周 勇,趙福生,孟令俊,祝玉松,程 成,劉志楊
(1.新疆油田公司 工程技術研究院,新疆 克拉瑪依834000;2.新疆油田公司質(zhì)量設備節(jié)能處,新疆 克拉瑪依834000;3.西南石油大學,成都610500)①
為了防止油氣從光桿處泄露,抽油機井口配有盤根盒,如圖1所示。作為傳輸動力的重要環(huán)節(jié),在長時間的生產(chǎn)和摩損過程中,密封處過松或過緊,將會造成原油的泄露或效率的降低。目前,沒有準確的效率能耗計算模型對盤根盒效率進行計算,通常是根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整填料密封的松緊程度。筆者對盤根盒的對中性、松緊度問題開展了試驗研究,得到盤根盒的效率模型。該模型可在實際生產(chǎn)中較為準確地控制盤根盒能耗[1-3]。
圖1 抽油機盤根盒結構示意
通過對盤根盒的結構與工作原理分析,得出影響盤根盒效率的主要因素有3項[4-5]:①盤根盒類型與規(guī)格、填充材料類型;②光桿與盤根盒對中性;③盤根盒填料壓實過程中的松緊度。其中,盤根盒對中性與松緊度對效率和密封效果的影響效果最為明顯。
抽油機工作時,由于光桿與盤根盒中填料有相對運動,產(chǎn)生摩擦,因此會產(chǎn)生功率損失。其摩擦力隨工作壓力、壓縮量、密封材質(zhì)、填料硬度、接觸面積等的增大而增大,隨運動速度、溫度等的提高而減少[6-8]。盤根盒的效率用式(1)進行計算。
不同盤根材料、不同盤根盒上緊轉(zhuǎn)矩、不同對中性都將影響工作壓力大小,可在密封處放置壓力應變片進行測量,也可通過理論計算獲得[9]。填料單元受力如圖2所示。
圖2 填料單元受力示意
填料腔中某點處的填料對抽油光桿產(chǎn)生的徑向壓力為:
式中:p r 為某點x 處填料產(chǎn)生的徑向壓力;x 為由填料頂端至單元體的距離;μc 為填料與外壁靜摩擦因數(shù)μst和填料與采油光桿之間的動摩擦因數(shù)μd 的算術平均值為 填 料 寬 度,bk=Rr,R 為盤根盒外 圓 半 徑,r 為 光 桿 半 徑;k 為 填 料 的側(cè)壓系數(shù)(k≤1),側(cè)壓系數(shù)受圈數(shù)、盤根盒壓蓋壓緊應力影響,壓緊應力越大,側(cè)壓系數(shù)越大,一般取單圈0.5~0.7,多圈0.2~0.6[10-11]。
對式(4)進行積分,獲得整個密封段的平均壓力為:
采用式(6)計算光桿速度。
式中:a為游梁前臂長;b為游梁后臂長;ω 為曲柄角速度;rc為曲柄回轉(zhuǎn)半徑;α為曲柄與連桿夾角;β為游梁后臂與連桿夾角。
上下行程中,每一組α、β 對應一個速度,用式(7)計算。
上、下行程的平均速度為:
游梁式抽油機結構參數(shù)如圖3所示。其參數(shù)計算如式(9)。
圖3 游梁式抽油機結構參數(shù)示意
式(3)適用于光桿摩擦力的理論計算,但在實際工況時,盤根盒并非理想狀態(tài),主要受對中性與松緊度的影響。
引入對中系數(shù)f1,松緊系數(shù)f 2 來量化兩者對摩擦力的影響,將式(3)修正為[12]:
在確定對中系數(shù)時,引入偏心距e、原始間隙e0、偏心間隙e1,如圖4所示。
圖4 對中性測量
測量偏心間隙e1的具體方法為:先在盤根盒內(nèi)做中心標記,然后再用卡尺測出偏心間隙e1,得到偏心距e=e1-e0。
在對中性良好的狀態(tài)下(無偏心距)獲得產(chǎn)液量Q 所消耗的功率P(或耗電量),以及在各種偏心距值下獲得產(chǎn)液量Q 所消耗的功率Pe(或耗電量),可得到對中系數(shù),并將此制成e-f1表。
正常工況下,松緊系數(shù)f 2 為1(原始點工況),將工作點調(diào)至微帶油時其值將小于1;調(diào)至稍緊點、緊固發(fā)熱點時將大于1。測試方法仍然使用功率法,首先測試正常工況下獲得產(chǎn)液量Q 所消耗的功率P(或耗電量),然后測得各工作點下獲得產(chǎn)液量所消耗的功率Psj(或耗電量),則可得松緊系數(shù)f2將其制成T-f2表(T 為每種工況下的盤根盒轉(zhuǎn)矩)[13-15]。
盤根盒效率計算模型為:
