W型曳引抽油機抽油桿斷脫技術(shù)措施分析

廖大林,向貴川,劉長松,賈建新,潘明浩,張成蘭

(1.濮陽市信宇石油機械化工有限公司,河南濮陽457001;2.a.中原油田油氣技術(shù)部;b.采油五廠,河南濮陽457000;3.江蘇咸中石油機械有限公司,江蘇建湖224700)

W型曳引抽油機抽油桿斷脫技術(shù)措施分析

廖大林1,向貴川1,劉長松2a,賈建新2b,潘明浩3,張成蘭3

(1.濮陽市信宇石油機械化工有限公司,河南濮陽457001;2.a.中原油田油氣技術(shù)部;b.采油五廠,河南濮陽457000;3.江蘇咸中石油機械有限公司,江蘇建湖224700)

針對W型曳引抽油機在運行過程中可能出現(xiàn)的抽油桿突然斷脫事故,分析了抽油桿斷脫的原因,提出了預(yù)防辦法和技術(shù)措施,以避免因為抽油桿斷脫造成事故,為推廣應(yīng)用W型曳引抽油機提供了安全技術(shù)保障。

W型曳引抽油機;抽油桿斷脫;技術(shù)措施;模擬試驗

Abstract:To aim at the crack and thread off accidents of sucker rod in during the process of W-type tractive pumping unit operation,the reasons for the crack and thread off of sucker rod was analyzed,positive prevent methods was put forward.Practical and effective measures were illustrated,combining prevention with control to ensure that no thread off accidents of sucker rod accident.The technical obstacle was absolutely got rid of.It is beneficial for promoting W-type tractive Pumping unit in large scale.

Key words:W type tractive pumping unit;crack and thread off of sucker rod;technical measures;simulation test

W型曳引抽油機是一種機電一體化的新型無游梁式抽油機[1-2],由動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機架及移動系統(tǒng)、曳引系統(tǒng)、配重及扶正系統(tǒng)、安全制動系統(tǒng)等構(gòu)成。該型抽油機采用外轉(zhuǎn)子稀土永磁同步電機[3]作為動力系統(tǒng),并與變頻器調(diào)速系統(tǒng)和PLC自動控制相匹配,不僅可以使電機在沒有減速箱的情況下超低速運行,而且可以有規(guī)律地實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn);用鋼絲繩作為牽引系統(tǒng)[4-5],將鋼絲繩從電機兩側(cè)的曳引輪上繞過,前端與懸點載荷相連接,后端與配重相連接;根據(jù)滑輪原理,在懸點載荷與電機之間和配重與電機之間各串聯(lián)2只多槽同心動滑輪組,可以成倍地降低電機扭矩、體積和質(zhì)量,使W型曳引抽油機結(jié)構(gòu)極其簡單。

該型抽油機經(jīng)過中原油田、華北油田、遼河油田、勝利油田采油廠使用,凸顯出節(jié)能、低碳、高效、維護簡單、減輕工人勞動強度等技術(shù)優(yōu)越性。缺點是在抽油桿斷脫后配重不能及時剎住。為此,有必要對抽油桿斷脫的原因進行分析,并提出相應(yīng)的技術(shù)措施。

1 抽油桿斷脫原因[6]

1.1 外因

a) 抽油泵砂卡。

b) 結(jié)蠟嚴重發(fā)生蠟卡。

1.2 內(nèi)因

a) 抽油桿與油管偏磨過度。

b) 抽油桿疲勞損壞。

c) 抽油桿腐蝕嚴重。

d) 抽油桿熱處理質(zhì)量差。

表1為某采油廠2004—2008年抽油桿柱現(xiàn)場失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

