曳引式抽油机在举升中的应用分析

李秋颖, 王 涛, 杨 雷, 于天奇, 李 峥, 杨丽红

(1中石油华北油田采油一厂 2中石油华北石油管理局有限公司江苏储气库分公司)

常规游梁式抽油机结构简单、可靠耐用、操作维护方便，在有杆泵采油中占据了主导地位[1-2]。但受游梁前臂长和摆角限制，不适应长冲程；因悬点加速度和动载荷较大、平衡效果差，净扭矩波动大，存在着大电机、大减速器配备方式，即“大马拉小车”，因而效率低、能耗高[3]。为了节能和加大冲程，一方面对常规抽油机改进结构设计，如前置型、异相型[4]、异型(双驴头)[5]、下偏杠铃和弯游梁等抽油机[6-7]，这些变型机只对四连杆机构进行了改进，未摆脱其在传递过程中的影响，未解决根本问题[1]。另一方面,为适应“长冲程、低冲次”抽油方式，诸如链条、宽带、摩擦换向、数控等无游梁抽油机[8-9]逐渐在现场应用并取得较好的效果。但这几种机型存在结构较复杂、挠性构件较多、传动元件寿命低、换向冲击载荷大等不足[10]。曳引式抽油机是长冲程无游梁抽油机，采用低速外转子电机，动滑轮及天平式平衡，变频控制等技术[11-12]，适用于各类油井的生产[13]。本文分析了曳引式抽油机机型悬点运动和受力状况，建立了悬点载荷、平衡重、电机转矩等计算模型，意在为该类机选型、工况优化等提供分析的方法。

1 曳引式抽油机结构及工作原理

1.1 结构组成

曳引式抽油机由动力、曳引、控制、平衡及扶正、机架及移动、安全制动等六个系统组成，见图1。

图1 曳引式抽油机结构示意图

1.2 主要特点

1)与游梁式抽油机和链条、宽带等立式抽油机相比，无四连杆机构和减速装置，简化了传动结构，实现电机直接驱动举升系统，提高了传动效率。

2)采用天平式平衡，平衡率高，保障了其在上下冲程运行的稳定性。

3)曳引系统应用动滑轮装置，电机承载较悬点降低1/2[12]，有效减小了电机装机容量和输出功率，提高了负载率。

4)通过改变供电频率来调整冲次；调节上、下止点传感器的位置来调整冲程的长度。地面调参可无级调整，且操作简单。

1.3 工作原理

电机启动后，驱动曳引系统带动抽油杆柱和平衡重上下运动。当平衡重到达上、下限位开关时，由此处的传感器向控制系统反馈信号，控制系统便发出相应指令，控制电机减速、停止、反向运转。如此往复循环，实现了带动抽油杆柱及井下泵的抽油过程。

2 举升系统分析

2.1 悬点运动规律

曳引式抽油机悬点运动特点与游梁式抽油机不同，其悬点在上、下冲程的速度—时间曲线见图2。悬点上下冲程的运动规律是匀加速—匀速—匀减速，但其运动方向相反。悬点的速度v、位移s、加速度a是随时间t变化的分段函数。

图2 悬点速度—时间曲线图

2.2 曳引轮与动滑轮之间的速度、加速度关系

图3中曳引轮O2定轴转动时，两个同样的动滑轮O1和O3作平面运动[13]。质心O1点的速度V1为悬点向上运动的速度，B点为瞬心，A点的速度VA与曳引轮E点的速度VE相同，此时有：

V1=rω1

(1)

VA=VE=Rω2=2rω1

(2)

图3 曳引系统平面运动示意图

由式(1)、式(2)，并对其两边对时间t求导，得到：

(3)

(4)

式中：R—曳引轮半径，m；ω2—曳引轮角速度，rad·s-1；r—动滑轮O1和O3的半径，m；ω1—动滑轮O1绕瞬心轴B的角速度，rad·s-1；aA—A点的加速度，m·s-2；ao1—悬点O1的加速度，m·s-2。

所以电机曳引轮提升钢丝绳的速度、加速度分别是悬点运动速度、加速度的2倍。同样也是平衡重下降速度和加速度的2倍。

2.3 曳引系统动力学分析

以曳引系统为研究对象，系统受力情况见图4，假定悬点运动向上为正。

图4 曳引系统受力分析图

2.3.1 电机转矩计算

上冲程，悬点由下死点向上死点运动，即在t1、t2、t3时间段内分别做匀加速、匀速、匀减速等运动。

在t1时间段，悬点的初始位置在下死点，系统此位置的动能Ek1=0,当悬点向上运动t1(s)、S1(m)的距离时，悬点速度为最大，此时系统动能为

(5)

t1时间段内，系统作的总功:

