陳鴻（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

隨著老油田油井的注水開發(fā)，油田已開始進(jìn)入高含水開發(fā)后期。油井產(chǎn)能不斷增加，在用游梁式抽油機(jī)逐漸暴露出運行過程中載荷波動大、能耗高問題。一些常規(guī)游梁式抽油機(jī)受機(jī)型限制，由于擺角小、游梁結(jié)構(gòu)限制，整機(jī)體積龐大、重量大，由于機(jī)型偏小，尤其是受沖程限制，一定程度上不能滿足高含水開發(fā)產(chǎn)能形勢下對長沖程、低沖次生產(chǎn)的需要[1-2]。為此，將在用常規(guī)游梁式抽油機(jī)改造為具有長沖程特點的節(jié)能抽油機(jī)，有利于實現(xiàn)新的油田發(fā)展形勢下節(jié)能降耗的需要。

1 增程節(jié)能改造設(shè)計

對于游梁式抽油機(jī)的增程方式主要有改變游梁前臂和后臂長度的比例值增大沖程，增大驢頭的擺動角度增大沖程，以及增長游梁、增加杠桿，利用杠桿運動增大沖程等多種方法[3]。上述增程途徑改造較為復(fù)雜，前期投入成本高，適應(yīng)性評價周期長，改造后需配套完善環(huán)節(jié)多，經(jīng)過對抽油機(jī)結(jié)構(gòu)、動力性能、節(jié)能效果方面進(jìn)行多方面分析和對比，提出了采用偏輪式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對常規(guī)抽油機(jī)的增程和節(jié)能改造。

偏輪機(jī)構(gòu)改造方式與常規(guī)抽油機(jī)具有相似的運動特性和動力特性，通過偏輪機(jī)構(gòu)，在支架和偏輪間增加連桿設(shè)計，使偏輪隨游梁擺動形成旋轉(zhuǎn)動作，從而達(dá)到增程效果[4]，同時由于六連桿設(shè)計改善了整機(jī)受力狀況，減速器輸出扭矩變平緩[5]。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

改造時，為保證常規(guī)抽油機(jī)節(jié)能改造的綜合經(jīng)濟(jì)效益，不改變原抽油機(jī)，以確保原機(jī)型整體結(jié)構(gòu)不變，改造費用適當(dāng)。

該改造技術(shù)是將常規(guī)機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)變?yōu)榱B桿機(jī)構(gòu)，即曲柄、連桿、偏輪、支重桿、游梁和固定桿。其原理與偏輪式節(jié)能抽油機(jī)相似，即雙偏輪在支重桿的控制下，相對繞尾軸擺動，增大了游梁的擺角和擺角變化率，改變了懸點運動規(guī)律，從而改變了整機(jī)性能。

具體改造方法是在原抽油機(jī)游梁后端加裝偏輪，對應(yīng)在游梁和原支架之間加裝中心支架。其次在偏輪與中心支架間增加偏輪支重桿。為保證改造后實現(xiàn)長沖程，在原抽油機(jī)驢頭的基礎(chǔ)上加長驢頭圓弧面長度。相應(yīng)地調(diào)整增加連桿長度[6]。抽油機(jī)增程改造主要部件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 抽油機(jī)增程改造主要部件結(jié)構(gòu)圖

1.2 改造后主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

依據(jù)改造原則，游梁前臂、后臂、支架高度以及曲柄長度及偏置角均保持不變[7]。改造時主要需確定最大沖程、支重桿長度以及連桿長度等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2.1 沖程的確定

按照游梁式抽油機(jī)的游梁擺角計算公式：

式中：δ為游梁擺角，°；S為沖程，m；A為游梁前臂長，m。

改造前δ為57.3°，改造后由于沖程增大，根據(jù)偏輪機(jī)的運動特性可知，游梁擺角增大。偏輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計時的游梁擺角約束為：70°＜δ＜85°，在前臂長度保持不變的情況下，按照公式（1），取最大擺角85°，則可計算改造后抽油機(jī)最大沖程可由3 m增大到4.2 m[8]。

1.2.2 支重桿長度的確定

當(dāng)抽油機(jī)的游梁前后臂的長度一定時，支重桿的長度可按約束條件確定，即支重桿長度要小于后臂長度。通過數(shù)值模擬優(yōu)化可得，10型抽油機(jī)的支重桿長度為2.365 m。

