海上平台有杆采油的液压抽油机设计

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(1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100； 2.中国石油大学 机电工程学院，山东 青岛 2665802. 3.中海油能源发展股份有限公司 油田建设工程分公司，天津 300452 )

海上平台有杆采油的液压抽油机设计

余焱群1，2，常宗瑜1，綦耀光2，肖宇3，王邻睦3，薛鑫2

(1.中国海洋大学工程学院，山东青岛266100； 2.中国石油大学机电工程学院，山东青岛2665802. 3.中海油能源发展股份有限公司油田建设工程分公司，天津300452 )

针对海上稠油热采及低产油井开采需要，提出海上平台有杆采油的新工艺；基于海上平台结构空间限制，设计一种新型长冲程、低冲次、结构紧凑的小型液压抽油机。阐述抽油机的整体结构和工作原理，建立悬点载荷的数学模型，基于压杆稳定性确定组合液压缸的结构尺寸，运用Timoshenko梁分析理论分析3种工况下机架的变形量和应力值，并加工等比例实验室模型样机。分析结果表明：抽油机具有较好的刚度和强度；模型样机运转平稳，说明其整体结构设计合理、控制策略正确。

海上平台；液压抽油机；结构设计；力学分析

0 引 言

受海洋平台尺寸限制及排采工艺的影响，海上采油多采用潜油电泵作为主要的举升设备[1]。然而，采用潜油电泵进行稠油、边际油田开发存在以下问题：潜油电泵机组耐温较低，限制稠油热采工艺和温度的选择；对于超过稳产期的海上油井，其产液量已经下降到潜油电泵的合理运行区间之下，增加作业和开发成本。因此，海上油田迫切需要研究新的人工举升方式满足海上稠油热采、低产油井的高效开发。世界油田开采中，三抽人工举升方式(指由抽油机-抽油杆-抽油泵组成的人工举升系统)应用最为广泛。据统计，陆上80%的油井采用该种举升方式，生产了超过75%的原油[2]。将陆上成熟的三抽人工举升工艺运用于海上采油平台，实现海上油田的有杆采油，可解决目前困扰海上油田开采的诸多问题，其中三抽举升设备中的抽油机是前提和关键。

1 整体结构设计

目标海洋平台的结构如图1所示，海上平台抽油机的工作区间从井口甲板到工作甲板高度10 m，井口槽间距1.8 m×2.0 m。

图1 目标海洋平台工作区域示意图

传统游梁式抽油机的使用和制造经验较为成熟，是有杆采油设备的主力，但其整机重量较大，且尺寸及占地面积超出海上平台井口区域的限制。液压抽油机[3]具有传能密集、整机结构紧凑、重量轻、适应工况范围广等特点，容易实现长冲程、低冲次，且冲程长度和冲程次数调节方便，能更好地适应油井的变化。AΓH型液压抽油机是由苏联研发的一种液压抽油机，该液压抽油机采用油杆柱作平衡，简化抽油机的平衡装置，增加抽油机的实际冲程长度，可提高有杆泵抽油的有效性。加拿大Curtis Hoover[4]公司生产的液压抽油机有高机架型和低机架型2种型式，平衡系统采用气囊式蓄能器，利用固态电路系统和电磁限位传感器，消除了对运动部件的磨损，且该装置结构简单、体积小、质量轻。但这2种液压抽油机均直接安装在井口上，除了给修井带来不便外，也容易破坏井口结构，引发事故，难以在海上推广应用。

受井口空间限制及修井作业需要，所研发的适用于海上采油平台的新型液压抽油机必须是占地面积小的紧凑机型。基于以上要求，采用液压缸作为动力元件，利用滑轮系统增程降低抽油机的高度。整体结构如图2所示。该抽油机主要由抽油机底座、组合液压缸、带轮组、蓄能缸组、液控系统等组成，整机尺寸为1.0 m×0.7 m×4.0 m。

