影响游梁式抽油机负载率的关键因素关联性分析

2016-07-22冯子明丁焕焕高启明余晓宇

大庆师范学院学报 2016年3期

关键词：关联性抽油机

冯子明，丁焕焕，高启明，余晓宇

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318；2.大庆油田化工有限公司安装公司，黑龙江大庆 163453)

影响游梁式抽油机负载率的关键因素关联性分析

冯子明1，丁焕焕1，高启明1，余晓宇2

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318；2.大庆油田化工有限公司安装公司，黑龙江大庆 163453)

摘要：游梁式抽油机的选型要求载荷利用率和扭矩利用率要高，以保证地面传动部件高效运行。但影响负载利用率的因素较多，影响程度也不同。以10型常规机为研究目标，利用抽油机运行理论分析了冲程、冲次、沉没度、泵径和泵挂等关键因素对负载利用率的影响。结果表明这些关键因素，特别是冲程对减速箱扭矩的影响要远远大于对悬点载荷的影响。

关键词：载荷利用率；扭矩利用率；抽油机；关联性

由于游梁式抽油机具有结构简单、皮实耐用及维修方便等优点，一直占据机械采油设备的主导地位，约占机采井总数的75%。据统计截止2014年底，国内有近16万口油井采用有杆抽油，游梁抽油机所占比例约为80%，是油田最主要的机采设备，机采井消耗的电能约占总电能消耗的33.38%。按照《游梁式抽油机选型作法(SY/T5905 -2003)》要求, 可将油井开采末期抽油机悬点最大载荷视同为抽油机的最大允许载荷, 即油井开采末期的抽油机载荷利用率为100 %。电机额定功率一般是根据抽油机的最大负荷设计的，文献[1]认为合理的电机额定功率与光杆平均功率之间关系为电机功率为2.8-5.0倍的光杆功率。经研究文献[2]发现对于低渗透油田，初期抽油机的装机载荷利用率上限选为90%为最佳，经过两年的应用验证，此原则基本可以满足油井恶劣工况的需求。樊文刚[3]通过抽油机降机型试验研究，对载荷利用率低的油井进行改造，达到了节能降耗的目的。文献[4]针对抽油机变速运行效果进行了评价，发现变速运行确实可以降低电机装机功率、减速箱扭矩和悬点载荷，但是平衡调整不好反而引起超扭矩现象。

油田抽油机的超扭矩现象并没有杜绝，说明抽油机选型设计的一般原则并不总是可靠，而且目前也没有文献资料对抽油机载荷利用率和扭矩利用率的关联性进行研究。因此以CYJ10-3-37HB型常规游梁抽油机为具体的研究对象，综合研究冲程、冲次、沉没度、泵径和泵挂等关键因素对载荷利用率和扭矩利用率的影响规律，以及载荷利用率和扭矩利用率之间的关联性，经过理论分析后发现各影响因素对扭矩峰值的影响要远远大于对悬点载荷峰值的影响。本文对常规机负载利用率关联特性的研究结果为油田抽油机的选型优化和高效安全运行提供了必要的理论指导和实践依据。

1负载利用率基本概念

载荷利用率和扭矩利用率是关联性非常大的两个变量，也是判定抽油机井地面设备传递效率情况的主要参考变量。减速箱扭矩对载荷的变化非常敏感，但是影响载荷的变量较多，挑选出主要的影响变量，并分析对两者的影响规律，有助于我们提出合理的整改措施，使得抽油机能够在高效，安全(不过载)的工况下运行。考虑到载荷利用率和扭矩利用率的关联性较高，把二者放到一起讨论，其定义如下；

(1)

(2)

石油天然气行业标准《SY/T 5873-2005有杆泵抽油系统设计、施工推荐做法》中对抽油机选型的规定如下；在一定参数配合和需要的泵挂深度下，抽油机的选择主要由悬点载荷和曲柄扭矩两项指标来确定，即悬点最大载荷及减速器输出扭矩不超过载荷最大允许值和扭矩最大许用值。所选择的游梁式抽油机，应在使用期的大部分时间内具有较髙的载荷利用率、扭矩利用率。

2抽油机基本结构和生产参数

用于负载利用率计算的常规机基本结构参数和抽汲参数如上表1所示，通过改变泵深、冲程、冲次、动液面和平衡度来分析其对载荷利用率和扭矩利用率的敏感性分析，从而分析出影响因素的关联性，为抽油机优化选型设计提供理论依据。

