單曲柄正扭矩柔性抽油機原理及試驗研究

李 娟，李曉東，韓修廷，2，程遠方，徐金超

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；2.大慶油田有限責任公司技術發展部，黑龍江大慶163453） ①

單曲柄正扭矩柔性抽油機原理及試驗研究

李 娟1，李曉東1，韓修廷1，2，程遠方1，徐金超1

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；2.大慶油田有限責任公司技術發展部，黑龍江大慶163453） ①

針對常規游梁式抽油機工作過程中減速箱載荷交變幅度大且存在負值、電機負功率、系統效率低等問題，提出了一種單曲柄正扭矩柔性抽油機結構，改變懸點載荷上下沖程運動的做功區間，實現正扭矩變換，使交變載荷均勻化，提高系統效率。分析了該新型抽油機的工作原理，建立了抽油機運動和動力學模型，并進行了室內和現場試驗。理論分析、室內和現場試驗表明：該新型抽油機結構緊湊，實現了正扭矩，節能效果良好。

抽油機；扭矩；節能

常規游梁式抽油機由于結構簡單、操作方便、使用可靠等特點［1－2］，已在油田服役多年。但是，該機型在理想平衡情況下，沖程的上下死點時刻減速器輸出軸凈扭矩仍然存在較深的負向谷值，致使反向電網發電，能耗問題嚴重［3－4］。在長沖程、低沖次、稠油井、含氣井、深抽井等情況下，該機型體積大、電機功率利用率低，存在明顯的不適用性［5－8］。因此，研制開發了消除負扭矩、體積小、質量輕、節能的單曲柄正扭矩柔性抽油機。

1 抽油機的能耗

抽油機能耗主要包括：舉升流體有效機械功、傳動系統摩擦損失功和電動機熱損失功［9］。其中，電動機的熱損失是電流和功率的波動量函數，而這種波動量與抽油機的減速器輸出軸凈扭矩的波動量成正比。在保持其他條件不變的情況下，凈扭矩曲線越平緩，波動越小，則電流均方根值就越接近電流平均值，熱損失功就越小。

在1個工作周期內，由于抽油機只有上沖程時才舉升流體，所以上下沖程懸點載荷變化很大。即使經過完全平衡后，常規游梁式抽油機減速箱輸出軸凈扭矩仍然是一個隨時間變化的交變載荷，且波動幅度很大，在上下死點時刻存在較深的“谷值”載荷。利用研制的在線負扭矩測試系統，現場實測常規游梁式抽油機凈扭矩曲線如圖1所示，從中可看出凈扭矩有較高的峰值和較深的負向谷值。負扭矩帶來3個問題。

