W型曳引抽油机抽油杆断脱技术措施分析

廖大林,向贵川,刘长松,贾建新,潘明浩,张成兰

(1.濮阳市信宇石油机械化工有限公司,河南濮阳457001;2.a.中原油田油气技术部;b.采油五厂,河南濮阳457000;3.江苏咸中石油机械有限公司,江苏建湖224700)

W型曳引抽油机抽油杆断脱技术措施分析

廖大林1,向贵川1,刘长松2a,贾建新2b,潘明浩3,张成兰3

(1.濮阳市信宇石油机械化工有限公司,河南濮阳457001;2.a.中原油田油气技术部;b.采油五厂,河南濮阳457000;3.江苏咸中石油机械有限公司,江苏建湖224700)

针对W型曳引抽油机在运行过程中可能出现的抽油杆突然断脱事故,分析了抽油杆断脱的原因,提出了预防办法和技术措施,以避免因为抽油杆断脱造成事故,为推广应用W型曳引抽油机提供了安全技术保障。

W型曳引抽油机;抽油杆断脱;技术措施;模拟试验

Abstract:To aim at the crack and thread off accidents of sucker rod in during the process of W-type tractive pumping unit operation,the reasons for the crack and thread off of sucker rod was analyzed,positive prevent methods was put forward.Practical and effective measures were illustrated,combining prevention with control to ensure that no thread off accidents of sucker rod accident.The technical obstacle was absolutely got rid of.It is beneficial for promoting W-type tractive Pumping unit in large scale.

Key words:W type tractive pumping unit;crack and thread off of sucker rod;technical measures;simulation test

W型曳引抽油机是一种机电一体化的新型无游梁式抽油机[1-2],由动力系统、控制系统、机架及移动系统、曳引系统、配重及扶正系统、安全制动系统等构成。该型抽油机采用外转子稀土永磁同步电机[3]作为动力系统,并与变频器调速系统和PLC自动控制相匹配,不仅可以使电机在没有减速箱的情况下超低速运行,而且可以有规律地实现正、反转;用钢丝绳作为牵引系统[4-5],将钢丝绳从电机两侧的曳引轮上绕过,前端与悬点载荷相连接,后端与配重相连接;根据滑轮原理,在悬点载荷与电机之间和配重与电机之间各串联2只多槽同心动滑轮组,可以成倍地降低电机扭矩、体积和质量,使W型曳引抽油机结构极其简单。

该型抽油机经过中原油田、华北油田、辽河油田、胜利油田采油厂使用,凸显出节能、低碳、高效、维护简单、减轻工人劳动强度等技术优越性。缺点是在抽油杆断脱后配重不能及时刹住。为此,有必要对抽油杆断脱的原因进行分析,并提出相应的技术措施。

1 抽油杆断脱原因[6]

1.1 外因

a) 抽油泵砂卡。

b) 结蜡严重发生蜡卡。

1.2 内因

a) 抽油杆与油管偏磨过度。

b) 抽油杆疲劳损坏。

c) 抽油杆腐蚀严重。

d) 抽油杆热处理质量差。

表1为某采油厂2004—2008年抽油杆柱现场失效数据统计。

表1 某采油厂2004—2008年抽油杆断脱统计

2 技术措施

2.1 长冲程低冲次工作制度

游梁式抽油机由于受其结构的限制,冲程不大,但冲次可以调得很高。以中原油田14型抽油机为例,多数为冲程4 m,冲次6 min-1,即光杆每分钟运行24 m。W型游梁式抽油机电机转速可通过变频调速到几转～几十转,冲程可以设计到7～8 m,因此,可以实现长冲程低冲次。例如冲程8 m,冲次3 min-1,光杆每分钟也运行24 m。由于前者速度高,带来的后果是抽油杆运行加速度大,惯性大,抽油杆断脱几率高;后者加速度小,惯性小,抽油杆断脱几率小,磨损小,同时原油充盈度高,产量高。

2.2 控制系统超载欠载空载保护

通常,电机是在额定负荷下的额定电流内运转,当抽油泵发生砂卡或蜡卡时,工作电流将显著上升,当超过额定电流值时,控制系统将会自动切断电源,抽油机会自动及时停车并发出过电流故障信号,在显示屏上显示负荷的故障代码,此时只要对井下进行热洗等作业措施就能消除砂卡或蜡卡故障,避免抽油机将抽油杆拉断。此例已在华北油田任311井进行过验证。

2.3 曳引系统具有打滑保护功能[7-8]

曳引系统中的钢丝绳是以180°缠绕在曳引轮上的,运行时,电机功率依靠钢丝绳与曳引轮的正压力和摩擦力传递。当抽油泵发生砂卡或蜡卡时,抽油机载荷显著增加,出现前重后轻的现象,因此钢丝绳和曳引轮会打滑,一旦发生打滑,势必会使1个冲程的时间超过预先输入的时间,此时控制系统即会以超时指令切断电机电源,并在显示屏上显示超时的故障代码。此例2009-11-07在中原油田采油一厂C10-19井遇到过,当抽油泵发生砂卡时,抽油机自动停车,并显示超时运行故障号,进行热洗排除了砂卡,避免了抽油杆被拉断。