表1　常规机基本参数及抽汲参数范围

3载荷利用率和扭矩利用率关联性分析

图1　冲程对载荷利用率和扭矩利用率的影响

由图1可知；冲程分别为2.1米、2.5米、3米时，载荷利用率分别为63.12%、66.93%、71.33%，扭矩利率分别为69.43%、95.11%、129.53%。当冲程为3米时，减速箱出现超扭矩现象，表明此时抽油机处于不安全运行状态。从增长率上看，扭矩利用率是载荷利用率的7.32倍，说明冲程对扭矩的影响要远远大于对载荷的影响，冲程是超扭矩现象的重要影响因素。随着曲柄长度的增加，冲程增加，因为此时四连杆的扭矩因数增大，也引起悬点速度和悬点加速度增加，所以冲程会间接影响悬点峰值载荷。从悬点载荷乘以四连杆的扭矩因素可以反演减速箱扭矩值，相当于扭矩因素再次对扭矩值产生影响，因此冲程对扭矩的影响远远大于对悬点载荷的影响。

图2　冲次对载荷利用率和扭矩利用率的影响

由图2可知，冲次分别为6 min-1、9 min-1、12min-1时，载荷利用率分别为55.86%、63.31%、71.33%，同时扭矩利用率分别为79.89%、101.73%、129.53%。当冲次大于9 min-1时，减速箱出现超扭矩现象，表明此时抽油机处于不安全运行状态。从增长率上看，扭矩利用率是载荷利用率的3.21倍，说明冲次对扭矩的影响要大于对载荷的影响，高冲次也是超扭矩现象的影响因素之一。冲次可以代表电机的旋转速度，随着冲次的增加，悬点的速度和加速度都会增加，则会分别增加悬点载荷中的振动载荷和惯性载荷，最后体现在减速箱输出扭矩的增加。

图3　泵径对载荷利用率和扭矩利用率的影响

由图3可知，泵径分别为38mm、44mm、57mm、77mm时，载荷利用率分别为45.98%、48.62%、55.86%、64.76%，同时扭矩利率分别为54.35%、59.68%、79.89%、106.02%。当泵径70mm时，减速箱出现超扭矩现象，表明此时抽油机处于不安全运行状态。从增长率上看，扭矩利用率是载荷利用率的2.76倍，说明泵径对扭矩的影响要大于对载荷的影响，大泵径也是超扭矩现象的影响因素之一。泵径增加意味着液柱载荷的增加，同时由泵筒与柱塞间摩擦力经验公式可知，泵半干摩擦力与泵径成正比，即悬点载荷是随着泵径的增加而增加，进而影响减速箱的输出扭矩。

图4　泵挂对载荷利用率和扭矩利用率的影响

由图4可知，泵挂分别为800m、1000m、1200m、1400m时，载荷利用率分别为47.76%、55.86%、63.52%、70.87%，同时扭矩利率分别为69.19%、79.89%、92.27%、103.54%。当泵挂1400m时，减速箱出现超扭矩现象，表明此时抽油机处于不安全运行状态。从增长率上看，扭矩利用率是载荷利用率的1.5倍，说明泵挂对扭矩的影响要大于对载荷的影响，长泵挂也是超扭矩现象的影响因素之一。泵挂是指抽油杆的长度，随着抽油杆的加长，杆柱的静载荷、液柱的静载荷都增加，同时杆柱与液柱的弹性变形量增大，都会影响悬点载荷的大小，进而影响减速箱扭矩的值。

图5　动液面对载荷利用率和扭矩利用率的影响

由图5可知，动液面分别为500m、700m、1200m、900m时，载荷利用率分别为53.21%、58.4%、63.59%，同时扭矩利率分别为71.68%、86.86%、103.35%。当动液面900m时，减速箱出现超扭矩现象，表明此时抽油机处于不安全运行状态。从增长率上看，扭矩利用率是载荷利用率的3.05倍，说明动液面对扭矩的影响要大于对载荷的影响，低动液面也是超扭矩现象的影响因素之一。较低的动液面表明液柱载荷大，过低的动液面也可能带来减速箱的超扭矩问题。

图6　常规机平衡度变化对载荷利用率和扭矩利用率的影响

由图6可知，平衡度在0.45～1.71范围内时，载荷利用率没有变化一直为55.86%，随着平衡度的增加，扭矩利率由超扭矩108.56%降低到79.89%，然后又增加到110.3%的超扭矩状态，表现为两侧高中间低的凹形，说明平衡度有个最佳值，在最佳平衡状态，能使减速箱获得较低的输出扭矩，对抽油机的平稳运行和高效运行都有帮助。也说明平衡度对扭矩的影响也非常明显，过平衡和欠平衡都是超扭矩现象的影响因素之一。