節能型超低沖次抽油機技術研究

李紅才,秦德福,魚 崗,侯 軍,樊 勇

(長慶油田分公司 機械制造總廠,西安 710201)

節能型超低沖次抽油機技術研究

李紅才,秦德福,魚 崗,侯 軍,樊 勇

(長慶油田分公司 機械制造總廠,西安 710201)

超低滲透油藏的產量低,目前使用的抽油機配置參數不合理,系統效率低,能量損耗大,經濟效益差。在分析抽油機參數合理配置的基礎上,提出了節能型超低沖次抽油機的技術方案,最低沖次為 1.5 min-1,與其配套的電機功率比常規抽油機減少約 1/3,負載率、電機效率有很大提高,能夠滿足長慶油田超低滲透油藏高效節能開采的需求。

抽油機;超低沖次;減速器;節能

游梁式抽油機是長慶油田最主要的采油設備。隨著超低滲透油藏的開發,俗稱 2 t區的油藏已成為長慶油田的主要貢獻區,然而機采系統效率只有約 20%,低于全國平均水平。如何高效節能地開發低滲透、超低滲透油田已經成為長慶油田必須認真研究的問題。

理論計算和實際測試說明,抽油機參數不能與超低滲透油井產液量合理匹配,即機采系統工作時,由于供液不足造成空抽是影響機采系統效率低的主要原因[1]。不僅功率消耗大,而且油管、抽油桿、抽油泵磨損嚴重。本文主要研究與超低滲透油井產液量合理匹配的抽油機參數及其技術方案。

1 技術方案分析

抽油機參數不能與超低滲透油井產液量合理匹配,即在相同懸點載荷下,沖程和沖次 2個參數大于油井的供液能力,從而造成空抽,系統效率低、能量損耗大。“長沖程,低沖次”能明顯減少沖程損失的比率并提高泵效。因此,應保持原有抽油機方案中的沖程長度,采取降低沖次的辦法來與超低滲透油井產液量相匹配。

長慶油田抽油機的沖次已經從過去的 6、9、12 min-1逐步發展到現在的 2.5、3.5、5.0 min-1,仍然不能滿足超低滲透油藏的要求。理論計算和現場測試表明,在保持現有的桿、管、泵及沖程前提下,要滿足產量為 1～3 m3/d的生產要求,抽油機沖次應達到 115 min-1。選擇傳動方案為電機 +一級皮帶 +兩級減速器,電機選擇較成熟、效率高的八極電機,一級皮帶減速和兩級減速器已經達到了最大速比,此方案仍無法將沖次降低到 1.5 min-1。其他 4種傳動方案如下。

a) 兩級 V帶 +兩級齒輪減速器。這種傳動型式傳動效率低,因為多了一級 V帶傳動,效率下降5%～10%,帶傳動使用一段時間后需要對皮帶進行張緊,結構不緊湊也不適合新井投產的使用。

b) 12極電機 +V帶 +兩級齒輪減速器。參數難以滿足要求,且價格高、效率低、維修困難。電機級數增加,電機電流增大,內耗增大,效率下降3%左右,特別是用于抽油機時,負載為周期性波動狀態,平均負載效率約為 30%,此時電機級數越多,實際效率下降越快。

c) 采用變頻調速技術,其優點是可根據機采井工況和產液量的變化通過閉環回路無級調節抽油機的沖次。但是,變頻調速不論采用什么樣的控制方法其輸出到電機端上的電壓脈沖是非正弦的,波形中含有大量的諧波成分,其中高次諧波會使變頻器輸出電流增大,造成電機繞組發熱,損耗增加,效率降低,產生振動和噪聲,加速絕緣老化,還可能損壞電機[2-3]。其主要設備——變頻器等部件價格比較昂貴,并且油田環境比較惡劣,變頻器等電子器件容易出現故障。抽油機用電機屬于小型普通交流異步電機,可以進行變頻控制,但變頻的最佳范圍是20～50 Hz,當變頻范圍在 10～20 Hz時,其效率降到了 40%～60%,要將沖次降到 1.5 min-1以下,變頻器工作頻率在 10 Hz以下,效率很低。