图2 海洋平台液压抽油机整体结构示意图

该抽油机安装于海上采油平台的中层平台之上：上冲程时组合液压缸的活塞杆外伸，提升带经悬绳器与光杆相连，带动抽油杆上行；下冲程时抽油杆下落，提升带回压活塞杆，将组合缸补液腔的液体压回蓄能缸，实现抽油杆下冲程的重力势能储存；蓄能器下冲程储存的能量，在上冲程释放，既可实现上下冲程载荷平衡、保护油缸，又能实现节能、减小装机功率的目的。

3 主体结构设计及分析

3.1 悬点载荷分析

依据光杆受力平衡，上冲程时光杆的力学模型为

式中：Fu为上冲程悬点载荷；Ff为抽油杆所受浮力；Fy为抽油泵柱塞下表面的压力；Gg为抽油杆总重力载荷；Go为液柱总重力载荷；Fp为泵筒与柱塞间的摩擦载荷；Ft为液柱与油管间的摩擦载荷；Fg为抽油杆柱的惯性载荷；Fo为液柱的惯性载荷。其中：

式中：Ph为井口回压；h为泵沉没度；d为抽油泵活塞直径；ρo为稠油密度，渤海湾地区稠油密度[5]为0.94×103～0.98×103kg/m3。

上冲程悬点载荷为

下冲程悬点载荷则为

稠油油井单井日产液量为150 m3/d，泵挂深度为1 000 m，抽油泵沉没度为300 m，井口回压为0。根据式(3)和式(4)，可确定上冲程最大悬点载荷为60 kN，下冲程最小悬点载荷为20 kN。

3.2 组合液压缸结构设计

组合液压缸是该液压抽油机的执行元件，其结构和性能决定了整个系统的控制策略和运行模式。组合液压缸结构如图3所示：缸体的外径为D1，内径为d1；心轴的外径D2，内径为d2；活塞杆的外径为D3，内径为d3。

图3 组合液压缸结构

3.2.1 活塞杆尺寸

活塞杆一端固定、一端自由，根据压杆稳定性[6]欧拉公式计算临界载荷Fk为

式中：Fk为满足稳定的临界载荷；I为活塞杆的惯性矩；E为弹性模量；L为活塞杆外伸长度，取3 m。

由于海上平台工作环境复杂，为提高组合液压缸的强度和寿命，根据手册[7]取稳定性系数nk=4，则

式中：Fh为活塞杆上的等效力，120 kN。

依据式(6)，在满足稳定性的前提下，减小活塞杆外径，减轻活塞杆重量。得到活塞杆外径增加量及重量减轻量与活塞杆内外径比α(α=d3/D3)的函数关系曲线，如图4所示。

图4 活塞杆外径及重量与内外径比α关系

由图4可知：当α=0.75时，活塞杆外径增加量小于10%，而重量可以减少47%，达到最优效果。确定活塞杆外径D3=126 mm，内径d3=94 mm，壁厚为16 mm。

3.2.2 心轴尺寸

上冲程悬点载荷为60 kN，下冲程悬点载荷为20 kN，折算到液压缸负载Fmax=120 kN，Fmin=40 kN，故蓄能器平衡载荷Fx为

活塞杆内部压力P1为

心轴端部受力F1为

由压杆稳定性欧拉公式，整理可得

心轴主要用于补液通路，结合图4选定β=0.8。经计算优化后确定，心轴外径D2=88 mm，内径d2=70 mm，壁厚为9 mm。

3.2.3 缸体尺寸

考虑蓄能系统出现故障，液压缸仍能正常工作的极端工况，液压缸的推力为

式中：Ft为液压缸的推力；P为系统工作压力。

系统工作压力按照中压16 MPa设计，液压缸的推力Ft>120 kN，则d1>131.5 mm。综合考虑液压缸的上下冲程流速并控制液压缸的整体尺寸，按照液压传动的国家标准,确定液压缸的速比ψ=1.61。

