抽油機盤根耗能規律及調盤根優化研究

呂秋蕓

中國石油大慶油田有限責任公司第五采油廠 （黑龍江 大慶 163513）

到目前為止，某油田抽油機井達5 500口，年耗電超過3.0×108kW·h。通過優化抽汲參數、調整抽油機平衡和應用節能設備等技術措施實現節能，見到了一定效果。近幾年，新增能耗點大幅增多，耗電上升快速，而節能挖潛技術實施空間持續縮小，這給機采井節能工作帶來很大壓力[1-3]。因此，需要從細節著手，對能耗點實施精細管理，以期獲得更好的節電效果。 目前抽油機井井口采用盤根盒密封，盤根盒采用盤根填充壓緊，保證光桿上下沖程的密封。盤根太松則容易漏油；太緊，抽油機能耗升高[4-5]。在保證盤根不漏油的情況下，降低盤根與光桿間配合松緊程度，可實現一定節能效果。

由取得的數據可知，隨盤根上緊，單井瞬時耗電量增大，終端點與始端點瞬時有功功率相比上升了20%。盤根上緊后，能耗上升較顯著。

圖1 轉矩扳手現場安裝圖

1 最佳盤根松緊度試驗

1.1 盤根上緊試驗

試驗中采用轉矩扳手對盤根上緊，扳手自帶刻度盤指示上緊度，扳手型狀如圖1。首先逆時針轉動扳手，放松盤根盒，直至盤根盒上部漏失，記錄此時扳手讀數為40 N·m左右；然后，順時針旋轉扳手上緊盤根盒，每旋轉1/4圈，記錄一次扭矩值，緊至扳手讀數200 N·m為止（此時，由于盤根與光桿配合很緊，導致光桿上下行阻力增大、發熱明顯并伴有“滋滋”響聲，不宜繼續上調）。以扭矩為橫坐標，以有功功率為縱坐標繪制曲線，如圖2。

圖2 盤根上緊過程中功率變化圖

1.2 盤根自然松弛規律

選擇3口高沖次（n=8次/min）抽油機井開展實驗。首先，使用轉矩扳手，將盤根扭矩上緊至200 Nm，試驗第1～2 d加密監測數據。之后3～10 d每天錄取一次扭矩值。措施后，3口試驗井的扭矩及有功功率均隨時間延長而降低，呈現相似的變化趨勢，下面以A井為例（錄取所得數據見表1），分析規律。

表1 盤根盒扭矩-功率隨時間變化表

由表1繪制時間-功率變化圖，如圖3所示。

圖3 時間與功率變化分區圖

由圖3，根據有功功率隨時間變化，將整個區間劃分為速降區、緩降區和平穩區。其中速降區位于0～48 h內，該區域內功率隨時間降速很快，但其值仍較高；緩降區位于45～144 h內，功率降低幅度變緩，但仍處于較高水平；144 h后功率曲線進入平穩區，功率變化趨于平緩，耗電量達到最低。

1.3 盤根上緊周期制定

高沖次（n=8次/min）時，在平穩區可以獲得最低的有功功率，且整個平穩區持續時間較長（4 d）。盤根消耗主要受盤根和光桿間摩擦次數影響，每分鐘摩擦次數越多，盤根消耗越大，越容易變松。因此，低沖次井盤根變松時間要長于高沖次井，也就是說，當抽油機沖次n＜8次/min時，盤根扭矩降至40 N·m所需時間必大于4 d。因此，4 d可作為抽油機沖次n≤8次/min時，現場操作人員對盤根維護周期。通過查詢表1，平穩區對應的盤根扭矩值為50.5～40 N·m。因此，將抽油機盤根額定上緊扭矩確定為50 N·m，調整周期定為4 d。

2 調盤根配套技術——定扭矩盤根盒

一般情況下，現場工人可使用移動式扭矩扳手調盤根。調盤根時，將扭矩扳手端部插頭與盤根扳桿上的固定六角頭配合，順時針轉動扳手即可上緊盤根。

該方法雖然技術上可行，但在管理過程中，發現雖然配備了扭矩扳手，并要求工人現場按照50 N·m扭矩上緊盤根，但部分工人為了減輕每4 d就要調一次盤根的工作量，仍將盤根緊至150 N·m以上，這樣直至下次盤根流油（40 N·m左右），可間隔9 d再實施盤根調緊工作。這種問題直接造成了定扭矩調盤根無法有效實施，無法實現預期的節能效果。

基于以上問題，設計了一種定扭矩盤根盒，這種盤根盒可實現在扭矩達到50 N·m以后，工人無法繼續上緊盤根，避免了以上問題的發生。

抽油機井定扭矩值盤根盒在原有盤根盒基礎上進行了改進，在盤根壓帽處增加了棘輪棘爪式定扭矩機構，保留了原有盤根盒密封蓋、扳桿、大壓帽、偏心球頭和彈簧等組成部分（圖4）。該設計可通過旋緊和旋松調節螺母起到預設壓緊和放松彈簧的目的，以此改變棘輪棘爪定扭矩范圍，目前預設3個松緊檔位，分別為 50 N·m、60 N·m 和 70 N·m。

實際中，在完成加盤根并對盤根壓帽旋緊時，通過扳桿、棘輪棘爪式定扭矩機構帶動盤根壓帽一起向下旋轉上扣，隨扳桿順時針旋轉上扣，內部壓帽逐漸壓緊盤根，扳桿和定扭矩機構處的扭矩達到預設值（50 N·m）時，棘輪向外推動棘爪并壓縮彈簧，棘輪和棘爪間失去傳動作用，造成棘爪沿棘輪圓周方向空轉，繼續旋轉扳桿，盤根也不再繼續上緊，達到定扭矩的目的。

目前應用定扭矩盤根盒135口井，年內累計節電 9.72×104kW·h，電費按 0.637 1元/kW·h計算，年節省費用6.19萬元。定扭矩盤根盒是在原來盤根盒的設計基礎上改造而成，改造費用為155元/個，135口井總投資為2.09萬元。年內投資回收比為1:2.96，投資回收期約為123 d。

圖4 定扭矩盤根盒結構圖

3 結論

1）抽油機井隨盤根上緊，能耗升高。在保證盤根不漏油的情況下，為實現節能效果，可適當降低上緊扭矩。

2）盤根扭矩調至最緊后，隨盤根與光桿間配合變松，有功功率也隨之變化，先后經歷速降區、緩降區和平穩區；其中平穩區可以獲得最低的有功功率，持續大概4 d，對于沖次n≤8次/min抽油機井，盤根額定上緊扭矩可定為50 N·m。

3）抽油機井定扭矩盤根盒的應用方便了現場操作和對工人按規定調盤根的管理，較好地控制了抽油機井盤根這一節點的能耗，實現了節電。