抽油機平衡重位置固定的研究

抽油機平衡重位置固定的研究

延伸油田是“三低”性質(zhì)油藏，具有特滲、異常低壓和低豐度。單井產(chǎn)量低，相當于正常井的運營成本，但井生產(chǎn)的經(jīng)濟效益很低，一些人接近零。抽油機是油田的主要能耗設(shè)備,其耗電量約占油田生產(chǎn)總電量的40%。油田進入開發(fā)后期,井況變化很大,導(dǎo)致懸點載荷的變化,從而使減速器凈轉(zhuǎn)矩的波動性增大,抽油機處于不平衡運行狀態(tài),導(dǎo)致能耗增大,僅延長油田抽油機井2007年電費支出高達￥6億元以上。抽油機的不平衡是導(dǎo)致電動機效率較低的主要原因。減速器凈轉(zhuǎn)矩的波動性反應(yīng)了抽油機平衡狀態(tài)的好壞,波動性越大其平衡狀態(tài)越差,波動性是由周期性載荷系數(shù)CLF表述。普通電動機適合于拖動均勻載荷,然而減速器凈轉(zhuǎn)矩卻是周期性的交變載荷,特別是井況發(fā)生變化時,抽油機處于不平衡運行狀態(tài),減速器凈轉(zhuǎn)矩的波動性會非常大,不但有很高的峰值載荷轉(zhuǎn)矩,而且有很深的谷值載荷轉(zhuǎn)矩,甚至有負載荷轉(zhuǎn)矩。較大的減速器凈轉(zhuǎn)矩波動會導(dǎo)致電動機產(chǎn)生2個方面的問題:1)電動機的輸入功率約為額定功率的1/3,即“大馬拉小車”,導(dǎo)致電動機負荷率低于25%。電動機的功率因數(shù)下降很快,這樣電動機的效率被大幅降低。2)電動機的可變損耗是電流和功率波動量的函數(shù),這種波動量又與減速器凈轉(zhuǎn)矩的波動成正比。即減速器凈轉(zhuǎn)矩的波動越大,電動機功率的波動也越大,電動機的可變損耗就越高,電動機的效率就越低,抽油機的能耗就越高。現(xiàn)場測試表明,由于抽油機的不平衡而導(dǎo)致的能耗會增加20%以上。綜上所述,當井況變化使得CLF增大時,抽油機處于不平衡運行狀態(tài)。由于井數(shù)眾多,油田一般不會停機對不平衡抽油機進行調(diào)平衡,只對個別不平衡非常嚴重的抽油機進行調(diào)平衡。因此,研究開發(fā)抽油機自動調(diào)平衡裝置具有非常重要的現(xiàn)實意義。本文利用推桿機構(gòu)實現(xiàn)了抽油機游梁平衡的自動調(diào)節(jié)。1技術(shù)分析1.1抽油機控制系統(tǒng)游梁平衡自動調(diào)節(jié)裝置(如圖1),是對目前固定參數(shù)式平衡機構(gòu)的一個重大創(chuàng)新,它通過調(diào)節(jié)抽油機的平衡重轉(zhuǎn)矩,從而對井況變化進行動態(tài)跟蹤自動補償,以實現(xiàn)抽油機的最佳平衡狀態(tài)。在設(shè)計中,根據(jù)懸點載荷的變化,控制裝置會自動調(diào)節(jié)不同的偏置角,形成不同的平衡轉(zhuǎn)矩,以滿足抽油機在井況變化過程中懸點載荷變化的需求。系統(tǒng)的工作模式為:通過設(shè)置在懸繩器上的示功儀采集抽油機實際工況示功圖,通過控制柜的RTU遠程終端單元,將測得的狀態(tài)或信號轉(zhuǎn)換成可在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式,發(fā)送到中央計算機。利用已建立的抽油機優(yōu)化模型,對抽油機的運動和動力性能以及抽油機能耗進行分析、診斷、評價,給出優(yōu)化后的指導(dǎo)方案。中央計算機將優(yōu)化指導(dǎo)方案發(fā)送到RTU遠程終端單元,RTU將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令,通過游梁平衡自動調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)對抽油機平衡的實時調(diào)節(jié)。1.2游梁的下擺桿的中間鉸接保護桿推桿機構(gòu)(如圖2所示)設(shè)計方案組成為:電動機、減速器、電動推桿和擺桿。