双驴头游梁式抽油机悬点载荷及扭矩变化规律研究

双驴头游梁式抽油机悬点载荷及扭矩变化规律研究

双驴头滚头泵是我国于1996年开发的一种新的节能浮梁抽油机。该机是将常规机游梁与横梁的铰链连接,改为变径圆弧的后驴头、钢丝绳与横梁之间的软连接,构成变参数四杆机构来传递运动和扭矩,克服了原机构的死角,增加游梁摆角,冲程比常规机提高了34%～52%,系统效率比常规机提高了30%以上。由于采用变径圆弧的游梁后臂,使其实现负载大时平衡力矩大,负载小时平衡力矩小的工作状态,从而使减速器输出扭矩波动小,达到加强平衡,降低能耗的目的。同时具有正反转两种工作方式,能够满足不同粘度原油开采的需要。双驴头游梁式抽油机是在常规游梁式抽油机的基础上发展起来的,这种机型是目前除常规机以外发展最迅速的机型。1驴头悬索式泵的悬点负荷1.1考虑悬点载荷的载荷在上冲程时,悬点加速度在曲柄转角为10°时取得正最大值,此时的加速度记为α10°;在下冲程时,悬点加速度在曲柄转角为200°时取得负最大值,此时的加速度记为α200°。即在曲柄位置角为10°和200°时,悬点载荷取得最大值和最小值。因此可以得到悬点最大载荷:Pmax=P′液+P′杆+Ρ杆gα10°g(1)+P杆gα10°g(1)悬点最小载荷:Pmin=P′杆+Ρ杆gα200°g(2)+P杆gα200°g(2)式中α10°、α200°——分别是曲柄位置角在10°和200°时的悬点加速度值。但在某些情况下,摩擦所产生的悬点载荷是不可忽略的,如在稠油井等情况下。抽油机在工作时,作用在悬点上的摩擦载荷由以下五部分组成:(1)抽油杆柱与油管的摩擦力F1抽油杆柱与油管的摩擦力F1在上、下冲程中都存在,根据矿场经验,其大小在直井内通常不超过抽油杆重量的1.5%,即F1=0.015Wr(3)(2)柱塞与泵筒之间的半干摩擦力F2柱塞与泵筒之间的摩擦力F2在上、下冲程中都存在,根据矿场经验,一般泵径不超过70mm时,其值小于1717N。较精确值可用下面公式计算。F2=0.94dpδ-140(4)F2=0.94dpδ−140(4)式中dp——柱塞直径,mm;δ——柱塞与泵筒单面间隙,mm。(3)抽油杆柱与液柱之间的摩擦力发生在下冲程,其摩擦力的方向向上,是稠油井内抽油杆柱下行遇阻的主要原因。阻力的大小随抽油杆柱的下行速度而变化,其最大值可近似确定为F3=0.33SΝμL[m2-1(m2+1)lnm-(m2-1)](5)F3=0.33SNμL[m2−1(m2+1)lnm−(m2−1)](5)式中μ——油管内液体的动力粘度,Pa·s;m——油管内径与抽油杆直径之比,m=dn/dr;dn——油管内径,m;dr——抽油杆直径,m。(4)液柱与油管之间的摩擦力F4发生在上冲程,方向向下,故增大悬点载荷。资料表明,下冲程杆柱与液柱的摩擦力约为液柱与油管间摩擦力的1.3倍,即F4=F31.3≈0.77F3(6)F4=F31.3≈0.77F3(6)(5)液体通过游动阀的摩擦力F5在高粘度大产量油井内,液体通过游动阀产生的摩擦力往往是造成抽油杆柱下部弯曲的主要原因,对悬点载荷也会造成不可忽略的影响。F5=Ap3(1-f0Ap)243f02g(SΝ)2μ2gρL(7)式中Ap——活塞截面积,m2;f0——游动阀孔截面积,m2;μ——阀流量系数,对于常用的标准型阀,一般取μ=0.28;ρL——液体密度,kg/m3。下面为考虑摩擦载荷时的悬点载荷公式。悬点最大载荷:Pmax=P′液+P′杆+Ρ杆gα10°g+F1+F2+F4(8)悬点最小载荷:Pmin=P′杆+Ρ杆gα200°g-F1-F2-F3-F5(9)2驴头滚头式油机的偏转规律(1)悬点载荷扭矩mwn减速器曲柄轴的扭矩Mn是抽油机为满足一定工况的工作,所必须输出的扭矩,故称Mn为曲柄轴的输出净扭矩。曲柄在某一角度时的净扭矩值等于该角度时的载荷扭矩、平衡扭矩的叠加值。悬点的载荷扭矩Mwn,平衡重的平衡扭矩Mr和曲柄轴净扭拒Mn由下列算式计算:悬点载荷扭矩:Μwn=ΡΚ1Rsinβ/(√(x1-x)2+y2gsinφ2)(10)折合平衡重产生的扭拒为Mr=Q曲Rsinα(11)曲柄轴净扭拒:Mn=[P悬Κ1Rsinβ/(√(x1-x)2+y2gsinφ2)]-Q曲Rsinα(12)式中P悬——作用在驴头悬点上的载荷,N;Q曲——曲柄平衡块折合到曲柄销处的力,N。(2)抽油机曲线叠加减速器曲柄轴的最大扭矩Mmax与悬点最大、最小载荷之差及冲程长度、冲程次数等因素有关,可以利用扭矩曲线叠加的方法进行计算。实际上,在抽油机工作时,随着曲柄的转动,抽油机的载荷扭矩Mwn、平衡扭矩Mr和输出净扭矩Mn都是变化的。所谓减速器曲柄轴输出净扭矩Mn,在抽油机扭矩图上看,是由载荷扭矩、平衡扭矩两条曲线相叠加(即相平衡)而得来的。我们所用来计算的减速器曲柄轴扭矩Mmax,是指这条净扭矩曲线的峰值。3预测效果分析上述计算原理应用于大庆西部外围低渗透油田,并与实际测试值进行对比,预测效果较好。以葡西油田为例,计算了双驴头游梁式抽油机悬点载荷、扭矩的变化,计算结果见图1～图3,包括其它油田应用的平均误差见表1。4双驴头游梁式抽油机的较理想的抽油机在理论上,给出了双驴头游梁式抽油机悬点载荷理论计算公式及扭矩变化规律计算公式,通过双驴头游梁式抽油机与常规抽油机扭矩曲线及主参数的对比,