抽油机平衡重位置固定的研究

抽油机平衡重位置固定的研究

延伸油田是“三低”性质油藏，具有特渗、异常低压和低丰度。单井产量低，相当于正常井的运营成本，但井生产的经济效益很低，一些人接近零。抽油机是油田的主要能耗设备,其耗电量约占油田生产总电量的40%。油田进入开发后期,井况变化很大,导致悬点载荷的变化,从而使减速器净转矩的波动性增大,抽油机处于不平衡运行状态,导致能耗增大,仅延长油田抽油机井2007年电费支出高达￥6亿元以上。抽油机的不平衡是导致电动机效率较低的主要原因。减速器净转矩的波动性反应了抽油机平衡状态的好坏,波动性越大其平衡状态越差,波动性是由周期性载荷系数CLF表述。普通电动机适合于拖动均匀载荷,然而减速器净转矩却是周期性的交变载荷,特别是井况发生变化时,抽油机处于不平衡运行状态,减速器净转矩的波动性会非常大,不但有很高的峰值载荷转矩,而且有很深的谷值载荷转矩,甚至有负载荷转矩。较大的减速器净转矩波动会导致电动机产生2个方面的问题:1)电动机的输入功率约为额定功率的1/3,即“大马拉小车”,导致电动机负荷率低于25%。电动机的功率因数下降很快,这样电动机的效率被大幅降低。2)电动机的可变损耗是电流和功率波动量的函数,这种波动量又与减速器净转矩的波动成正比。即减速器净转矩的波动越大,电动机功率的波动也越大,电动机的可变损耗就越高,电动机的效率就越低,抽油机的能耗就越高。现场测试表明,由于抽油机的不平衡而导致的能耗会增加20%以上。综上所述,当井况变化使得CLF增大时,抽油机处于不平衡运行状态。由于井数众多,油田一般不会停机对不平衡抽油机进行调平衡,只对个别不平衡非常严重的抽油机进行调平衡。因此,研究开发抽油机自动调平衡装置具有非常重要的现实意义。本文利用推杆机构实现了抽油机游梁平衡的自动调节。1技术分析1.1抽油机控制系统游梁平衡自动调节装置(如图1),是对目前固定参数式平衡机构的一个重大创新,它通过调节抽油机的平衡重转矩,从而对井况变化进行动态跟踪自动补偿,以实现抽油机的最佳平衡状态。在设计中,根据悬点载荷的变化,控制装置会自动调节不同的偏置角,形成不同的平衡转矩,以满足抽油机在井况变化过程中悬点载荷变化的需求。系统的工作模式为:通过设置在悬绳器上的示功仪采集抽油机实际工况示功图,通过控制柜的RTU远程终端单元,将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发送的数据格式,发送到中央计算机。利用已建立的抽油机优化模型,对抽油机的运动和动力性能以及抽油机能耗进行分析、诊断、评价,给出优化后的指导方案。中央计算机将优化指导方案发送到RTU远程终端单元,RTU将数据转换成命令,通过游梁平衡自动调节装置实现对抽油机平衡的实时调节。1.2游梁的下摆杆的中间铰接保护杆推杆机构(如图2所示)设计方案组成为:电动机、减速器、电动推杆和摆杆。摆杆的下端设置有平衡重,摆杆的中间铰接在游梁的后端,摆杆的上端和电动推杆的前端铰接。电动推杆的后端和减速器的输出轴形成螺旋传动。当电动机转动时,电动机的输出轴带动减速器的输入轴转动,经过减速器减速后,减速器输出轴驱动电动推杆作平面直线运动,电动推杆推动摆杆以摆杆和游梁的铰接点为支点作摆动运动。2游梁平衡重模型传动机构的运动和动力学参数包括:悬点速度、悬点加速度、悬点载荷、曲柄轴净转矩、曲柄轴均方根转矩、周期性载荷系数CLF和电动机轴功率。传动机构的主要几何参数包括:曲柄长R、连杆长P、摇杆前臂长A、摇杆后臂长C、曲柄转角θ、曲柄与连杆夹角α、连杆与游梁夹角β、游梁平衡重质心半径r,游梁平衡重偏置角θ1及其他几何参数,如图3所示。由速度瞬心法得游梁角速度为式中:为曲柄角速度,r/min。悬点速度为游梁角加速度为悬点加速度为转矩因素为悬点载荷按一维带阻尼的波动方程作为描述杆柱动态的基本微分方程,即式中:W为悬点载荷,N;u为抽油杆柱任意截面x处的位移,m;E为抽油杆材料的弹性模量,N/m2;fr为抽油杆的截面积,m2;L为下泵深度,m;ρr、ρy分别为抽油杆和井液的密度,kg/m3。平衡载荷为式中:Q为游梁平衡重力,N。曲柄轴净转矩是机构所有运动构件转矩的矢量和,包括悬点载荷转矩、游梁平衡重转矩。曲柄轴净转矩为电动机有效输出功率为式中:η为抽油机效率。周期性载荷系数为功率平衡度为式中:Nes为上冲程平均功率;Nex为下冲程平均功率。3抽油机平衡状态优化设抽油机的井况参数为:光杆最大冲程S=3m,冲次n=5min-1,泵挂700m,沉没度350m,泵径63.5mm,杆径22mm,油管直径70mm,含水率80%,游梁平衡重偏置角为125°。设定抽油机初始工作状态为平衡状态,平衡状态时抽油机转矩曲线如图4a所示。抽油机连续工作一定时间后,抽油机井况会发生变化,假设沉没度由350m降低到217m。此时,抽油机的悬点载荷会发生变化,原有的平衡转矩已经无法满足平衡的要求。不平衡时,抽油机转矩曲线如图4b所示。由于功率平衡度PBF<0.5,按Q/SY1233—2009规定,可判定抽油机不平衡。因此,基于当前工况,需对抽油机的平衡状态进行重新优化设计。优化结果为游梁平衡重偏置角由125°调整为149°,抽油机将达到新的平衡状态。新平衡状态下抽油机转矩曲线如图5。3种状态时抽油机主要性能参数如表1所示。4游梁平衡自动调节机构抽油机在正常工作状态下,载荷应处于平衡状态,此时曲柄轴净转矩的均方根值最小。当井下载荷发生变化,载荷的平衡状态就被打破,此时悬点载荷和平衡载荷将无法达到平衡状态。由于均方根转矩增大,使得载荷的波动增大。因此,当不平衡发生时,就需要通过游梁平衡自动调节机构来实现抽油机的重新平衡。通过调整游梁平衡重偏置角,平衡转矩发生变化,以满