上述3种技术措施可以有效改善抽吸质量,减少摩擦,大幅度减少抽油杆断脱的几率,延长机、杆、泵的使用寿命,但不能从根本上杜绝抽油杆的断脱事故。为此,采取了多种技术措施。

a) 在机架两侧设计2根互相平行且与地面垂直的轨道,对配重进行扶正,一旦抽油杆断脱,配重可在轨道扶正下平衡下行,不会冲撞机架。

b) 在砼基础上与配重对应的部位设置1只旧轮胎,当光杆断脱、配重突然坠落时,轮胎能起到缓冲作用,保证配重软着地,不会砸坏砼基础。

c) 在电机两侧曳引轮的外围、前后动滑轮的外廓和钢丝绳通过的主要路径上设置防跳绳槽装置,当抽油杆断脱时,在配重坠落过程中钢丝绳仍能拽着配重减速下落,同时也不会因为钢丝绳跳槽发生阻卡而造成钢丝绳被拉断。

d) 在前侧动滑轮下部设置1个缓冲装置,由壳体、弹簧、钢丝绳组成,如图1。缓冲装置下端与机座连接,上端与动滑轮悬绳器连接。当抽油杆断脱时,配重在地球引力作用下坠落,与此同时,前边的动滑轮及悬绳器在钢丝绳的带动下迅速冲向上平台。在配重落地的瞬间,在惯性力的作用下,前侧动滑轮及悬绳器仍然会以很高的速度上升,此时,连接在动滑轮座下边的钢丝绳正好被拉紧,缓冲器内的弹簧被压缩,弹力与上部惯性力相抵消使动滑轮迅速静止,避免动滑轮冲顶而撞坏。

图1 缓冲器结构

e) 设计坚固的砼基础,与W型曳引抽油机相配套的砼基础尺寸为5.0 m×2.5 m×0.5 m,钢筋采用ø16 mm螺纹钢,水泥砂浆采用高标号水泥和粗砂、石子用搅拌机搅拌,振动机振动捣实进行现场浇铸,经15 d保养和自然凝固后再投入应用。经测试,制成的砼水泥基础为C20强度等级(20 MPa),即砼基础与配重的接触面积可以承受2.8×104kN的冲击压力。配重质量通常为5 000～6 000 kg,抽油杆断脱时,配重以9.8 m/s2加速度下落,行程为7 m,配重落地的冲击力为6 760 kN,远远小于2.8×104 kN,加之有轮胎的缓冲,不会砸坏砼基础。

3 模拟试验

在计算的基础上进行了抽油杆断脱模拟试验。当光杆突然断脱时,配重失衡向砼基础坠落,坠落在旧轮胎上几次反弹后静止,此时前侧动滑轮在后侧配重拖拽下迅速冲向上止点,当接近上止点时,动滑轮座上的缓冲器缓冲后钢丝绳受拉,弹簧被压缩,当动滑轮惯性力与弹簧弹力抵消后配重静止,电机处于空载,在控制系统的欠载保护下自动停车。模拟试验后,检查机架和上平台、动滑轮和配重、电机和砼基础等完好无损。抽油杆断脱模拟试验验证了理论计算是正确的。

4 结语

针对W型曳引抽油机抽油杆断脱问题采取的技术措施效果较好。有积极预防措施,也有有效保护措施,前者大大减少了抽油杆被拉断的几率;后者有效消除了因抽油杆断脱而造成的危害,从而为W型曳引抽油机成功应用于油田提供了安全技术保障。

[1] 廖大林.W型曳引抽油机设计分析[J].石油矿场机械,2009,38(9):42-45.

[2] 廖大林.W型曳引抽油机:中国,ZL 2007100892850[P].2007-11-14.

[3] 宇富平,刘晓强,高中勇,等,永磁电动机在抽油机上的节能效果测试分析[J].石油矿场机械,2005,34(1):83-85.

[4] 高加索,范吉祥,刘文娟.绞车滚筒乱绳原因分析及解决方法[J].石油矿场机械,2010,39(2):82-86.

[5] 梁宏宝,伊莲娜.钢丝绳抽油杆柱的加重杆优化设计[J].石油矿场机械,2009,38(11):34-36.

[6] 段敬黎,祝效华,邓福成.抽油杆柱疲劳失效的热处理因素分析[J].石油矿场机械,2009,38(11):54-56.

[7] 刘长松.W型曳抽油机钢丝绳的选用与维护[J].石油矿场机械,2010,39(6):63-66.

[8] 廖大林,杨进京,白亿平,等.W型曳引抽油机技术研究及现场应用[J].石油矿场机械,2010,39(7):73-77.

Technical Measures of W-type Tractive Pumping Unit for Breakdown of Sucker Rod

LIAO Da-lin1,XIANG Gui-chuan1,LIU Chang-song2a,JIA Jian-xin2b,PAN Ming-hao3,ZHANG Cheng-lan3
(1.Puyang Xinyu Petroleum Machinery and Chemical Co.,Ltd.,Puyang457001,China;2.a.Oil and Gas Technique Department;b.No.5Oil Production Plant,Zhongyuan Oilfield,Puyang457001,China;3.Jiangsu Xianzhong Petroleum Machinery Co.,Ltd.,Jianhu224700,China)

TE933.1

B

1001-3482(2010)10-0092-03

2010-04-14

河南省重点科技攻关项目(070102)

专利项目:中国发明专利“W型曳引抽油机”(ZL2007100892850)

廖大林(1952-),男,江苏盐城人,高级工程师,主要从事石油装备的研究与开发,E-mail:liaodalin26@sina.com。