表1 某采油廠2004—2008年抽油桿斷脫統(tǒng)計

2 技術(shù)措施

2.1 長沖程低沖次工作制度

游梁式抽油機由于受其結(jié)構(gòu)的限制,沖程不大,但沖次可以調(diào)得很高。以中原油田14型抽油機為例,多數(shù)為沖程4 m,沖次6 min-1,即光桿每分鐘運行24 m。W型游梁式抽油機電機轉(zhuǎn)速可通過變頻調(diào)速到幾轉(zhuǎn)～幾十轉(zhuǎn),沖程可以設(shè)計到7～8 m,因此,可以實現(xiàn)長沖程低沖次。例如沖程8 m,沖次3 min-1,光桿每分鐘也運行24 m。由于前者速度高,帶來的后果是抽油桿運行加速度大,慣性大,抽油桿斷脫幾率高;后者加速度小,慣性小,抽油桿斷脫幾率小,磨損小,同時原油充盈度高,產(chǎn)量高。

2.2 控制系統(tǒng)超載欠載空載保護

通常,電機是在額定負荷下的額定電流內(nèi)運轉(zhuǎn),當抽油泵發(fā)生砂卡或蠟卡時,工作電流將顯著上升,當超過額定電流值時,控制系統(tǒng)將會自動切斷電源,抽油機會自動及時停車并發(fā)出過電流故障信號,在顯示屏上顯示負荷的故障代碼,此時只要對井下進行熱洗等作業(yè)措施就能消除砂卡或蠟卡故障,避免抽油機將抽油桿拉斷。此例已在華北油田任311井進行過驗證。

2.3 曳引系統(tǒng)具有打滑保護功能[7-8]

曳引系統(tǒng)中的鋼絲繩是以180°纏繞在曳引輪上的,運行時,電機功率依靠鋼絲繩與曳引輪的正壓力和摩擦力傳遞。當抽油泵發(fā)生砂卡或蠟卡時,抽油機載荷顯著增加,出現(xiàn)前重后輕的現(xiàn)象,因此鋼絲繩和曳引輪會打滑,一旦發(fā)生打滑,勢必會使1個沖程的時間超過預(yù)先輸入的時間,此時控制系統(tǒng)即會以超時指令切斷電機電源,并在顯示屏上顯示超時的故障代碼。此例2009-11-07在中原油田采油一廠C10-19井遇到過,當抽油泵發(fā)生砂卡時,抽油機自動停車,并顯示超時運行故障號,進行熱洗排除了砂卡,避免了抽油桿被拉斷。

上述3種技術(shù)措施可以有效改善抽吸質(zhì)量,減少摩擦,大幅度減少抽油桿斷脫的幾率,延長機、桿、泵的使用壽命,但不能從根本上杜絕抽油桿的斷脫事故。為此,采取了多種技術(shù)措施。

a) 在機架兩側(cè)設(shè)計2根互相平行且與地面垂直的軌道,對配重進行扶正,一旦抽油桿斷脫,配重可在軌道扶正下平衡下行,不會沖撞機架。

b) 在砼基礎(chǔ)上與配重對應(yīng)的部位設(shè)置1只舊輪胎,當光桿斷脫、配重突然墜落時,輪胎能起到緩沖作用,保證配重軟著地,不會砸壞砼基礎(chǔ)。

c) 在電機兩側(cè)曳引輪的外圍、前后動滑輪的外廓和鋼絲繩通過的主要路徑上設(shè)置防跳繩槽裝置,當抽油桿斷脫時,在配重墜落過程中鋼絲繩仍能拽著配重減速下落,同時也不會因為鋼絲繩跳槽發(fā)生阻卡而造成鋼絲繩被拉斷。

d) 在前側(cè)動滑輪下部設(shè)置1個緩沖裝置,由殼體、彈簧、鋼絲繩組成,如圖1。緩沖裝置下端與機座連接,上端與動滑輪懸繩器連接。當抽油桿斷脫時,配重在地球引力作用下墜落,與此同時,前邊的動滑輪及懸繩器在鋼絲繩的帶動下迅速沖向上平臺。在配重落地的瞬間,在慣性力的作用下,前側(cè)動滑輪及懸繩器仍然會以很高的速度上升,此時,連接在動滑輪座下邊的鋼絲繩正好被拉緊,緩沖器內(nèi)的彈簧被壓縮,彈力與上部慣性力相抵消使動滑輪迅速靜止,避免動滑輪沖頂而撞壞。

