五型抽油机增程技术研究*

段 丽，申杰斌

(1.永升建设集团有限公司，新疆克拉玛依 834000;2.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500)

0 引言

随着油田进入中后期开发，原油含水量逐年增加，为保持原油稳定，需增加产液量。采用长冲程、低冲次抽油，不仅有利于稠油的开发，而且可降低抽油过程中的冲程损失，提高抽油泵的充满系数，因而可以达到增加产液量的目的。但是将在用的短冲程抽油机全部换新，会花费大量的资金。通过可行性的结构改造达到增程的效果，可最终改善抽油条件、增加产液量。目前提高冲程的方法有复合轮式、扇行驴头式、行星轮式及双摆增距式［1－4］等。但以上方法的弊端在于改造量大，不利于实施;有新增结构的加入，仅是可以增加抽油机冲程，并没有验证改造后的结构对抽油机的速度、加速度、部件受力等整体性能上的影响，实用效果无法考证。笔者提出在原有异五型抽油机基础上增加支架高度的方法来增加抽油机冲程，并通过数值分析软件MATLAB分析改造前后抽油机整体性能的变化。

1 增程技术理论研究

采用增加支架高度的方法来增加抽油机的冲程，以异五型抽油机为例，其运动机构简图如图1、增加支架高度前后结构参数如表1。

表1 抽油机增程前后各尺寸 /mm

由图1可知，当悬点处于下死点及上死点两极限位置时，游梁后臂和基杆之间的最大夹角ψmax及最小夹角ψmin分别为:

那么可得悬点最大冲程长度S为:

曲柄半径R、游梁后壁长度C、连杆长度P和游梁前臂长度A均为固定值，都与机架高度无关，但基杆长度K与机架高度有关:

式中:H为机架高度，m;G为曲柄轴中心离地面高度。可见冲程S与机架高度H呈一定的函数关系。代入表1中的数据，通过软件matlab的绘图分析，如图2所示。

图1 异五型抽油机运动结构简图

图2 冲程随支架高度变化的变化图

由图2可见，在已知的尺寸下，在4 110～4 760 mm内增加机架高度可达到增程目的。同时将增加高度后的结构尺寸代入式(3)，有:

同理将改造前的数据代入式(3)计算出冲程S=2.5 m。可见通过增高支架可达到增加冲程的目的，冲程由原来的2.5 m增加到3 m。

2 改造前后的运动分析

(1)曲柄转角θ从12点位置算起，并且沿顺时针方向时取为正值;抽油机位于下死点时，曲柄位置与12点位置的夹角，叫做上冲程的起始角θ0;

(2)各杆件的参考角 θ2、θ3、θ4等角度均从基杆OO1算起，并且沿逆时针方向取为正值，相应的ω、a为各杆件的角速度、加速度。

矢量有如下关系式［5］:

上述矢量方程用复变矢量可表示为:

将上式两边对时间求导可得:

令方程两边实部和虚部对应相等，可得到如下方程:

将上述对时间t求导，可得连杆及游梁运动的角加速度a3、a4为:

3 改造前后效果验证

3.1 改造前后速度、加速度比较

当曲柄匀速转动时，则悬点速度v和加速度a可由下式计算:v=A·ω4;a=A·a4，设曲柄轴保持匀速转动ω1的情况下，通过数学软件matlab，结合相应结构件质心位置参数即可得悬点速度和加速度等曲线图如图4～6。

由图可见:抽油机一个冲程中，悬点的速度和加速度不仅大小在变化，而且方向也在变化，上、下死点附近悬点加速度的值最大。从改造前后的抽油机悬点速度和加速度数据曲线来看，改造后的速度和加速度均小于改造前，同时由于加速度变小使得悬点载荷变小，因此在抽油机部件受力情况也要好于改造前。

图3 改造前悬点速度随曲柄转角变化图

图4 支架增高500 mm悬点速度随曲柄转角变化图

图5 改造前悬点加速度随曲柄转变化角

图6 支架增高500 mm悬点加速度随曲柄转角变化图

3.2 改造前后抽油机扭矩及平衡情况的比较

抽油机工作时，由悬点载荷及平衡重在曲柄轴(减速箱输出轴)上造成的扭矩与电动机输给曲柄的扭矩相平衡。因此，通过悬点载荷及平衡来计算曲柄轴扭矩，不仅可以检查减速箱是否在超扭矩条件下工作，而且可以用来检查和计算电动机功率及功率利用情况。采用净扭矩［6］来反应抽油机在工作过程中的平衡情况。

图7 改造前各项扭矩随曲柄转角变化图

图8 支架增高500 mm后各项扭矩随曲柄转角变化图

已知异五型抽油机减速器扭矩为18 kN·m，由图7、8可见，改造前净扭矩为－12～9 kN·m，而改造后净扭矩为－18～15 kN·m。虽然改造后的净扭矩波动范围有所增大，但从图中可见整体的波动都是一致的，且都在额定扭矩18 kN·m之下。可见抽油机改造前后的平衡均良好，在额定允许范围内。

4 结论

(1)提出的增加支架高度增程方案，可用于在抽油机的增长改造，特点是能够在保证抽油机性能下增加抽油机冲程，且改动量相较于其它方案小，适用于各型游梁式抽油机的增程改造。

(2)增程改造后的抽油机，在悬点速度与悬点加速度上，较于改造之前小，因此在相同油井条件下，增程改造后的抽油机具有更好的动力性能，可延长抽油杆及抽油机部件的使用寿命。

［1］ 王春华，孙亚莉，钟 力.游梁式抽油机的增程改造设计［J］.油田地面工程，1997(2):44－46+78.

［2］ 路 懿，许志强.游梁式抽油机与辅助连杆综合增程的方法［J］.石油矿场机械，1999(4):9－12.

［3］ 陈文华，连文志，王守民，张为鄂.常规游梁式抽油机的增程与节能改造研究［J］.工程设计学报，2004(3):139－143.

［4］ 路 懿，许志强.游梁与复合轮综合增程式抽油机［J］.石油机械，1999(1):53－55+4.

［5］ 邬亦烔，刘卓钧，赵贵祥，等.抽油机［M］.北京:石油工业出版社，1994.

［6］ 邬亦炯.游梁式抽油机曲柄轴扭矩计算公式剖析［J］.石油机械，1994(5):35－42+63.