直游梁抽油機設計與應用

吳永正，李永新，孫奇，韓雪

（玉門油田公司，甘肅酒泉 735000）

0 引言

據文獻[1]，2014年全球在產油井數為985 881口。以上油井除了少部分為自噴井或螺桿泵外，90%以上使用抽油機、抽油桿、抽油泵等構成的有桿泵抽油系統采油，這些抽油機井中絕大部分為游梁式抽油機，抽油機消耗了油田開發25%以上的能耗[2]。而據中石油勘探開發研究院最新統計，2020年僅中國石油集團公司內，機采系統耗電量達到110 億kW·h，占油田生產總能耗的44%，主要是多數油田進入開發后期，原油含水量不斷攀升，在此情況下研究抽油機節能效果具有重要經濟意義。

游梁式抽油機的平衡方式主要有游梁平衡、曲柄平衡、復合平衡。目前，國內游梁平衡式抽油機多數采用彎游梁結構，也稱調徑變矩型抽油機或兩級平衡游梁抽油機。以上抽油機主要特點是：游梁后端（有的也稱平衡臂）與游梁前部呈一定夾角（游梁角），即游梁平衡重相對支架與橫梁軸承中心下偏一定角度。驢頭處于上死點時，游梁尾部平衡箱（平衡重）接近地面。典型的調徑變矩型抽油機如圖1所示。

圖1 調徑變矩型抽油機

文獻[3]～文獻[8]對調徑變矩型抽油機進行了研究，認為調徑變矩型抽油機游梁平衡重下偏后，改變了力臂和平衡力距，相對常規曲柄平衡抽油機具有節能效果，節能20%～30%，文獻[4]甚至認為調徑變矩抽油機相對普通抽油機節能約40%，但以上文獻均未給出游梁平衡重下偏角與節能效果的關系。

玉門油田機械廠近年來一直生產前置型調徑變矩抽油機。2019年，為玉門油田環慶分公司設計常規型柴油機驅動的抽油機時，因柴油機高度遠高于電動機，而設計了游梁平衡的直游梁抽油機，如圖2所示。直游梁抽油機的特征是游梁平衡重與驢頭、游梁支承中心、橫梁接近在一條水平線上。在使用電動機進行型式試驗時發現，調整平衡后，直游梁抽油機峰值電流始終小于調徑變矩型抽油機，同比日耗電量下降12%以上。

圖2 直游梁抽油機

1 游梁角變化對抽油機能耗研究

1.1 研究方法

假定油井井況和抽油機參數，利用文獻[9]的有關公式，分別設置游梁平衡重下偏角（游梁角τ）為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°，反復調整游梁平衡重，直到減速器平衡率大于99%，考慮到減速器轉矩為負值時，不消耗電能，僅研究其變化對減速器正轉矩均方根值的影響[10]。

1.2 假定油井井況

下泵工藝參數：下泵深度為1800 m，動液面深度為1600 m，柱塞直徑為32 mm，桿柱組合φ22×720+φ19×810+φ22×270，液體密度為0.90 t/m3，油管不鉚定[11]。

1.3 抽油機參數

游梁前臂長度A=3000 mm，游梁后臂長度C=1510 mm，連桿長度P=3610 mm，R=720 mm，游梁支承中心至減速器輸出軸垂直距離H-G=3600 mm，游梁支承中心至減速器輸出軸水平距離I=1600 mm，結構不平衡重B=5 kN，曲柄重力為3 kN，曲柄、游梁平衡半徑Kc=5500 mm，沖次4 沖/min。抽油機機構模型如圖3所示。

圖3 抽油機機構模型示意圖

1.4 主要計算公式[9]

2 主要計算結果及原因分析

鑒于手工計算工作量巨大，使用有桿泵抽油機系統設計計算軟件進行模擬計算，有桿泵抽油系統抽油機參數輸入界面如圖4所示。

圖4 抽油機參數輸入界面

2.1 主要計算結果

抽油機設計軟件模擬計算結果如圖5所示。

圖5 抽油機設計軟件模擬計算結果

通過軟件模擬計算認為，游梁角小于10°時，減速器峰值轉矩和電動機平均功率變化不明顯；游梁角超過10°后減速器峰值轉矩和電動機平均功率迅速上升。不同游梁角對減速器峰值轉矩和電動機平均功率如表2所示。

表2 不同游梁角對峰值轉矩和平均功率的影響

2.2 原因分析

多數游梁式抽油機均為對稱循環抽油機，即游梁上下擺角相同，即使存在擺角差，一般也不超過5°。

抽油機實時光桿功率為光桿載荷與光桿速度的乘積，目前國內多數抽油機屬于中、低沖次，一般沖次低于8沖/min，因此其整個運行過程中因懸點加速度引起的懸點載荷變化不大，但懸點速度從0變到最大再到0，游梁處于水平位置附近時，光桿獲得最大速度，因此游梁處于水平位置附近時，需要最大功率，直游梁抽油機此時力臂最長，能夠提供最大的平衡功率，即電動機需要輸出的功率相對較小。

此外，一般游梁機游梁上、下擺角在30°左右，游梁平衡重提供的平衡力距始終在86.6%～100%之間變化。在鋼制抽油桿組成的有桿泵抽油系統中，油井最小載荷一般為最大載荷的50%左右。而調徑變矩型或彎游梁，平衡重下偏角約20°，平衡重提供的平衡功率在64%～100%之間變化，故非常容易出現負轉矩。不同游梁角時曲柄凈轉矩曲線圖如圖6所示。

圖6 不同游梁角時曲柄凈轉矩曲線圖

3 結語

本抽油機在玉門油田環慶區塊已應用近百臺，在井場對直游梁抽油機峰值電流和24 h耗電量進行檢測證實，直游梁抽油機相對調徑變矩型抽油機更加節能，同比日均耗電量下降12%以上。

經過理論分析以及軟件模擬可知：直游梁抽油機整個運行過程中，力臂變化較小，更接近于雙驢頭抽油機。調徑變矩型抽油機整體重心較低，同等工況和材料規格下，穩定性較好，但調徑變矩型抽油機運行過程中游梁配重塊提供的平衡轉矩變化較大，運行過程中非常容易出現負轉矩，耗電量也隨著平衡重下偏角的增大而明顯增大，從節能角度考慮游梁角不宜超過15°。