W=M1φ1+mpgS1+m3gS1-mrgS1-mlgS1-m1gS1

(6)

式中:mr、ml、mp—杆柱、液柱和平衡重的质量，kg；m1、m3、m2—动滑轮O1、O3和曳引轮O2的质量，kg；J1、J3—两个动滑轮的转动惯量，kg·m2；J2—曳引轮的转动惯量，kg·m2；ω3—动滑轮O3绕瞬心D的角速度，rad·s-1；φ1—曳引轮的转角，rad。

下冲程，由于泵的游动凡尔打开，液柱载荷作用在油管上，悬点主要承受杆柱在油管内液体中的重力。

依据动能定理，Ek2-Ek1=W[14]，计算上冲程电机扭转M1、M2、M3，下冲程扭矩M4、M5、M6。计算表明，曳引系统使用动滑轮装置，电机输出转矩是悬点载荷力矩的1/2。

2.3.2 悬点最大、最小载荷

同样，曳引式抽油机悬点最大载荷Pmax发生在上冲程，最小载荷Pmin发生在下冲程，也受静载荷、动载荷和摩擦载荷的影响。在只考虑杆柱和液柱的静载荷和惯性载荷时，依据文献[15]的分析方法，Pmax、Pmin分别由式(13)、式(14)计算:

Pmax=P静+P惯上=(mr+ml)g+(mr+ml)a1

(7)

(8)

式中:P静—悬点静载荷，是杆柱在空气中的重力与液柱重力的和，N；P惯上—上冲程杆柱和液柱的惯性载荷，N。

2.3.3 平衡重计算

要保持曳引式抽油机平衡运转，须使电机上下冲程相应阶段所输出的转矩相同。

在匀加速阶段，若a1=-a4,令M1=M4，化简得到平衡重计算公式：

(9)

在匀速和匀减速阶段平衡重的计算结果与式(19)相同。故曳引式抽油机的平衡重应为悬点最大载荷与最小载荷的1/2。

3 现场应用及效果分析

曳引式抽油机近几年在华北油田采油一厂应用11口井，应用效果良好。以R311井为例,试验数据分析如下:试验时油井泵径、泵深、杆柱组合未变，冲程由3 m增至5.5 m，冲次由5 min-1降至3 min-1，泵的排量增大5.3 m3/d。

3.1 悬点运动曲线对比

由图5、图6看出，曳引式抽油机悬点只在上下死点附近有加速度，大部分时间将保持匀速运动，且vmax、amax小，这种状况降低了悬点惯性载荷，使举升系统运行更加平稳。

图5 抽油机悬点加速度曲线

3.2 电机输入功率曲线对比

该井电机容量由前45 kW换为14.5 kW。由图7看出，该电机功率曲线平缓，峰值小，不存在负功，电机运行平稳。

图6 抽油机悬点速度曲线

图7 实测电机输入功率曲线

3.3 示功图对比

由图8比较看出，一是红线功图较蓝线功图的加载和卸载线平缓，基本与横轴平行，表明悬点主要作匀速运动，说明受惯性载荷的影响小。二是红线功图冲程增大，其冲程损失减小。

3.4 抽油工况对比

1)因试验后排量增大，产液量由37.8 t/d增至49.7 t/d，增加11.9 t/d，泵效由72%增至85.8%，提高13.8%。

图8 实测示功图

2)系统效率由52.36%提高到75.82%，提高23.46%，吨液百米耗电减小0.16 kW·h。

3)日耗电由253 kW·h减小到215.8 kW·h，日节电37.2 kW·h，有功节电率为30.8%，综合节电率34.4%。

4)电机功率因数由0.421增至0.984，提高了0.563。

4 结论

1)曳引式抽油机从结构和技术上进行改进，一是无四连杆机构和减速装置，简化了传动结构，提高了传动效率；二是使用动滑轮装置，有效降低了电机负载，使其能耗降低；三是天平式平衡，提高了平衡率；四是外转子稀土永磁同步电机，功率因数高，无功损耗低。因此该举升系统效率高、能耗低。

2)经在不同工况的油井上应用，曳引式抽油机能够满足“长冲程、低冲次”抽油方式的需要，运行稳定，调参方便。