1） 導致電機工作在無效及低效區，如圖2所示。

2） 致使減速箱齒輪形成沖擊載荷，導致設備工作狀況惡劣。

3） 導致電機選配裝機功率提高，致使電機利用率降低，系統效率降低。

圖1 現場實測常規游梁式抽油機凈扭矩曲線

圖2 現場實測常規游梁式抽油機電機功率曲線

2 單曲柄正扭矩柔性抽油機結構原理

單曲柄正扭矩柔性抽油機通過減少傳動環節來降低傳動系統摩擦損失功，消除負扭矩，從而降低了電動機熱損失功，實現節能降耗。原理如圖3。

1） 電機和減速器直接相連于圖3的O點，去除了膠帶傳動環節。

2） 利用1個曲柄帶動平衡重繞O點作逆時針旋轉運動，同時聯動動滑輪繞O1點作旋轉運動。

3） 柔繩從固定端繞過動滑輪和定滑輪直接連到井口，帶動抽油桿柱和液壓自封泵作上下往復運動。取消了常規游梁式抽油機四連桿、擺杠結構傳動環節。

圖3 柔性抽油機原理

以12點鐘位置為零點，逆時針方向為正方向，該機在1個工作周期內實現小波動且始終保持正扭矩的結構原理如下：

1） 曲柄轉角為0°時，懸點載荷提前做正功，平衡重扭矩為零，實現兩者疊加載荷產生的凈扭矩由原來的負值變成正值。

2） 90°時，動滑輪在主動軸O上的力臂變小，平衡重對動滑輪所產生的有效作用力變大；同時，軸端輸入扭矩對動滑輪的等效作用力也增大，使得凈扭矩峰值變小。

3） 180°時，懸點載荷相位滯后做正功，平衡重扭矩為零，實現凈扭矩為正值。

4） 270°時，動滑輪在主動臂上的半徑增大，因此懸點載荷有效作用力增大，即所需減速器輸入扭矩減小，有效地降低了凈扭矩峰值。

5） 360°時，由于下沖程區間變小，懸點載荷提前做正功，平衡重扭矩為零，實現凈扭矩為正值。

綜上所述，通過改變懸點載荷的做功區間，使油井載荷產生的扭矩曲線發生一定偏移，上沖程區間變大、載荷變小，下沖程區間變小、負載荷變大，與平衡重扭矩疊加得到的凈扭矩負值變正、峰值變小，以達到整個周期正扭矩且扭矩均勻的效果。

3 懸點運動及動力性能參數模型

3.1 懸點運動參數計算

圖3中基本尺寸包括f、r1、τ、θ、m、h、R2、R1、r2，曲柄轉角θ以12點鐘位置為零點，逆時針方向為正方向，則任意時刻t，即任意曲柄轉角θ時，e點到g點的柔繩總長度可表示為

式中，S為懸點沖程的長度，m；lmax為e點到g點之間柔繩最大長度，m；lmin為e點到g點之間柔繩最小長度，m。

以下死點位置為位移零點，假設懸點向上時為位移正方向，ω為曲柄旋轉的角速度，則任意時刻懸點的位移、速度u1、加速度a1及扭矩系數計算公式為

式中，u1為懸點的速度，m／s；（θ）為函數F（θ）對時間的一次導數，m／s。

式中，a1為懸點的加速度，m／s2；（θ）為函數F（θ）對時間的二次導數，m／s2。

對于固定型號的抽油機，可以根據曲柄旋轉角速度得出懸點運動規律。

3.2 懸點動力性能參數計算

3.2.1 懸點載荷

懸點載荷P的計算公式為

式中，P為懸點載荷，N；Ar為抽油桿柱的橫截面積，m2；L為下泵深度，m；ρr為抽油桿柱材料密度，kg／m3；ρf為油井流體密度，kg／m3；Er為抽油桿柱材料的彈性模量，N／m3；sr為抽油桿柱任意橫截面x處在時刻t的位移，m。

3.2.2 減速器輸出軸凈扭矩

假設曲柄勻速運動，則減速器輸出軸凈扭矩Mn為

式中，Mn為減速器輸出軸凈扭矩，N·m；Bw為抽油機結構不平衡重，N；ηcl為曲柄到抽油機懸點的傳動效率；y為符號系數，當u1＝70時，y＝－1，當ul≤0時，y＝1；為等效平衡重，N；r2為曲柄半徑，m。

3.2.3 電動機功率

電動機瞬時輸出功率Nio與凈扭矩Mn的關系式為

式中，Nio為電動機瞬時輸出功率，kW；ηmr為電動機輸出軸到減速器輸出軸的傳動效率；z為符號系數，當Mn＞0時，z＝－1，當Mn≤0時，z＝1。

電動機瞬時輸入功率Nmi和電動機平均輸入功率的計算公式為

式中，Nmi為電動機瞬時輸入功率，kW；ηr為電動機額定效率；α為電動機瞬時功率利用率，α＝Nio／Rr；Nc為電動機空耗功率，kW；Nr為電動機額定功率，kW；為電動機平均輸入功率，kW；T為懸點運動周期，s。

4 室內試驗

單曲柄正扭矩柔性抽油機室內試驗參數如表1所示。配用液壓自封柱塞泵，理論排量為33m3／d，通過地面油箱量筒計量抽出油量，采用壓力閥進行井口憋壓，控制舉升壓頭。

表1 試驗井參數

實測電機電流、功率如圖4所示，電流除了在上下死點處波動稍大外，其余位置一直比較穩定，電機功率在2kW附近波動較小，基本處于恒功率狀態。實測系統效率達到74.4%。

