节能型超低冲次抽油机技术研究

李红才,秦德福,鱼 岗,侯 军,樊 勇

(长庆油田分公司 机械制造总厂,西安 710201)

节能型超低冲次抽油机技术研究

李红才,秦德福,鱼 岗,侯 军,樊 勇

(长庆油田分公司 机械制造总厂,西安 710201)

超低渗透油藏的产量低,目前使用的抽油机配置参数不合理,系统效率低,能量损耗大,经济效益差。在分析抽油机参数合理配置的基础上,提出了节能型超低冲次抽油机的技术方案,最低冲次为 1.5 min-1,与其配套的电机功率比常规抽油机减少约 1/3,负载率、电机效率有很大提高,能够满足长庆油田超低渗透油藏高效节能开采的需求。

抽油机;超低冲次;减速器;节能

游梁式抽油机是长庆油田最主要的采油设备。随着超低渗透油藏的开发,俗称 2 t区的油藏已成为长庆油田的主要贡献区,然而机采系统效率只有约 20%,低于全国平均水平。如何高效节能地开发低渗透、超低渗透油田已经成为长庆油田必须认真研究的问题。

理论计算和实际测试说明,抽油机参数不能与超低渗透油井产液量合理匹配,即机采系统工作时,由于供液不足造成空抽是影响机采系统效率低的主要原因[1]。不仅功率消耗大,而且油管、抽油杆、抽油泵磨损严重。本文主要研究与超低渗透油井产液量合理匹配的抽油机参数及其技术方案。

1 技术方案分析

抽油机参数不能与超低渗透油井产液量合理匹配,即在相同悬点载荷下,冲程和冲次 2个参数大于油井的供液能力,从而造成空抽,系统效率低、能量损耗大。“长冲程,低冲次”能明显减少冲程损失的比率并提高泵效。因此,应保持原有抽油机方案中的冲程长度,采取降低冲次的办法来与超低渗透油井产液量相匹配。

长庆油田抽油机的冲次已经从过去的 6、9、12 min-1逐步发展到现在的 2.5、3.5、5.0 min-1,仍然不能满足超低渗透油藏的要求。理论计算和现场测试表明,在保持现有的杆、管、泵及冲程前提下,要满足产量为 1～3 m3/d的生产要求,抽油机冲次应达到 115 min-1。选择传动方案为电机 +一级皮带 +两级减速器,电机选择较成熟、效率高的八极电机,一级皮带减速和两级减速器已经达到了最大速比,此方案仍无法将冲次降低到 1.5 min-1。其他 4种传动方案如下。

a) 两级 V带 +两级齿轮减速器。这种传动型式传动效率低,因为多了一级 V带传动,效率下降5%～10%,带传动使用一段时间后需要对皮带进行张紧,结构不紧凑也不适合新井投产的使用。

b) 12极电机 +V带 +两级齿轮减速器。参数难以满足要求,且价格高、效率低、维修困难。电机级数增加,电机电流增大,内耗增大,效率下降3%左右,特别是用于抽油机时,负载为周期性波动状态,平均负载效率约为 30%,此时电机级数越多,实际效率下降越快。

c) 采用变频调速技术,其优点是可根据机采井工况和产液量的变化通过闭环回路无级调节抽油机的冲次。但是,变频调速不论采用什么样的控制方法其输出到电机端上的电压脉冲是非正弦的,波形中含有大量的谐波成分,其中高次谐波会使变频器输出电流增大,造成电机绕组发热,损耗增加,效率降低,产生振动和噪声,加速绝缘老化,还可能损坏电机[2-3]。其主要设备——变频器等部件价格比较昂贵,并且油田环境比较恶劣,变频器等电子器件容易出现故障。抽油机用电机属于小型普通交流异步电机,可以进行变频控制,但变频的最佳范围是20～50 Hz,当变频范围在 10～20 Hz时,其效率降到了 40%～60%,要将冲次降到 1.5 min-1以下,变频器工作频率在 10 Hz以下,效率很低。