由式(12)可得：d1=159.1 mm，确定缸体内径为160 mm，缸体外径D1为180 mm，缸体厚度δ=10 mm。

图5 抽油机机架有限元模型

经设计、分析、计算得组合液压缸的主要结构尺寸见表1。

表1 组合液压缸的主体结构尺寸 mm

3.3 机架结构及稳定性分析

海上平台工作环境恶劣，安装空间小，对抽油机机架需进行必要的刚度和强度分析，抽油机机架的有限元模型如图5所示。

强度计算按照最大风力12级校核，风压强[8]取P=800 N/m2，风载方向选取正向和侧向2个方位，抽油机机架在3种不同工况下的加载图如图6所示。

图6 抽油机机架的加载图

图7 实验室模型样机

选用Beam 188单元，基于Timoshenko梁分析理论，运用ANSYS分析手段得到机架在3种工况下的最大变形量和最大应力值，见表2。

表2 3种工况下的变形和应力值

正向风载对机架顶部的变形影响最大，侧向风载次之，无风载时最小；3种工况下，机架顶部产生的变形量均小于2 mm，说明机架刚度较好。3种工况下应力最大值为77.9 MPa，机架材质为Q345，安全系数达到4.43，说明机架强度较高。

基于上述设计计算，为验证工作原理及控制策略，对中间主体部分加工等比例模型样机，如图7所示。该样机在实验室环境下整机运转良好，换向平稳。

4 结 论

为解决海上稠油热采及低产井的高效开采，首次提出在海上平台采用三抽人工举升的新工艺，基于海洋平台空间设计一种新型的长冲程、低冲次、结构紧凑的小型液压抽油机。运用Timoshenko梁分析理论和ANSYS软件分析无风、正向风和侧向风3种工况下机架的变形量和应力值，分析结果表明：该抽油机具有较好的刚度和强度。加工等比例实验室模型样机进行试验，发现样机运转平稳，表明整体结构设计合理、控制策略正确。

[1] 董振刚，张铭钧，张雄，等. 潜油电泵合理选配工艺研究[J].石油学报，2008，29(01)：128-131.

[2] 刘长赞. 三种举升方式应用对比[J].油气田地面工程，2010，29(11)：45-46.

[3] 徐兵，黄方平，张斌. 新型节能变频闭式液压抽油机的设计[J]. 机床与液压，2006，34(01)：72-74.

[4] 张路军，解恒述. 组合液压缸节能液压抽油机的研究[J]. 液压与气动，2008(09)：63-64.

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[8] 邸元，陈红火，胡镇仕. 风荷载作用下某钢管火炬塔架的有限元分析[J]. 特种结构，2012，29(05)：56-59.

DesignofHydraulicSuckerRodPumpingUnitforOffshorePlatform

YU Yanqun1，2， CHANG Zongyu1， QI Yaoguang2， XIAO Yu3, WANG Linmu3, XUE Xin2

( 1. College of engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong, China; 2. School of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China； 3. CNOOC Energy Development Equipment Technology Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

A new technology about rod pumping in offshore platform is introduced according to the demand of offshore heavy oil thermal recovery and the production of stripper well. A new kind of miniature hydraulic pumping unit with long-stroke, low pumping speed and compact structure is designed to resolve the problem of space limitation. The whole structure and the working principle of this pumping unit are described. Mathematical models are modeled based on the polished rod loads, and the structure and size of composite hydraulic cylinder are determined considering for compression bar’s stability. The deformation and stress of the frame are analyzed by Timoshenko software, and the laboratory scale model prototype is also prepared. The test result shows that the hydraulic sucker rod pumping unit has better stiffness and strength. The model prototype runs smoothly which indicates that the whole structure design of pumping unit is reasonable and the control strategy is correct.

offshore platform; hydraulic pumping unit; structure design; mechanical analysis

1001-4500(2017)06-0014-06

2016-06-17

国家自然科学基金项目(51174224)；国家油气科技重大专项(2016ZX05066，2016ZX05042)；山东省自然科学基金项目(ZR2014El015)

余焱群(1980-)，男，副教授

TE933

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