段 麗，申杰斌

(1.永升建設(shè)集團(tuán)有限公司，新疆克拉瑪依 834000;2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川成都 610500)

0 引言

隨著油田進(jìn)入中后期開發(fā)，原油含水量逐年增加，為保持原油穩(wěn)定，需增加產(chǎn)液量。采用長(zhǎng)沖程、低沖次抽油，不僅有利于稠油的開發(fā)，而且可降低抽油過(guò)程中的沖程損失，提高抽油泵的充滿系數(shù)，因而可以達(dá)到增加產(chǎn)液量的目的。但是將在用的短沖程抽油機(jī)全部換新，會(huì)花費(fèi)大量的資金。通過(guò)可行性的結(jié)構(gòu)改造達(dá)到增程的效果，可最終改善抽油條件、增加產(chǎn)液量。目前提高沖程的方法有復(fù)合輪式、扇行驢頭式、行星輪式及雙擺增距式［1－4］等。但以上方法的弊端在于改造量大，不利于實(shí)施;有新增結(jié)構(gòu)的加入，僅是可以增加抽油機(jī)沖程，并沒有驗(yàn)證改造后的結(jié)構(gòu)對(duì)抽油機(jī)的速度、加速度、部件受力等整體性能上的影響，實(shí)用效果無(wú)法考證。筆者提出在原有異五型抽油機(jī)基礎(chǔ)上增加支架高度的方法來(lái)增加抽油機(jī)沖程，并通過(guò)數(shù)值分析軟件MATLAB分析改造前后抽油機(jī)整體性能的變化。

1 增程技術(shù)理論研究

采用增加支架高度的方法來(lái)增加抽油機(jī)的沖程，以異五型抽油機(jī)為例，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1、增加支架高度前后結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 抽油機(jī)增程前后各尺寸 /mm

由圖1可知，當(dāng)懸點(diǎn)處于下死點(diǎn)及上死點(diǎn)兩極限位置時(shí)，游梁后臂和基桿之間的最大夾角ψmax及最小夾角ψmin分別為:

那么可得懸點(diǎn)最大沖程長(zhǎng)度S為:

曲柄半徑R、游梁后壁長(zhǎng)度C、連桿長(zhǎng)度P和游梁前臂長(zhǎng)度A均為固定值，都與機(jī)架高度無(wú)關(guān)，但基桿長(zhǎng)度K與機(jī)架高度有關(guān):

式中:H為機(jī)架高度，m;G為曲柄軸中心離地面高度?？梢姏_程S與機(jī)架高度H呈一定的函數(shù)關(guān)系。代入表1中的數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件matlab的繪圖分析，如圖2所示。

圖1 異五型抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 沖程隨支架高度變化的變化圖

由圖2可見，在已知的尺寸下，在4 110～4 760 mm內(nèi)增加機(jī)架高度可達(dá)到增程目的。同時(shí)將增加高度后的結(jié)構(gòu)尺寸代入式(3)，有:

同理將改造前的數(shù)據(jù)代入式(3)計(jì)算出沖程S=2.5 m。可見通過(guò)增高支架可達(dá)到增加沖程的目的，沖程由原來(lái)的2.5 m增加到3 m。

2 改造前后的運(yùn)動(dòng)分析

(1)曲柄轉(zhuǎn)角θ從12點(diǎn)位置算起，并且沿順時(shí)針?lè)较驎r(shí)取為正值;抽油機(jī)位于下死點(diǎn)時(shí)，曲柄位置與12點(diǎn)位置的夾角，叫做上沖程的起始角θ0;

(2)各桿件的參考角 θ2、θ3、θ4等角度均從基桿OO1算起，并且沿逆時(shí)針?lè)较蛉檎担鄳?yīng)的ω、a為各桿件的角速度、加速度。

矢量有如下關(guān)系式［5］:

上述矢量方程用復(fù)變矢量可表示為:

將上式兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得:

令方程兩邊實(shí)部和虛部對(duì)應(yīng)相等，可得到如下方程:

將上述對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得連桿及游梁運(yùn)動(dòng)的角加速度a3、a4為:

3 改造前后效果驗(yàn)證

3.1 改造前后速度、加速度比較

當(dāng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則懸點(diǎn)速度v和加速度a可由下式計(jì)算:v=A·ω4;a=A·a4，設(shè)曲柄軸保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)ω1的情況下，通過(guò)數(shù)學(xué)軟件matlab，結(jié)合相應(yīng)結(jié)構(gòu)件質(zhì)心位置參數(shù)即可得懸點(diǎn)速度和加速度等曲線圖如圖4～6。

由圖可見:抽油機(jī)一個(gè)沖程中，懸點(diǎn)的速度和加速度不僅大小在變化，而且方向也在變化，上、下死點(diǎn)附近懸點(diǎn)加速度的值最大。從改造前后的抽油機(jī)懸點(diǎn)速度和加速度數(shù)據(jù)曲線來(lái)看，改造后的速度和加速度均小于改造前，同時(shí)由于加速度變小使得懸點(diǎn)載荷變小，因此在抽油機(jī)部件受力情況也要好于改造前。

圖3 改造前懸點(diǎn)速度隨曲柄轉(zhuǎn)角變化圖

圖4 支架增高500 mm懸點(diǎn)速度隨曲柄轉(zhuǎn)角變化圖

圖5 改造前懸點(diǎn)加速度隨曲柄轉(zhuǎn)變化角

圖6 支架增高500 mm懸點(diǎn)加速度隨曲柄轉(zhuǎn)角變化圖

3.2 改造前后抽油機(jī)扭矩及平衡情況的比較

抽油機(jī)工作時(shí)，由懸點(diǎn)載荷及平衡重在曲柄軸(減速箱輸出軸)上造成的扭矩與電動(dòng)機(jī)輸給曲柄的扭矩相平衡。因此，通過(guò)懸點(diǎn)載荷及平衡來(lái)計(jì)算曲柄軸扭矩，不僅可以檢查減速箱是否在超扭矩條件下工作，而且可以用來(lái)檢查和計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率及功率利用情況。采用凈扭矩［6］來(lái)反應(yīng)抽油機(jī)在工作過(guò)程中的平衡情況。

圖7 改造前各項(xiàng)扭矩隨曲柄轉(zhuǎn)角變化圖

圖8 支架增高500 mm后各項(xiàng)扭矩隨曲柄轉(zhuǎn)角變化圖

已知異五型抽油機(jī)減速器扭矩為18 kN·m，由圖7、8可見，改造前凈扭矩為－12～9 kN·m，而改造后凈扭矩為－18～15 kN·m。雖然改造后的凈扭矩波動(dòng)范圍有所增大，但從圖中可見整體的波動(dòng)都是一致的，且都在額定扭矩18 kN·m之下。可見抽油機(jī)改造前后的平衡均良好，在額定允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)提出的增加支架高度增程方案，可用于在抽油機(jī)的增長(zhǎng)改造，特點(diǎn)是能夠在保證抽油機(jī)性能下增加抽油機(jī)沖程，且改動(dòng)量相較于其它方案小，適用于各型游梁式抽油機(jī)的增程改造。

(2)增程改造后的抽油機(jī)，在懸點(diǎn)速度與懸點(diǎn)加速度上，較于改造之前小，因此在相同油井條件下，增程改造后的抽油機(jī)具有更好的動(dòng)力性能，可延長(zhǎng)抽油桿及抽油機(jī)部件的使用壽命。

［1］ 王春華，孫亞莉，鐘 力.游梁式抽油機(jī)的增程改造設(shè)計(jì)［J］.油田地面工程，1997(2):44－46+78.

［2］ 路 懿，許志強(qiáng).游梁式抽油機(jī)與輔助連桿綜合增程的方法［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1999(4):9－12.

［3］ 陳文華，連文志，王守民，張為鄂.常規(guī)游梁式抽油機(jī)的增程與節(jié)能改造研究［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2004(3):139－143.

［4］ 路 懿，許志強(qiáng).游梁與復(fù)合輪綜合增程式抽油機(jī)［J］.石油機(jī)械，1999(1):53－55+4.

［5］ 鄔亦烔，劉卓鈞，趙貴祥，等.抽油機(jī)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1994.

［6］ 鄔亦炯.游梁式抽油機(jī)曲柄軸扭矩計(jì)算公式剖析［J］.石油機(jī)械，1994(5):35－42+63.