d) 直接采用传动比比较大的三级四轴减速器,增加一级齿轮减速效率只下降0.01%～0.03%。

比较这 4种方案,直接采用三级四轴减速器具有结构简单、传动效率高、可靠性强、节能效果明显、成本低、易维护等优点。

2 三级四轴减速器设计

要求三级四轴减速器要具有以前减速器的所有优点,连接尺寸也要尽可能一致。通过技术创新,自主研发了三级四轴减速器,如图 1。

图1 三级四轴分流式减速器

该减速器是三级斜齿圆柱齿轮减速器,其传动形式是三级分流式结构,齿面采用软齿面双圆弧齿轮传动,计算其抗接触强度、弯曲强度、静强度,使减速器强度满足 SY/T 5044—2000《游梁式抽油机》和GB/T 13799—1992《双圆弧圆柱齿轮承载能力计算方法》的要求。为了减轻减速器的质量,节约成本,经过反复计算、优化设计,在中心距 900 mm的情况下,取齿轮模数、齿数、螺旋角的最佳组合,使减速器总传动比达到1∶110,额定扭矩为 26 kN·m。并成功应用于复合 7型抽油机,实现了 3.5、2.5、1.5 min-1的超低冲次。其配套的电动机功率由原来的11 kW降低到 7.5 kW,节能效果显著。

3 超低冲次抽油机的特点

a) 采用三级四轴减速器实现超低冲次,最低达 1.5 min-1,完全满足了超低渗透油藏的特殊需求。理论产液量如表 1。

表 1 CYJY7-2.5-26HF型抽油机最大冲程时的理论产液量

b) 节能效果明显。原 7型抽油机需要配备15 kW或者 11 kW电动机,出现“大马拉小车”的现象。超低冲次抽油机只需配备 7.5 kW电动机就能满足工况需求。由于抽油机装机功率减小,使得电机的负载率提高,效率提高,从而节电[4-11]。

例如,对于同一口油井,假设冲程、冲次、配置参数相同,使用 11 kW电机时,抽油机的光杆功率为PG

[7],两级减速器、V带和四连杆机构的传动效率约为 70%,可推算出电机的负载率为;使用7.5 kW电机时,抽油机的光杆功率也为 PG,三级四轴减速器、V带和四连杆机构的传动效率约为67%,可推算出电机的负载率为。后者的电机负载率提高了约 30%,由图 2[4]可以看出,随着负载率的提高,效率也会有较大的提高。

图 2 异步电动机负载率β与效率η理论曲线

c) 光杆的动载荷下降。根据光杆功率的计算式[7]可以得到冲次 n降低之后抽油机的光杆功率随之降低,所需的均方根扭矩变小,即,载荷波动变小。

d) 启动扭矩大、额定输出转速低、载荷分布均匀、承载能力大、使用寿命长、运行平稳可靠。

e) 基础与普通常规型抽油机相同,方便用户使用和维护。

4 结论

1) 为了高效节能开采超低渗透油藏,需要超低冲次抽油机。现有的普通抽油机不能满足这一工况要求。

2) 比较 4种传动方案,6极电机 +V带 +三级四轴减速器方案的最低冲次达 1.5 min-1,完全满足长庆油田超低渗透油藏的生产要求。

3) 电机的负载率提高约 30%,节能效果显著。降低了光杆的动载荷,减少了抽油杆、抽油泵、油管磨损次数,延长检泵周期,克服了低产井间抽作业带来的影响,提高了产液量和系统效率。这项技术的推广,使超低渗透油藏的综合开发效益被显现出来。

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[11]廖大林.W型曳引抽油机的设计分析 [J].石油矿场机械,2009,38(9):42-45.

Study of Energy-saving Type Ultra-low Frequency Stroke Pumping Un it

L IHong-cai,Q IN De-fu,YU Gang,HOU Jun,FAN Yong
(M achinery Factory of General,Changqing O ilfield Company,Xi’an710201,China)

Based on the character of low reservoir permeability and the problems of irrational allocation, low system efficiency,high rate of energy loss and poor economic benefit for pumping unit application,a systematic study on energy-saving type ultra-low pumping speed unit has been completed by optimization allocation parameters in this paper.The results showed:The lowest pumping speed of thismachine type was 1.5 times perminute;the correspondingmotor power decreased by 1/3,compared with that of conventional pumping units.The load rate andmotor efficiency increased greatly.It canmeet the demandsof high efficiency energy saving exploration in Changqing oilfield.

pumping unit;ultra-low pumping speed;decelerator;energy-saving

1001-3482(2010)05-0049-03

TE933.1

B

2009-11-20

李红才 (1960-),男,河北遵化人,教授级高级工程师,1984年毕业于大庆石油学院石油矿场机械专业,主要从事钻采设备的研制和油田机采系统节能技术研究,E-mail:cqlhc@263.net。