加装减载器的有杆抽油系统的平衡调节

孟 亚，王金东，于振东，赵海洋

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.大庆油田有限责任公司试油试采分公司，黑龙江大庆163318） ＊

加装减载器的有杆抽油系统的平衡调节

孟 亚1，王金东1，于振东2，赵海洋1

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.大庆油田有限责任公司试油试采分公司，黑龙江大庆163318）＊

减载器是采油井内配置的一种井下工具，可以通过自身产生的液压反馈力来降低抽油机驴头悬点载荷和抽油杆应力。加装减载器后，使有杆抽油系统的动力特性发生改变，原有系统平衡被打破。根据有杆抽油系统运动规律和平衡准则，对抽油系统及平衡重力进行分析。将理论计算与实际工况相结合，通过数值分析计算，对系统平衡进行调节，使有杆抽油系统能耗降低，达到节约生产成本、提高经济效益的目的。

减载器；悬点载荷；平衡重；数值分析

有杆抽油系统包括抽油机、抽油杆、抽油泵、油管、套管等地面设备和井下设备。减载器是安装在采油井井口和井下抽油泵之间的一种井下工具［1－4］。通过该工具与抽油机、抽油杆、抽油泵等的合理匹配，可以产生液压反馈力来大幅度降低抽油机驴头悬点载荷，增加泵挂深度和泵的沉没度，增大生产压差，提高油井产量，降低抽油杆应力；实现油井深抽或超深抽，从而提高抽油系统的系统效率，并且延长抽油杆及地面设备的使用寿命，有效节约生产成本，提高经济效益［5］。笔者根据有杆抽油系统的运动规律［6－8］，对加装减载器的抽油系统进行研究，通过数值分析对系统平衡进行调节，使其在平衡状态下工作，达到节能降耗的目的。

1 减载器及减载力

减载器主要由进出液孔、柱塞管，上下密封管、呼吸孔、减载活塞等部分组成，其具体结构及工作原理见文献［3］。减载器的柱塞管和减载活塞随抽油杆柱一起运动时，减载活塞上、下端面2处的压力有差值，由该差值所产生的力作用在减载活塞的下端面，使其产生一个向上的举升力——减载力。减载器的减载力与油井动液面高度、减载器在井下深度、减载活塞和密封活塞的直径有关。

减载力与油井动液面高度存在一定的关系：当动液面在井口时，减载力为零，减载力随着动液面的下降而逐渐增大；当动液面在减载器呼吸孔位置时，减载力达到最大；当动液面在呼吸孔以下时，减载力保持最大值。减载力PF（不考虑油套环空中静气柱的压力）计算式为

式中，p1为减载活塞下端面处的压力，Pa；p2为减载活塞上端面处的压力，Pa；ρ为井液密度，kg／m3；h为减载器上液体折算高度，m；S1为减载活塞截面面积，m2；S2为柱塞管截面面积，m2。

2 平衡重力理论计算

加装减载器后的有杆抽油系统原来的平衡状态和动力特性都发生改变，因此需要达到新的平衡才能保证其在最佳状态下工作。这需要对抽油机的平衡重进行调节。

安装减载器后，抽油机下冲程过程中悬点所承受的力主要由抽油杆柱在液体中的重力、减载力及下冲程各种摩擦力组成。在上冲程中，悬点所承受的力主要有抽油杆柱在液体中的重力、油管内柱塞以上的液柱重力和减载力、上冲程各种摩擦力。

根据电动机在上、下冲程做功相等的平衡准则，下冲程时平衡重所储存的能量或上冲程时释放出的能量A0为

式中，Axs为上冲程提升抽油杆柱所做的功；Axx为下冲程抽油杆柱下落所做的功。

如果已有抽油机的实际示功图，则Axs和Axx可以由示功图面积求得；没有实际示功图，可以用静力示功图进行计算。但在井较深、抽油机冲次较大的情况下，必须考虑动载荷的影响，动载荷由惯性载荷和振动载荷2部分组成。

确定了储存或平衡的能量A0以后，进而对机械平衡重力的大小和位置进行计算。本文以如图1所示的复合平衡游梁式抽油机为例进行计算。

游梁部件自重力折算成的游梁平衡重力为

曲柄自重力折算成曲柄平衡重力的平衡半径为

1） 对于复合平衡抽油机，游梁平衡重力为

曲柄平衡重力的平衡半径为

2） 对于游梁平衡方式，Qq＝0，忽略曲柄自重力影响，得

3） 对于曲柄平衡方式，Qy＝0，忽略游梁部件自重力的影响，得

式中，Kc为Qy离游梁支点的距离，m；Qq为曲柄平衡重力，N；Rq为Qq的平衡半径，即曲柄平衡重力重心离曲柄旋转中心O′的距离，m；qy为游梁部件（包括驴头、游梁、横梁和连杆）的重力，N；ly为qy的重心离游梁支点的距离，m，qy的重心在驴头一侧为负值，反之为正；qq为曲柄自重力，N；Lq为qq的重心离曲柄旋转中心O′的距离，m；δy为游梁摆角，（°）；δ为上冲程起始点时曲柄转角，（°）；δ′为上冲程终止点时曲柄转角，（°）。

图1 复合平衡游梁式抽油机原理

3 数值分析

以平衡重力的理论计算和分析为基础，将现场采集到的抽油系统测试数据和抽油机型号等作为基本参数，通过编写相关程序，实现了抽油机减载后重新调节平衡重的计算和分析，得出新的适合现场应用的平衡参数。

