提捞式抽油机研究与分析

孙祥，谢劲松

（长春理工大学，长春 130022）

0 引言

智能提捞式抽油机与传统抽油机最大的不同是将刚性抽油杆换成连续柔性抽油杆，以超大冲程代替小冲程。此种抽油机克服了传统抽油机供液不足情况下“干抽”的难题，克服了传统抽油机能耗大效率低的缺点［1］。该项技术目前已在大庆油田、胜利油田、吉林油田、辽河油田试验成功并开始推广，取得了良好的效果。

1 智能提捞式抽油机的基本结构

智能提捞式抽油机作为一种完全区别于传统抽油机的新型抽油系统［2］，主要由地上智能主机部分和地下抽油部分组成。地上智能主机部分主要包括电控箱、电动机、摆线针轮减速机、制动器、链传动机构、里巴斯滚筒、自动排绳机构、设备支架、井架、滑轮等；地下部分主要包括连续柔性抽油杆、加重杆、压力传感器、柱塞、油管等。结构如图1 所示。

图1 智能提捞式抽油机结构示意图

2 工作原理简介

连续柔性抽油杆将设备的里巴斯滚筒和柱塞连接在一起，借鉴传统提捞式抽油原理，以油井整体管柱为抽油泵筒，通过滚筒的正反转带动柱塞上下运动，完成抽汲过程［3～4］。

当上行抽油时，电动机正转，在设定的速度下，里巴斯滚筒将连续柔性抽油杆缠绕在卷筒上的同时带动柱塞上行。柱塞上行时柱塞胶筒下滑至柱塞杆柱下端，将柱塞以上液柱封死不漏失。柱塞上行压缩柱塞以上的液柱和气体，当压力达到足以推开集油管线的单向阀时，液体经集油管线进入泵站。当柱塞运行至上死点时电控箱的控制系统感应到信号，控制制动器制动，设备自动停止运行，等待控制信号下放，以保护柱塞不触及井口密封器，避免井口密封器的损坏或者是由于拉力过大而使柱塞与柔性抽油杆脱离。

当柱塞下行时，电动机反转，制动器开启，依靠加重杆、连续柔性抽油杆、柱塞的自重带动滚筒旋转。柱塞胶筒滑至柱塞杆柱的上端，柱塞打开，液体沿着柱塞杆柱上的凹槽倒注入柱塞。当柱塞运行至下死点时，制动器制动，根据压力传感器反馈的信号决定是否上行，若液柱高度没达到设定值，则停机等待液面恢复之后自动起机进行上行抽汲。

3 柱塞胶筒受力分析

胶筒是核心部分，对抽油起着至关重要的作用，因此有必要对其进行受力分析，研究其磨损变形问题。胶筒在井下同时受到液柱的压力和油管的摩擦力的作用。

3.1 液体压力计算

P 为胶筒所受压强，MPa；P0为井口油压，MPa；ρl为液体密度，kg/m3；Hs为举升液体的高度，m；Hd为胶筒底部液面高度，m；Ht为油套环空液面高度，m；Pt为套压，MPa。

Fh为胶筒所受压力，N；dy为油管内径，mm；dr为柔性抽油杆外径，mm。由式（1）、式（2）可知胶筒所受压力与举升液体的高度成线性关系。

3.2 摩擦力计算

在ANSYS Workbench中进行网格划分如图2 所示，网格尺寸限制在2 mm以下，由于胶筒为环形结构，为了效果更均匀对称，网格以六面体网格为主。

将胶筒在它的轴线方向（z 方向）上分成N 段，单一小段的高为hn=hz+1-hz。hn为每段的高度；hz+1和hz为该段上下两个取样点的坐标值；

每一小段受到的摩擦力fn=μ×π×Djt×hn×fz。

式中：fn为每一小段受到的摩擦力，N；Djt为胶筒与油管接触面的最大直径，mm；fz为采样点的应力，N；μ 为摩擦因数，取0.1。

则由变形挤压产生的摩擦力计算公式为

图2 胶筒网格划分

Ff为胶筒与油管之间的摩擦力，N。

对以上数据在MATLAB 中进行曲线拟合，

由拟合曲线知摩擦力与液柱高度也呈线性关系。

磨损量计算公式：V＝fm×Ff×l

式中：V 为磨损量；fm为磨损因数；l 为摩擦力作用距离。

表1 不同液柱高度对应的摩擦力

磨损量分别与液柱高度和摩擦力作用距离成正比，对于不同油井需根据其产液量具体分析，以使磨损量和耗电量同时最少。已实验成功的油井，柱塞下放至1 150 m至1 250 m，每次提升0.9 方，节电率达到80%。柱塞胶筒40 天左右更换一次。

图3 拟合曲线

4 耗电量分析

传统抽油机能耗分析：Pe1＝（Q·H·Pl·g）/86400。

Pe1为传统抽油机有效功率，kW；ρl为液体密度，kg/m3；Q 为油井日产液量，m3；H 为有效扬程m；g 为重力加速度，9.8 N/kg。其中有效扬程计算公式：

Hj为井口动液面深度，m；Pt为井口套压，MPa提捞式捞油机能耗分析：

式中：Pe2为智能捞油机有效功率，kW；hs为举升液体高度，m；hr为柱塞达到上死点时距井口距离，m。

以两口实验井为例，在相同产液量Q 条件下作对比，见表2。

表2 两口实验井节电率对比

5 结语

通过技术创新，提捞式抽油机的性能有了明显改进，在提高了系统工作效率的同时也达到了节能降耗的目的，为低产井降低成本提供了一条新途径，有着广泛的应用前景。但目前智能提捞式抽油机在我国仍处在发展阶段，多项技术尚不成熟，仍需在胶筒材质、抽油杆连接、井口密封等方面加强攻关，力争有新的突破。

［1］王峰，静恩志.我国柔性抽油杆的应用及发展［J］.金属制品，2001（1）：48-49.

［2］李伟.柔性连续抽油杆提捞式采油技术研究［D］.沈阳：东北石油大学，2011.

［3］王春华，祝立群，张永功，等.新型固定式捞油机［J］.油气田地面工程，2007，26（2）：61.

［4］席明元.智能抽油机举升技术应用［J］.内蒙古石油化工，2013（7）：103-104.