由式(11)可知,盤根盒效率的提升方式主要分為“換”和“調(diào)”兩類,“換”指的是更換盤根盒和盤根來提升效率;“調(diào)”指的是調(diào)整盤根盒對中性和松緊度。盤根盒和盤根的更換效果可計入對中性和松緊度的調(diào)整效果。目前盤根盒的效率為90%~95%。
對中系數(shù)f1在原始工況(即現(xiàn)場盤根盒未調(diào)整狀態(tài))下的值取為1。在更換對中盤根盒(非必需進行更換)以及按對中評判標準進行對中調(diào)整后,多次測量的f1獲得的值應該小于1。
松緊系數(shù)f2在對中系數(shù)f1調(diào)整好之后進行調(diào)整(可將普通盤根更換為石墨盤根),將現(xiàn)場未調(diào)整狀態(tài)定為原始點,并用力矩扳手測出此時的力矩大小,通過調(diào)整松緊度,依次獲得微帶油點、稍緊點(力矩大小在微帶油點上增加50~60 N·m)、緊固發(fā)熱點,同時測出對應的力矩大小。以前的研究表明,在微帶油點松緊度最好,測出此時的松緊系數(shù)f2。
功率損耗降低比Δf 為:
若能將f1、f2調(diào)整到0.9~1.0,則損耗功率可降低0~19%。
盤根盒效率提升百分比Δη為:
式中:ΔP′為改造后盤根盒的功率損失。
以CAJ10-3-37 HB 型抽油機為例,前臂長a=3.0 m,后臂長b=2.4 m,沖程=3 m,沖次取6 r/min,得到曲柄角速度ω=π/5 rad/s,曲柄回轉(zhuǎn)半徑rc=1.15 m。曲柄與連桿夾角α 為0°~180°,游梁后臂與連桿夾角β為57°~123°,如圖5所示。
圖5 夾角曲線
對中系數(shù)與松緊度系數(shù)取值如表1所示。利用單一變量法刻畫對中系數(shù)與松緊度系數(shù)對盤根盒效率的影響。
表1 對中系數(shù)與松緊度系數(shù)取值
對中系數(shù)最理想的值為1,非對中狀態(tài)下的值均大于1。松緊度系數(shù)小于1為轉(zhuǎn)矩松弛點,此處定義0.8為微漏油點(松緊度最理想狀態(tài)),定義1為測試時抽油機盤根盒松緊度原始狀態(tài);1.1為轉(zhuǎn)矩緊固點,松緊度大于原始狀態(tài)。
對中系數(shù)、松緊度系數(shù)與效率相對量的關系曲線如圖6~7所示。當松緊度系數(shù)不變時(此處取松緊度系數(shù)為0.8),隨對中系數(shù)的增大,盤根盒效率逐漸減??;當對中系數(shù)不變時(此處取對中系數(shù)為1),隨松緊度系數(shù)的增大,盤根盒效率逐漸減小。
圖6 對中系數(shù)與效率相對量關系曲線
圖7 松緊度系數(shù)與效率相對量關系曲線
選擇新疆油田某采油廠TDXX01稠油井,其盤根為皮帶盤根。試驗分3種情況,分別為盤根正常狀態(tài),盤根盒壓蓋扭緊90°狀態(tài),盤根盒壓蓋松90°狀態(tài)。每種狀態(tài)下測試有功功率3次,每次測試時間為5 min;盤根每改變一種狀態(tài),中間等待盤根恢復時間5 min后再進行測試,測試結果如表2。
由表2可知,盤根越緊有功功率越高,即能耗越高。盤根盒壓盤扭緊90°狀態(tài)與常規(guī)緊固狀態(tài)相比,有功功率增加0.14 k W,增幅7.03%,日耗電增加3.36 k W·h;盤根盒壓盤松90°狀態(tài)與常規(guī)緊固狀態(tài)相比,有功功率減少0.091 k W,日耗電減少2.18 k W·h。
表2 盤根松緊度能耗測試記錄
盤根盒在較松狀態(tài)下,減少了光桿的摩擦力,電機輸入功率明顯降低,進而減少了抽油井能耗。但是從現(xiàn)場觀察,盤根盒在較松狀態(tài)時,雖然沒有漏油,但是油光與正常緊固狀態(tài)下相比明顯增多,隨著盤根的磨損,增大了漏油風險,因此現(xiàn)場一般每天都要觀察盤根盒,如有松動及時扭緊,杜絕漏油風險。
1) 理論分析和試驗表明,盤根盒松緊度與對中性相比,對盤根盒效率的影響更大,因此要更加關注對盤根盒松緊度的調(diào)整。
2) 填料盒松緊度調(diào)整至合適程度,可使該井的盤根盒效率達到最佳。
3) 較低松緊度下應加強巡查,防止盤根盒出現(xiàn)漏油情況。