游梁式抽油机盘根盒效率模型研究

周 勇，赵福生，孟令俊，祝玉松，程 成，刘志杨

（1.新疆油田公司 工程技术研究院，新疆 克拉玛依834000；2.新疆油田公司质量设备节能处，新疆 克拉玛依834000；3.西南石油大学，成都610500）①

为了防止油气从光杆处泄露，抽油机井口配有盘根盒，如图1所示。作为传输动力的重要环节，在长时间的生产和摩损过程中，密封处过松或过紧，将会造成原油的泄露或效率的降低。目前，没有准确的效率能耗计算模型对盘根盒效率进行计算，通常是根据经验调整填料密封的松紧程度。笔者对盘根盒的对中性、松紧度问题开展了试验研究，得到盘根盒的效率模型。该模型可在实际生产中较为准确地控制盘根盒能耗［1-3］。

图1 抽油机盘根盒结构示意

1 盘根盒效率影响因素

通过对盘根盒的结构与工作原理分析，得出影响盘根盒效率的主要因素有3项［4-5］：①盘根盒类型与规格、填充材料类型；②光杆与盘根盒对中性；③盘根盒填料压实过程中的松紧度。其中，盘根盒对中性与松紧度对效率和密封效果的影响效果最为明显。

2 盘根盒效率

2.1 效率模型的建立

抽油机工作时，由于光杆与盘根盒中填料有相对运动，产生摩擦，因此会产生功率损失。其摩擦力随工作压力、压缩量、密封材质、填料硬度、接触面积等的增大而增大，随运动速度、温度等的提高而减少［6-8］。盘根盒的效率用式（1）进行计算。

不同盘根材料、不同盘根盒上紧转矩、不同对中性都将影响工作压力大小，可在密封处放置压力应变片进行测量，也可通过理论计算获得［9］。填料单元受力如图2所示。

图2 填料单元受力示意

填料腔中某点处的填料对抽油光杆产生的径向压力为：

式中：p r 为某点x 处填料产生的径向压力；x 为由填料顶端至单元体的距离；μc 为填料与外壁静摩擦因数μst和填料与采油光杆之间的动摩擦因数μd 的算术平均值为 填 料 宽 度，bk=Rr，R 为盘根盒外 圆 半 径，r 为 光 杆 半 径；k 为 填 料 的侧压系数（k≤1），侧压系数受圈数、盘根盒压盖压紧应力影响，压紧应力越大，侧压系数越大，一般取单圈0.5～0.7，多圈0.2～0.6［10-11］。

对式（4）进行积分，获得整个密封段的平均压力为：

采用式（6）计算光杆速度。

式中：a为游梁前臂长；b为游梁后臂长；ω 为曲柄角速度；rc为曲柄回转半径；α为曲柄与连杆夹角；β为游梁后臂与连杆夹角。

上下行程中，每一组α、β 对应一个速度，用式（7）计算。

上、下行程的平均速度为：

游梁式抽油机结构参数如图3所示。其参数计算如式（9）。

图3 游梁式抽油机结构参数示意

式（3）适用于光杆摩擦力的理论计算，但在实际工况时，盘根盒并非理想状态，主要受对中性与松紧度的影响。

引入对中系数f1，松紧系数f 2 来量化两者对摩擦力的影响，将式（3）修正为［12］：

在确定对中系数时，引入偏心距e、原始间隙e0、偏心间隙e1，如图4所示。

图4 对中性测量

测量偏心间隙e1的具体方法为：先在盘根盒内做中心标记，然后再用卡尺测出偏心间隙e1，得到偏心距e=e1-e0。

在对中性良好的状态下（无偏心距）获得产液量Q 所消耗的功率P（或耗电量），以及在各种偏心距值下获得产液量Q 所消耗的功率Pe（或耗电量），可得到对中系数，并将此制成e-f1表。

正常工况下，松紧系数f 2 为1（原始点工况），将工作点调至微带油时其值将小于1；调至稍紧点、紧固发热点时将大于1。测试方法仍然使用功率法，首先测试正常工况下获得产液量Q 所消耗的功率P（或耗电量），然后测得各工作点下获得产液量所消耗的功率Psj（或耗电量），则可得松紧系数f2将其制成T-f2表（T 为每种工况下的盘根盒转矩）［13-15］。

