影響游梁式抽油機負載率的關鍵因素關聯性分析

馮子明，丁煥煥，高啟明，余曉宇

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院 ，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田化工有限公司安裝公司，黑龍江大慶 163453)

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影響游梁式抽油機負載率的關鍵因素關聯性分析

馮子明1，丁煥煥1，高啟明1，余曉宇2

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院 ，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田化工有限公司安裝公司，黑龍江大慶 163453)

摘要：游梁式抽油機的選型要求載荷利用率和扭矩利用率要高，以保證地面傳動部件高效運行。但影響負載利用率的因素較多，影響程度也不同。以10型常規機為研究目標，利用抽油機運行理論分析了沖程、沖次、沉沒度、泵徑和泵掛等關鍵因素對負載利用率的影響。結果表明這些關鍵因素，特別是沖程對減速箱扭矩的影響要遠遠大于對懸點載荷的影響。

關鍵詞：載荷利用率；扭矩利用率；抽油機；關聯性

由于游梁式抽油機具有結構簡單、皮實耐用及維修方便等優點，一直占據機械采油設備的主導地位，約占機采井總數的75%。據統計截止2014年底，國內有近16萬口油井采用有桿抽油，游梁抽油機所占比例約為80%，是油田最主要的機采設備，機采井消耗的電能約占總電能消耗的33.38%。按照《游梁式抽油機選型作法(SY/T5905 -2003)》要求, 可將油井開采末期抽油機懸點最大載荷視同為抽油機的最大允許載荷, 即油井開采末期的抽油機載荷利用率為100 %。電機額定功率一般是根據抽油機的最大負荷設計的，文獻[1]認為合理的電機額定功率與光桿平均功率之間關系為電機功率為2.8-5.0倍的光桿功率。經研究文獻[2]發現對于低滲透油田，初期抽油機的裝機載荷利用率上限選為90%為最佳，經過兩年的應用驗證，此原則基本可以滿足油井惡劣工況的需求。樊文剛[3]通過抽油機降機型試驗研究，對載荷利用率低的油井進行改造，達到了節能降耗的目的。文獻[4]針對抽油機變速運行效果進行了評價，發現變速運行確實可以降低電機裝機功率、減速箱扭矩和懸點載荷，但是平衡調整不好反而引起超扭矩現象。

油田抽油機的超扭矩現象并沒有杜絕，說明抽油機選型設計的一般原則并不總是可靠，而且目前也沒有文獻資料對抽油機載荷利用率和扭矩利用率的關聯性進行研究。因此以CYJ10-3-37HB型常規游梁抽油機為具體的研究對象，綜合研究沖程、沖次、沉沒度、泵徑和泵掛等關鍵因素對載荷利用率和扭矩利用率的影響規律，以及載荷利用率和扭矩利用率之間的關聯性，經過理論分析后發現各影響因素對扭矩峰值的影響要遠遠大于對懸點載荷峰值的影響。本文對常規機負載利用率關聯特性的研究結果為油田抽油機的選型優化和高效安全運行提供了必要的理論指導和實踐依據。

1負載利用率基本概念

載荷利用率和扭矩利用率是關聯性非常大的兩個變量，也是判定抽油機井地面設備傳遞效率情況的主要參考變量。減速箱扭矩對載荷的變化非常敏感，但是影響載荷的變量較多，挑選出主要的影響變量，并分析對兩者的影響規律，有助于我們提出合理的整改措施，使得抽油機能夠在高效，安全(不過載)的工況下運行。考慮到載荷利用率和扭矩利用率的關聯性較高，把二者放到一起討論，其定義如下；

(1)

(2)

石油天然氣行業標準《SY/T 5873-2005有桿泵抽油系統設計、施工推薦做法》中對抽油機選型的規定如下；在一定參數配合和需要的泵掛深度下，抽油機的選擇主要由懸點載荷和曲柄扭矩兩項指標來確定，即懸點最大載荷及減速器輸出扭矩不超過載荷最大允許值和扭矩最大許用值。所選擇的游梁式抽油機，應在使用期的大部分時間內具有較髙的載荷利用率、扭矩利用率。

2抽油機基本結構和生產參數

用于負載利用率計算的常規機基本結構參數和抽汲參數如上表1所示，通過改變泵深、沖程、沖次、動液面和平衡度來分析其對載荷利用率和扭矩利用率的敏感性分析，從而分析出影響因素的關聯性，為抽油機優化選型設計提供理論依據。

表1　常規機基本參數及抽汲參數范圍

3載荷利用率和扭矩利用率關聯性分析

圖1　沖程對載荷利用率和扭矩利用率的影響

由圖1可知；沖程分別為2.1米、2.5米、3米時，載荷利用率分別為63.12%、66.93%、71.33%，扭矩利率分別為69.43%、95.11%、129.53%。當沖程為3米時，減速箱出現超扭矩現象，表明此時抽油機處于不安全運行狀態。從增長率上看，扭矩利用率是載荷利用率的7.32倍，說明沖程對扭矩的影響要遠遠大于對載荷的影響，沖程是超扭矩現象的重要影響因素。隨著曲柄長度的增加，沖程增加，因為此時四連桿的扭矩因數增大，也引起懸點速度和懸點加速度增加，所以沖程會間接影響懸點峰值載荷。從懸點載荷乘以四連桿的扭矩因素可以反演減速箱扭矩值，相當于扭矩因素再次對扭矩值產生影響，因此沖程對扭矩的影響遠遠大于對懸點載荷的影響。