1.2.3 連桿長度

在保證最大沖程長度為4.2 m 約束條件情況下，可確定10型抽油機(jī)機(jī)的連桿長度為3.957 m。

2 改造后運動及動力性能分析

2.1 運動性能分析

應(yīng)用常規(guī)機(jī)和改造后機(jī)型相關(guān)數(shù)據(jù)計算對比，可以得到抽油機(jī)改造前后的運動變化情況。改造后抽油機(jī)運動特征表現(xiàn)為慢提快放[9]。改造后，經(jīng)計算最大速度為0.933 m/s，與常規(guī)機(jī)0.92 m/s 基本持平，最大加速度為0.878 m/s，比常規(guī)機(jī)快0.003 m/s，保證了運行穩(wěn)定性，曲柄旋轉(zhuǎn)角度則為15o，低于常規(guī)機(jī)的345°。

2.2 動力性能分析

對改造機(jī)型進(jìn)行動力分析計算可得，曲柄均方根扭矩為19 902 N·m，周期載荷系數(shù)為1.411。改造后的上沖程最大扭矩因數(shù)在曲柄轉(zhuǎn)角90°位置處，與曲柄平衡重所產(chǎn)生的最大扭矩點重合；下沖程最小扭矩因數(shù)在曲柄轉(zhuǎn)角255°位置處，與曲柄平衡重所產(chǎn)生的最小扭矩點相臨，使得上下沖程凈扭矩波動均比較平緩，從而可以獲得較好的動力性能。通過該種改造方式，不需要帶有偏置角的曲柄也具有較好的平衡效果，減小了改造的工作量[10]。

2.3 性能測試試驗

為確保改造安全性和效果，開展不同運轉(zhuǎn)工況下的性能試驗：

1）檢驗改造后在允許使用范圍內(nèi)的強(qiáng)度、剛度、振動情況、整機(jī)噪音和穩(wěn)定性等。包括在抽油機(jī)最高沖次和光桿最大沖程條件下，在懸繩器處施加為額定懸點載荷所允許或為額定扭矩所允許（取二者中的較低值）的最大載荷；以及在抽油機(jī)最高沖次和懸繩器施加額定懸點載荷的條件下，使曲柄半徑對應(yīng)于為減速器額定扭矩所能允許的盡可能大的光桿沖程。

2）試驗考核抽油機(jī)各部件抵抗過載的能力，以保證抽油機(jī)在遇到突然過載時有較高的可靠性。即在最高沖次以及懸繩器處施加超過額定懸點載荷250 N 的載荷條件下，使曲柄半徑對應(yīng)于超過減速器額定扭矩值25%所允許的光桿沖程。

試驗結(jié)果表明，改造后啟動性能可靠，平衡合理，運轉(zhuǎn)噪聲低，振動小，整機(jī)結(jié)構(gòu)合理，主要技術(shù)性能參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

通過對常規(guī)抽油機(jī)機(jī)型進(jìn)行增程節(jié)能改造，獲得了很好的節(jié)能效果，以及增產(chǎn)效益。現(xiàn)場試驗3口井，其中百米噸液耗電降低0.3 kWh，有功節(jié)電率達(dá)到35.0%，系統(tǒng)效率提高10.7個百分點，平均單井日節(jié)電28.1 kWh，年節(jié)電10 108 kWh，節(jié)約電費6 439 元；同時由于改造后最大沖程增加了13.5%，最大發(fā)揮了油藏潛能，提高了油井泵效和產(chǎn)量，改造后平均單井產(chǎn)量增加10 t/d。按含水96%計算，改造后年增油432 t，年創(chuàng)效益116.6 萬元，抽油機(jī)增程改造前后效果對比見表1。

表1 抽油機(jī)增程改造前后效果對比

4 結(jié)論認(rèn)識

1）通過長沖程改造，降低沖次，降低裝機(jī)功率，在相同工況下，具有較好的節(jié)能效果，有功功率節(jié)電率達(dá)到35%，平均單井日節(jié)電28.1 kWh，年節(jié)電10 108 kWh，節(jié)約電費6 439元。

2）增程改造能夠通過增加40%的最大沖程來增加油井沖程參數(shù)的選擇，從而最大發(fā)揮油井產(chǎn)能，滿足高含水開發(fā)期間高產(chǎn)液油井的需求。改造后平均單井產(chǎn)量提高22.2%，改造后年增油432 t。

3）試驗表明，采用六連桿進(jìn)行節(jié)能增程改造能夠?qū)崿F(xiàn)油田對現(xiàn)役常規(guī)機(jī)長沖程、低沖次的要求，同時改善管、桿、泵的工作狀況，還能一定程度上提高閑置抽油機(jī)資產(chǎn)再利用率，實現(xiàn)油田固定設(shè)備資產(chǎn)的保值增值，從而全面提高高含水油田后期開發(fā)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。