擺桿的下端設(shè)置有平衡重,擺桿的中間鉸接在游梁的后端,擺桿的上端和電動推桿的前端鉸接。電動推桿的后端和減速器的輸出軸形成螺旋傳動。當電動機轉(zhuǎn)動時,電動機的輸出軸帶動減速器的輸入軸轉(zhuǎn)動,經(jīng)過減速器減速后,減速器輸出軸驅(qū)動電動推桿作平面直線運動,電動推桿推動擺桿以擺桿和游梁的鉸接點為支點作擺動運動。2游梁平衡重模型傳動機構(gòu)的運動和動力學(xué)參數(shù)包括:懸點速度、懸點加速度、懸點載荷、曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩、曲柄軸均方根轉(zhuǎn)矩、周期性載荷系數(shù)CLF和電動機軸功率。傳動機構(gòu)的主要幾何參數(shù)包括:曲柄長R、連桿長P、搖桿前臂長A、搖桿后臂長C、曲柄轉(zhuǎn)角θ、曲柄與連桿夾角α、連桿與游梁夾角β、游梁平衡重質(zhì)心半徑r,游梁平衡重偏置角θ1及其他幾何參數(shù),如圖3所示。由速度瞬心法得游梁角速度為式中:為曲柄角速度,r/min。懸點速度為游梁角加速度為懸點加速度為轉(zhuǎn)矩因素為懸點載荷按一維帶阻尼的波動方程作為描述桿柱動態(tài)的基本微分方程,即式中:W為懸點載荷,N;u為抽油桿柱任意截面x處的位移,m;E為抽油桿材料的彈性模量,N/m2;fr為抽油桿的截面積,m2;L為下泵深度,m;ρr、ρy分別為抽油桿和井液的密度,kg/m3。平衡載荷為式中:Q為游梁平衡重力,N。曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩是機構(gòu)所有運動構(gòu)件轉(zhuǎn)矩的矢量和,包括懸點載荷轉(zhuǎn)矩、游梁平衡重轉(zhuǎn)矩。曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩為電動機有效輸出功率為式中:η為抽油機效率。周期性載荷系數(shù)為功率平衡度為式中:Nes為上沖程平均功率;Nex為下沖程平均功率。3抽油機平衡狀態(tài)優(yōu)化設(shè)抽油機的井況參數(shù)為:光桿最大沖程S=3m,沖次n=5min-1,泵掛700m,沉沒度350m,泵徑63.5mm,桿徑22mm,油管直徑70mm,含水率80%,游梁平衡重偏置角為125°。設(shè)定抽油機初始工作狀態(tài)為平衡狀態(tài),平衡狀態(tài)時抽油機轉(zhuǎn)矩曲線如圖4a所示。抽油機連續(xù)工作一定時間后,抽油機井況會發(fā)生變化,假設(shè)沉沒度由350m降低到217m。此時,抽油機的懸點載荷會發(fā)生變化,原有的平衡轉(zhuǎn)矩已經(jīng)無法滿足平衡的要求。不平衡時,抽油機轉(zhuǎn)矩曲線如圖4b所示。由于功率平衡度PBF<0.5,按Q/SY1233—2009規(guī)定,可判定抽油機不平衡。因此,基于當前工況,需對抽油機的平衡狀態(tài)進行重新優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化結(jié)果為游梁平衡重偏置角由125°調(diào)整為149°,抽油機將達到新的平衡狀態(tài)。新平衡狀態(tài)下抽油機轉(zhuǎn)矩曲線如圖5。3種狀態(tài)時抽油機主要性能參數(shù)如表1所示。4游梁平衡自動調(diào)節(jié)機構(gòu)抽油機在正常工作狀態(tài)下,載荷應(yīng)處于平衡狀態(tài),此時曲柄軸凈轉(zhuǎn)矩的均方根值最小。當井下載荷發(fā)生變化,載荷的平衡狀態(tài)就被打破,此時懸點載荷和平衡載荷將無法達到平衡狀態(tài)。由于均方根轉(zhuǎn)矩增大,使得載荷的波動增大。因此,當不平衡發(fā)生時,就需要通過游梁平衡自動調(diào)節(jié)機構(gòu)來實現(xiàn)抽油機的重新平衡。通過調(diào)整游梁平衡重偏置角,平衡轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化,以滿