在抽油机的运动分析和动力分析过程中，很多参数（例如悬点位移、速度、加速度）均可用曲柄转角的函数表示，因此在程序运算过程中取曲柄转角的间隔为1°。将抽油机运动、动力参数（例如悬点位移、载荷、扭矩等）设为数组变量，数组长度取360°，与曲柄转角的划分一致，这样可将每次循环所算出的运动、动力参数存放于数组变量中。然后，采用描点法绘出较为清晰的位移、速度、加速度、扭矩曲线以及动力示功图。相应数组元素就是曲线上点的纵坐标，曲柄转角是横坐标。

利用本程序对加装SC－П型深抽减载装置的CYJY10－3－37HB型抽油机（工况：杆柱组合为∅19 mm×905m、∅22mm×603m，泵径∅38mm，泵深1 506m，冲次4min－1）进行平衡重力的调节计算和运动、动力分析，将得出的数据导入工作表中绘制扭矩曲线，如图2～3所示。图中，TwB为纯光杆载荷在曲柄轴上产生的扭矩，N·m；Tm为曲柄平衡扭矩，N·m；Tn为减速器净扭矩，N·m。

图2 减载前曲柄扭矩随曲柄转角的变化曲线

图3 加装减载器后达到新平衡的扭矩曲线

经程序计算得：原CYJY10－3－37HB型抽油机减速箱输出轴的最大输出扭矩为28 187.56N·m；减速箱输出轴的均方根扭矩为14 642.52N·m；加装减载器后减载器所能提供的最大减载力为14.4 kN；单块平衡重调节量为移近曲柄中心0.20m；达到新平衡的CYJY10－3－37HB型抽油机减速箱输出轴的最大输出扭矩为15 980.27N·m；减速箱输出轴的均方根扭矩为8 926.89N·m。

根据上述数据可以看出，加装减载器并调节平衡重力达到新平衡后，抽油机在运行过程中，减速箱输出轴峰值扭矩得到有效降低，而且扭矩曲线波动较小，负扭矩减少。抽油机净扭矩波动越小，表示电机所受载荷越均匀，则消耗于热损失的功就越小，抽油机能耗越低，从而实现了节能目的；同时，静扭矩曲线波动小可延长地面设备和抽油杆的使用寿命。

4 现场试用

2009—2011年，在Y266－140井试用了SC－П型深抽减载装置，地面使用CYJY10－3－37HB型抽油机，杆柱组合为∅19mm×905m、∅22mm×603m，泵径∅38mm，冲次4min－1。按照理论优化设计，该装置设计下入深度650m。试用SC－П型深抽减载装置前后示功图如图4～5所示。

图4 Y266－140井减载前地面功图

图5 Y266－140井减载后地面功图

对比图4～5可知：抽油机最大载荷和最小载荷都有不同程度的下降，最小载荷下降幅度较大；抽油机平均最大、最小载荷分别下降了13.1kN和25 kN，降幅分别为24.6%和78%。现场测试结果表明：抽油机井系统效率得到提升，平均单井系统效率提高0.91百分点；消耗功率、日耗电量分别下降0.66kW和21kW·h，节电率达到13.0%，提高了经济效益。

5 结论

本文主要对加装减载器的抽油机进行运动分析和动力学分析，推导出悬点载荷，平衡重力及减速箱曲柄轴扭矩的计算公式，并绘制了CYJY10－3－37HB型抽油机减速箱曲柄轴扭矩曲线。通过对比原抽油机和加装减载器并达到新平衡的抽油机的扭矩曲线及均方根扭矩值，可以看出减载器能大幅度减轻抽油机驴头悬点载荷及抽油杆柱重力，达到了增加油井产量、提高系统效率、降低能耗的目的。

［1］ 黄 伟，甘庆明，姚 斌，等.抽油机减载器原理及应用研究［J］.石油矿场机械，2007，36（7）：25－27.

［2］ 陈 浩，王长江，湛精华，等.安装助抽减载装置的多级抽油杆力学行为分析［J］.石油矿场机械，2010，39（7）：36－41.

［3］ 孟 涛，杨建斌，卿华君，等.Sc减载器在中原油田的应用［J］.石油机械，2002，30（8）：49－50.

［4］ 赵海洋，王金东，于振东.加装减载器的抽油系统杆柱设计及节能分析［J］.科学技术与工程，2009，9（14）：4 143－4 145.

［5］ 龚大利，王金东，赵海洋.加装减载器的有杆抽油系统数值分析及应用［J］.石油矿场机械，2010，39（12）：72－74.

［6］ 万邦烈.采油机械的设计计算［M］.北京：石油工业出版社，1986：8－34.

［7］ 张明亮，雷长森，田小兰，等.抽油机曲柄平衡的调整计算及效果预测［J］.石油机械，2001，29（5）：36－38.

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Balance Adjustment of Sucker－rod Pumping System with Load Reducer

MENG Ya1，WANG Jin－dong1，YU Zhen－dong2，ZHAO Hai－yang1
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.Oil Test and Production Branch Company，Daqing Oilfield Company，Daqing163318，China）

Load reducer is a subsurface tool in the oil well.The load reducer can reduce sucker rod stress and polished rod load of pumping unit horse head by hydraulic pressure.The power characteristics and the balance of sucker－rod pumping system were changed with the reduced force produced by the load reducer.According to the system motion law and the balance principle，the pumping system and the counter weight was analyzed with theory.The theoretical calculation combining with the actual working condition，the system balance was adjusted by the result of numerical analysis again.As a result，the energy consumption of rod pumping system is reduced，the production cost is saved and the economic efficiency is improved.

load reducer；polished rod load；counter weight；numerical analysis

1001－3482（2012）03－0036－04

TE933

A

2011－09－23

孟 亚（1984－），女，河北辛集人，硕士研究生，主要从事机械采油系统工程研究。