d) 直接采用傳動比比較大的三級四軸減速器,增加一級齒輪減速效率只下降0.01%～0.03%。

比較這 4種方案,直接采用三級四軸減速器具有結構簡單、傳動效率高、可靠性強、節能效果明顯、成本低、易維護等優點。

2 三級四軸減速器設計

要求三級四軸減速器要具有以前減速器的所有優點,連接尺寸也要盡可能一致。通過技術創新,自主研發了三級四軸減速器,如圖 1。

圖1 三級四軸分流式減速器

該減速器是三級斜齒圓柱齒輪減速器,其傳動形式是三級分流式結構,齒面采用軟齒面雙圓弧齒輪傳動,計算其抗接觸強度、彎曲強度、靜強度,使減速器強度滿足 SY/T 5044—2000《游梁式抽油機》和GB/T 13799—1992《雙圓弧圓柱齒輪承載能力計算方法》的要求。為了減輕減速器的質量,節約成本,經過反復計算、優化設計,在中心距 900 mm的情況下,取齒輪模數、齒數、螺旋角的最佳組合,使減速器總傳動比達到1∶110,額定扭矩為 26 kN·m。并成功應用于復合 7型抽油機,實現了 3.5、2.5、1.5 min-1的超低沖次。其配套的電動機功率由原來的11 kW降低到 7.5 kW,節能效果顯著。

3 超低沖次抽油機的特點

a) 采用三級四軸減速器實現超低沖次,最低達 1.5 min-1,完全滿足了超低滲透油藏的特殊需求。理論產液量如表 1。

表 1 CYJY7-2.5-26HF型抽油機最大沖程時的理論產液量

b) 節能效果明顯。原 7型抽油機需要配備15 kW或者 11 kW電動機,出現“大馬拉小車”的現象。超低沖次抽油機只需配備 7.5 kW電動機就能滿足工況需求。由于抽油機裝機功率減小,使得電機的負載率提高,效率提高,從而節電[4-11]。

例如,對于同一口油井,假設沖程、沖次、配置參數相同,使用 11 kW電機時,抽油機的光桿功率為PG

[7],兩級減速器、V帶和四連桿機構的傳動效率約為 70%,可推算出電機的負載率為;使用7.5 kW電機時,抽油機的光桿功率也為 PG,三級四軸減速器、V帶和四連桿機構的傳動效率約為67%,可推算出電機的負載率為。后者的電機負載率提高了約 30%,由圖 2[4]可以看出,隨著負載率的提高,效率也會有較大的提高。

圖 2 異步電動機負載率β與效率η理論曲線

c) 光桿的動載荷下降。根據光桿功率的計算式[7]可以得到沖次 n降低之后抽油機的光桿功率隨之降低,所需的均方根扭矩變小,即,載荷波動變小。

d) 啟動扭矩大、額定輸出轉速低、載荷分布均勻、承載能力大、使用壽命長、運行平穩可靠。

e) 基礎與普通常規型抽油機相同,方便用戶使用和維護。

4 結論

1) 為了高效節能開采超低滲透油藏,需要超低沖次抽油機。現有的普通抽油機不能滿足這一工況要求。

2) 比較 4種傳動方案,6極電機 +V帶 +三級四軸減速器方案的最低沖次達 1.5 min-1,完全滿足長慶油田超低滲透油藏的生產要求。

3) 電機的負載率提高約 30%,節能效果顯著。降低了光桿的動載荷,減少了抽油桿、抽油泵、油管磨損次數,延長檢泵周期,克服了低產井間抽作業帶來的影響,提高了產液量和系統效率。這項技術的推廣,使超低滲透油藏的綜合開發效益被顯現出來。

[1] 鄔亦炯.抽油機[M].北京:石油工業出版社,1994.

[2] 黃立培.變頻器應用技術與電動機調速[M].北京:人民郵電出版社,1998.

[3] 許大中.電機控制[M].杭州:浙江大學出版社,2002.

[4] 陳俊俊.電機最佳運行時效率和負載率的試驗研究[J].冶金能源,1998,17(3):48-50.

[5] 白連平.抽油機電機質量的評價方法[J].石油礦場機械,2009,38(3):20-22.

[6] 江 斌.合理調小沖次,提高抽油機井的系統效率[J].斷塊油氣田,2004,11(04):63-65.

[7] API RP 11L,Recommended Practice for design calculations for sucker rod pumping systems[S].1988.

[8] 朱 君.節能抽油機節能效果對比試驗研究[J].石油礦場機械,2006,35(3):60-62.

[9] 章 敬,李 偉,李紹奇,等.CYJ5-1.8-18HY型整體彎流梁式抽油機的設計和應用[J].石油礦場機械, 2008,37(9):82-85.

[10]任紅偉,劉衍聰,石永軍,等.銷軸換向鏈條式長沖程抽油機結構設計[J].石油礦場機械,2009,38(9):39-41.

[11]廖大林.W型曳引抽油機的設計分析 [J].石油礦場機械,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

李紅才 (1960-),男,河北遵化人,教授級高級工程師,1984年畢業于大慶石油學院石油礦場機械專業,主要從事鉆采設備的研制和油田機采系統節能技術研究,E-mail:cqlhc@263.net。