圖2　沖次對載荷利用率和扭矩利用率的影響

由圖2可知，沖次分別為6 min-1、9 min-1、12min-1時，載荷利用率分別為55.86%、63.31%、71.33%，同時扭矩利用率分別為79.89%、101.73%、129.53%。當沖次大于9 min-1時，減速箱出現超扭矩現象，表明此時抽油機處于不安全運行狀態。從增長率上看，扭矩利用率是載荷利用率的3.21倍，說明沖次對扭矩的影響要大于對載荷的影響，高沖次也是超扭矩現象的影響因素之一。沖次可以代表電機的旋轉速度，隨著沖次的增加，懸點的速度和加速度都會增加，則會分別增加懸點載荷中的振動載荷和慣性載荷，最后體現在減速箱輸出扭矩的增加。

圖3　泵徑對載荷利用率和扭矩利用率的影響

由圖3可知，泵徑分別為38mm、44mm、57mm、77mm時，載荷利用率分別為45.98%、48.62%、55.86%、64.76%，同時扭矩利率分別為54.35%、59.68%、79.89%、106.02%。當泵徑70mm時，減速箱出現超扭矩現象，表明此時抽油機處于不安全運行狀態。從增長率上看，扭矩利用率是載荷利用率的2.76倍，說明泵徑對扭矩的影響要大于對載荷的影響，大泵徑也是超扭矩現象的影響因素之一。泵徑增加意味著液柱載荷的增加，同時由泵筒與柱塞間摩擦力經驗公式可知，泵半干摩擦力與泵徑成正比，即懸點載荷是隨著泵徑的增加而增加，進而影響減速箱的輸出扭矩。

圖4　泵掛對載荷利用率和扭矩利用率的影響

由圖4可知，泵掛分別為800m、1000m、1200m、1400m時，載荷利用率分別為47.76%、55.86%、63.52%、70.87%，同時扭矩利率分別為69.19%、79.89%、92.27%、103.54%。當泵掛1400m時，減速箱出現超扭矩現象，表明此時抽油機處于不安全運行狀態。從增長率上看，扭矩利用率是載荷利用率的1.5倍，說明泵掛對扭矩的影響要大于對載荷的影響，長泵掛也是超扭矩現象的影響因素之一。泵掛是指抽油桿的長度，隨著抽油桿的加長，桿柱的靜載荷、液柱的靜載荷都增加，同時桿柱與液柱的彈性變形量增大，都會影響懸點載荷的大小，進而影響減速箱扭矩的值。

圖5　動液面對載荷利用率和扭矩利用率的影響

由圖5可知，動液面分別為500m、700m、1200m、900m時，載荷利用率分別為53.21%、58.4%、63.59%，同時扭矩利率分別為71.68%、86.86%、103.35%。當動液面900m時，減速箱出現超扭矩現象，表明此時抽油機處于不安全運行狀態。從增長率上看，扭矩利用率是載荷利用率的3.05倍，說明動液面對扭矩的影響要大于對載荷的影響，低動液面也是超扭矩現象的影響因素之一。較低的動液面表明液柱載荷大，過低的動液面也可能帶來減速箱的超扭矩問題。

圖6　常規機平衡度變化對載荷利用率和扭矩利用率的影響

由圖6可知，平衡度在0.45～1.71范圍內時，載荷利用率沒有變化一直為55.86%，隨著平衡度的增加，扭矩利率由超扭矩108.56%降低到79.89%，然后又增加到110.3%的超扭矩狀態，表現為兩側高中間低的凹形，說明平衡度有個最佳值，在最佳平衡狀態，能使減速箱獲得較低的輸出扭矩，對抽油機的平穩運行和高效運行都有幫助。也說明平衡度對扭矩的影響也非常明顯，過平衡和欠平衡都是超扭矩現象的影響因素之一。

圖 7　載荷利用率和扭矩利用率的關聯性

由圖7可以明顯看出沖程對扭矩影響力要遠遠大于對載荷影響力，其次是沖次、動液面、泵徑及泵掛。因此，當抽油機出現超扭矩的不安全運行工況時，首先應該考慮調整沖程和沖次。

4結語

以常規機為研究對象，通過理論分析載荷利用率和扭矩利用率與一些關鍵因素的關聯性，得出以下結論：

1) 隨著沖程、沖次、動液面、泵徑和泵掛的增加，抽油機載荷利用率和減速箱扭矩利用率都成正比例線性增加，影響權重大小依次按沖程、沖次、動液面、泵徑和泵掛排列；

2) 在不考慮電動機轉差率的情況下，平衡度對懸點載荷沒有影響，對減速箱扭矩有很大影響，平衡度在1的附近時，扭矩值較小；

3) 各項影響因素對載荷利用率和扭矩利用率影響的程度并不相同，對減速箱輸出扭矩的影響程度要遠遠大于對懸點載荷的影響。

[參考文獻]

[1] 董世民,崔振華,朱君,張文生. 游梁抽油機電機額定功率合理選擇的研究[J]. 石油礦場機械,1993(6):18-20.

[2] 劉麗華. 低滲透油田抽油機的選型原則[J]. 油氣田地面工程,2009(12)38-39.

[3] 樊文鋼. 大慶薩北油田抽油機降機型試驗[J]. 油氣田地面工程,2011(11):33-34.

[4] 馮子明,李琦,丁煥煥,高啟明. 游梁式抽油機變速運行節能效果評價[J]. 石油鉆采工藝,2015(3):66-70.

[責任編輯：崔海瑛]

作者簡介：馮子明(1973-)，男，山東冠縣人，副教授，博士，從事機械采油技能技術和流體機械數值仿真技術研究。

基金項目：東北石油大學培育基金項目(XN2014104)。

中圖分類號：TE933.107

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0063(2016)03-0057-04

收稿日期：2015-12-14

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.03.015