圖1 緩沖器結(jié)構(gòu)

e) 設(shè)計堅固的砼基礎(chǔ),與W型曳引抽油機相配套的砼基礎(chǔ)尺寸為5.0 m×2.5 m×0.5 m,鋼筋采用?16 mm螺紋鋼,水泥砂漿采用高標號水泥和粗砂、石子用攪拌機攪拌,振動機振動搗實進行現(xiàn)場澆鑄,經(jīng)15 d保養(yǎng)和自然凝固后再投入應(yīng)用。經(jīng)測試,制成的砼水泥基礎(chǔ)為C20強度等級(20 MPa),即砼基礎(chǔ)與配重的接觸面積可以承受2.8×104kN的沖擊壓力。配重質(zhì)量通常為5 000～6 000 kg,抽油桿斷脫時,配重以9.8 m/s2加速度下落,行程為7 m,配重落地的沖擊力為6 760 kN,遠遠小于2.8×104 kN,加之有輪胎的緩沖,不會砸壞砼基礎(chǔ)。

3 模擬試驗

在計算的基礎(chǔ)上進行了抽油桿斷脫模擬試驗。當光桿突然斷脫時,配重失衡向砼基礎(chǔ)墜落,墜落在舊輪胎上幾次反彈后靜止,此時前側(cè)動滑輪在后側(cè)配重拖拽下迅速沖向上止點,當接近上止點時,動滑輪座上的緩沖器緩沖后鋼絲繩受拉,彈簧被壓縮,當動滑輪慣性力與彈簧彈力抵消后配重靜止,電機處于空載,在控制系統(tǒng)的欠載保護下自動停車。模擬試驗后,檢查機架和上平臺、動滑輪和配重、電機和砼基礎(chǔ)等完好無損。抽油桿斷脫模擬試驗驗證了理論計算是正確的。

4 結(jié)語

針對W型曳引抽油機抽油桿斷脫問題采取的技術(shù)措施效果較好。有積極預(yù)防措施,也有有效保護措施,前者大大減少了抽油桿被拉斷的幾率;后者有效消除了因抽油桿斷脫而造成的危害,從而為W型曳引抽油機成功應(yīng)用于油田提供了安全技術(shù)保障。

[1] 廖大林.W型曳引抽油機設(shè)計分析[J].石油礦場機械,2009,38(9):42-45.

[2] 廖大林.W型曳引抽油機:中國,ZL 2007100892850[P].2007-11-14.

[3] 宇富平,劉曉強,高中勇,等,永磁電動機在抽油機上的節(jié)能效果測試分析[J].石油礦場機械,2005,34(1):83-85.

[4] 高加索,范吉祥,劉文娟.絞車滾筒亂繩原因分析及解決方法[J].石油礦場機械,2010,39(2):82-86.

[5] 梁宏寶,伊蓮娜.鋼絲繩抽油桿柱的加重桿優(yōu)化設(shè)計[J].石油礦場機械,2009,38(11):34-36.

[6] 段敬黎,祝效華,鄧福成.抽油桿柱疲勞失效的熱處理因素分析[J].石油礦場機械,2009,38(11):54-56.

[7] 劉長松.W型曳抽油機鋼絲繩的選用與維護[J].石油礦場機械,2010,39(6):63-66.

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Technical Measures of W-type Tractive Pumping Unit for Breakdown of Sucker Rod

LIAO Da-lin1,XIANG Gui-chuan1,LIU Chang-song2a,JIA Jian-xin2b,PAN Ming-hao3,ZHANG Cheng-lan3
(1.Puyang Xinyu Petroleum Machinery and Chemical Co.,Ltd.,Puyang457001,China;2.a.Oil and Gas Technique Department;b.No.5Oil Production Plant,Zhongyuan Oilfield,Puyang457001,China;3.Jiangsu Xianzhong Petroleum Machinery Co.,Ltd.,Jianhu224700,China)

TE933.1

B

1001-3482(2010)10-0092-03

2010-04-14

河南省重點科技攻關(guān)項目(070102)

專利項目:中國發(fā)明專利“W型曳引抽油機”(ZL2007100892850)

廖大林(1952-),男,江蘇鹽城人,高級工程師,主要從事石油裝備的研究與開發(fā),E-mail:liaodalin26@sina.com。