.42 MPa；s為安全系數(shù)，取1.5；d3為滾珠絲杠中空直徑，取65 mm。

計算后可知絲杠軸拉壓強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

(3)滾珠絲杠壓桿穩(wěn)定性驗算。臨界壓縮載荷計算式為：

(7)

式中：Fc為臨界壓縮載荷，N；K1為壓桿安全系數(shù)，絲杠垂直安裝取0.5；K2為支撐系數(shù)，一端固定，一端自由取0.25；Lc1為絲杠最大受壓長度，取1 900 mm。

計算得Fc=141.83 kN，大于49.12 kN，滿足設(shè)計要求。

2.1.5 選用滾珠直線導(dǎo)軌

為保證滾珠絲杠同桿柱往復(fù)運動的直線度，選用3根長度為1 700 mm的滾珠直線導(dǎo)軌輔助滾珠絲杠運行。導(dǎo)軌截面形狀為燕尾形，采用端密封和側(cè)密封形式。由于運動件懸掛在導(dǎo)軌上，為保證運行平穩(wěn)，采用調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的間隙或進(jìn)行預(yù)緊，調(diào)整后用螺母鎖緊，再用螺釘將導(dǎo)軌固定在固定座上，最后導(dǎo)軌通過3個固定環(huán)固定在機(jī)殼內(nèi)。直線導(dǎo)軌副在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)鋼球，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大減小了二者之間運動摩擦阻力，摩擦耗能小，滾動面的摩擦損耗也相應(yīng)減小。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)尺寸及現(xiàn)場使用要求，滾珠絲杠副與滾珠直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

1—方卡子；2—絲杠；3—螺母；4—導(dǎo)軌固定座；5—滾珠直線導(dǎo)軌；6—絲杠底座總成；7—固定環(huán)。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速電機(jī)、測速編碼器、電磁抱閘制動器、行程開關(guān)和控制柜等組成，可在現(xiàn)場、手機(jī)以及電腦等客戶端實時監(jiān)測抽油機(jī)運行狀態(tài)和調(diào)節(jié)生產(chǎn)運行參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)主要基于滾珠絲杠的位置控制模式開發(fā)，在智能控制器數(shù)據(jù)處理中心(DSP)內(nèi)建立完整的數(shù)學(xué)模型，實時計算滾珠絲杠運行位置。抽油機(jī)運行時，滾珠絲杠上行至接近行程開關(guān)設(shè)定距離時，測速編碼器發(fā)送信號給變頻器，控制器控制輸出頻率直至絲杠停止。不同于游梁式抽油機(jī)，通過四連桿換向，變頻器內(nèi)置控制電路通過切換接線端子實現(xiàn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，以此循環(huán)，達(dá)到滾珠絲杠和桿柱往復(fù)運動要求。

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對位置、速度及轉(zhuǎn)矩的精確控制，精度高、響應(yīng)快，可獨立調(diào)整桿柱上行速度、下行速度及上下沖程不等速。同時，在過載和失載等異常工作狀態(tài)下，通過電磁抱閘制動器自動停機(jī)。

2.2.3 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)現(xiàn)場所需沖程確定安裝上、下行程開關(guān)位置，間距為總行程長度l，啟動系統(tǒng)中自學(xué)習(xí)功能，設(shè)置上限位偏置值Δl1、下限位偏置值Δl2，確定抽油機(jī)沖程長度S=l-Δl1-Δl2。將絲杠點動運行到“下限位”，按照15 Hz頻率運行，開始向上運行進(jìn)行自學(xué)習(xí)，到達(dá)“上限位”后自動停止。

可視化控制面板如圖7所示。設(shè)備運轉(zhuǎn)所有參數(shù)的采集及調(diào)整由觸摸屏實現(xiàn)，可根據(jù)實際井況調(diào)整沖程和沖次，系統(tǒng)也可獨立調(diào)整絲杠上行速度和下行速度，實現(xiàn)上、下沖程不等速?？刂葡到y(tǒng)在現(xiàn)場應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的負(fù)載適應(yīng)性和可靠性。

圖7 可視化控制面板

3 滾珠絲杠抽油機(jī)試驗

3.1 室內(nèi)試驗

根據(jù)設(shè)計參數(shù)制造滾珠絲杠抽油機(jī)樣機(jī)，并在大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院4#標(biāo)準(zhǔn)模擬試驗井進(jìn)行了室內(nèi)試驗，以檢驗整個裝置機(jī)械部件和控制系統(tǒng)的可靠性。試驗系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 室內(nèi)試驗系統(tǒng)示意圖

試驗系統(tǒng)主要由井口采油樹、工藝管匯及坐落在套管上的樣機(jī)3部分組成。工藝管匯由閥門、流量計、儲液罐及管線組成，用來完成標(biāo)準(zhǔn)模擬井采出液收集和回注。試驗設(shè)備主要有標(biāo)準(zhǔn)模擬井、功率測試儀、雙頻道回聲儀及計量裝置，試驗介質(zhì)為水。

室內(nèi)試驗下泵深度為393 m，泵徑44 mm，沖程1.2 m，完成了不同動液面、不同沖次下滾珠絲杠抽油機(jī)的產(chǎn)量和能耗測試，結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖9可知，從泵效角度分析，隨著液面的增加，泵效有所降低，但泵效均大于54%，表明滾珠絲杠抽油機(jī)工作性能較好。由圖10可知：隨著動液面加深，系統(tǒng)效率顯著升高；當(dāng)液面達(dá)到353 m時，系統(tǒng)效率達(dá)到22%，如果進(jìn)一步深抽，系統(tǒng)效率將達(dá)到更高水平。

圖9 不同工況下泵效曲線

圖10 不同工況下系統(tǒng)效率曲線

3.2 現(xiàn)場試驗

2018年11月，在大慶油田采油三廠B2-352-82試驗井對樣機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。該井下泵深度900 m，泵徑57 mm，沖程1.2 m，平均沖次2.8 min-1。試驗前、后各運行參數(shù)和測試結(jié)果對比如表2所示。

表2 試驗前、后性能參數(shù)對比

從表2可以看出，試驗后泵效提高8.87百分點，系統(tǒng)效率提高3.23百分點，有效解決了原游梁式抽油機(jī)抽汲參數(shù)大以及液面波動范圍大的問題，保證了油井生產(chǎn)平穩(wěn)運行，取得了良好的初期使用效果。

4 結(jié) 論

(1)研制了一種滾珠絲杠傳動抽油機(jī)，該抽油機(jī)無須預(yù)制基礎(chǔ)，直接坐落在井口法蘭，兼具滾珠絲杠高精度、可逆性和高效率的特點，易于實現(xiàn)自動化控制。

(2)滾珠絲杠抽油機(jī)已進(jìn)入現(xiàn)場試驗階段，舉升效率高，與試驗前常規(guī)游梁式抽油機(jī)相比，泵效提高了8.87百分點，系統(tǒng)效率提高了3.23百分點，取得了良好的初期應(yīng)用效果，適用于抽汲參數(shù)小的低產(chǎn)油井。

(3)將滾珠絲杠副應(yīng)用在抽油機(jī)上，傳動精度不是主要的性能考核指標(biāo)，重要的是承載能力及可靠性。結(jié)合現(xiàn)場試驗結(jié)果，延長滾珠絲杠副和滾珠直線導(dǎo)軌的使用壽命是該型抽油機(jī)的主要改進(jìn)方向。