圖4 實測單曲柄正扭矩柔性抽油機功率與電流曲線

5 現場試驗

在大慶油田慶1－33井進行了單曲柄正扭矩柔性抽油機和常規游梁式抽油機現場試驗，試驗參數如表2。單曲柄正扭矩柔性抽油機自2010－07正常工作以來，工作環境最低溫度－30℃、最高溫度36℃，工作參數如表2所示。

表2 慶1－33井單曲柄正扭矩柔性抽油機和常規游梁式抽油機工作參數對比

測試表明，新型抽油機，即單曲柄正扭矩柔性抽油機，在整個運轉周期中，轉矩均為正值，如圖5所示。

圖5 單曲柄正扭矩柔性抽油機電機扭矩隨時間的變化曲線

由表2知：

1） 最小扭矩由常規機的－15kN·m提高到7kN·m。最小扭矩與最大扭矩之比達到了58.3%。

2） 電流由常規機的－6A提高到3A，電機一直處于做正功的狀態。

3） 系統效率由常規游梁機的14.0%提高到24.3%，節電率＞50%。

4） 裝機功率由常規游梁機的15kW降到3 kW，多項指標大幅度提高。

6 結論

1） 基于抽油機節能原理，提出單曲柄正扭矩柔性抽油機結構。通過理論分析和試驗證明，該抽油機原理正確，結構可行。

2） 建立了該新型抽油機運動規律模型與動力特性計算模型。

3） 室內及現場試驗表明，相比于常規游梁式抽油機，該新型抽油機實現了整個周期正扭矩且波動平穩，各項指標明顯改善，節電率＞50%，節能效果良好。

［1］ 張 琪.采油工程原理與設計［M］.東營：石油大學出版社，2002：117－130.

［2］ 韓修廷.有桿泵采油原理及應用［M］.北京：石油工業出版社，2007：4－10.

［3］ 欒慶德，閆玉奎，趙繼峰，等.基于節能理論的抽油設備能耗分析及對策［J］，石油礦場機械，2008，37（10）：11－14.

［4］ 師國臣，張佳民，魏級德，等.大慶油田高效舉升與節能技術的新發展［J］，大慶石油地質與開發，2009，28（5）：246－252.

［5］ 張曉東，賈國超.關于我國抽油機發展的幾點思考［J］.石油礦場機械，2008，37（1）：24－27.

［6］ 李曉東，韓修廷，李 娟，等.柔性液壓自封抽油系統［J］.大慶石油地質與開發，2011，30（5）：122－124.

［7］ Rowlan L，Mccoy J N，Podio A L.Best Method to Balance Torque Loadings on a Pumping Unit Gearbox［J］.Journal of Canadian Petroleum Technology，2005，44（7）：27－32.

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［9］ Kermit E.Brown.The technology of artificial lift methods，Volume 2A［M］.Tulsa：Petroleum Publishing Company，1980：60－70.

Principle and Experiment of Single Crank Positive Torque Flexible Pumping Unit

LI Juan1，LI Xiao－dong1，HAN Xiu－ting1，2，CHENG Yuan－fang1，XU Jin－chao1
（1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Department of Technical Development，PetroChina Daqing Oilfield Company Ltd.，Daqing163453，China）

A single crank positive torque flexible pumping unit was proposed，in order to solve the problems of conventional beam pumping units，such as load changes，reverse power generation，low system efficiency and so on.To increase upstroke and decrease down stroke interval，and keep unidirectional torque，load uniformity，and improve system efficiency.Work principle of the new unit was analyzed，and its motion and kinetic models were established.Theoretical analysis，laboratory and field tests showed that the new unit had compact structure，thus positive torque，good energy saving effect were achieved.

pumping unit；torque；energy saving

1001－3482（2012）08－0036－04

TE933.107

A

2012－02－12

中石油科技攻關項目（dq2007－eyk004）

李 娟（1979－），女，山東樂陵人，博士研究生，主要從事機械采油工藝及技術研究，E－mail：scigreat2020＠126.com。