盘根盒效率计算模型为：

2.2 盘根盒效率的提升

由式（11）可知，盘根盒效率的提升方式主要分为“换”和“调”两类，“换”指的是更换盘根盒和盘根来提升效率；“调”指的是调整盘根盒对中性和松紧度。盘根盒和盘根的更换效果可计入对中性和松紧度的调整效果。目前盘根盒的效率为90%～95%。

对中系数f1在原始工况（即现场盘根盒未调整状态）下的值取为1。在更换对中盘根盒（非必需进行更换）以及按对中评判标准进行对中调整后，多次测量的f1获得的值应该小于1。

松紧系数f2在对中系数f1调整好之后进行调整（可将普通盘根更换为石墨盘根），将现场未调整状态定为原始点，并用力矩扳手测出此时的力矩大小，通过调整松紧度，依次获得微带油点、稍紧点（力矩大小在微带油点上增加50～60 N·m）、紧固发热点，同时测出对应的力矩大小。以前的研究表明，在微带油点松紧度最好，测出此时的松紧系数f2。

功率损耗降低比Δf 为：

若能将f1、f2调整到0.9～1.0，则损耗功率可降低0～19%。

盘根盒效率提升百分比Δη为：

式中：ΔP′为改造后盘根盒的功率损失。

3 算例

以CAJ10-3-37 HB 型抽油机为例，前臂长a=3.0 m，后臂长b=2.4 m，冲程=3 m，冲次取6 r／min，得到曲柄角速度ω=π／5 rad／s，曲柄回转半径rc=1.15 m。曲柄与连杆夹角α 为0°～180°，游梁后臂与连杆夹角β为57°～123°，如图5所示。

图5 夹角曲线

对中系数与松紧度系数取值如表1所示。利用单一变量法刻画对中系数与松紧度系数对盘根盒效率的影响。

表1 对中系数与松紧度系数取值

对中系数最理想的值为1，非对中状态下的值均大于1。松紧度系数小于1为转矩松弛点，此处定义0.8为微漏油点（松紧度最理想状态），定义1为测试时抽油机盘根盒松紧度原始状态；1.1为转矩紧固点，松紧度大于原始状态。

对中系数、松紧度系数与效率相对量的关系曲线如图6～7所示。当松紧度系数不变时（此处取松紧度系数为0.8），随对中系数的增大，盘根盒效率逐渐减小；当对中系数不变时（此处取对中系数为1），随松紧度系数的增大，盘根盒效率逐渐减小。

图6 对中系数与效率相对量关系曲线

图7 松紧度系数与效率相对量关系曲线

4 现场试验

选择新疆油田某采油厂TDXX01稠油井，其盘根为皮带盘根。试验分3种情况，分别为盘根正常状态，盘根盒压盖扭紧90°状态，盘根盒压盖松90°状态。每种状态下测试有功功率3次，每次测试时间为5 min；盘根每改变一种状态，中间等待盘根恢复时间5 min后再进行测试，测试结果如表2。

由表2可知，盘根越紧有功功率越高，即能耗越高。盘根盒压盘扭紧90°状态与常规紧固状态相比，有功功率增加0.14 k W，增幅7.03%，日耗电增加3.36 k W·h；盘根盒压盘松90°状态与常规紧固状态相比，有功功率减少0.091 k W，日耗电减少2.18 k W·h。

表2 盘根松紧度能耗测试记录

盘根盒在较松状态下，减少了光杆的摩擦力，电机输入功率明显降低，进而减少了抽油井能耗。但是从现场观察，盘根盒在较松状态时，虽然没有漏油，但是油光与正常紧固状态下相比明显增多，随着盘根的磨损，增大了漏油风险，因此现场一般每天都要观察盘根盒，如有松动及时扭紧，杜绝漏油风险。

5 结论

1） 理论分析和试验表明，盘根盒松紧度与对中性相比，对盘根盒效率的影响更大，因此要更加关注对盘根盒松紧度的调整。

2） 填料盒松紧度调整至合适程度，可使该井的盘根盒效率达到最佳。

3） 较低松紧度下应加强巡查，防止盘根盒出现漏油情况。