劉永平，伍 龍，魏永峭，董長斌

蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050

引言

現(xiàn)有石油開采大多為高黏度稠油井、深油井，保證高效率的石油開采難度越來越大[1]。近年來，常規(guī)游梁式抽油機的沖程及自身的結(jié)構(gòu)特性已無法滿足現(xiàn)階段油田開采需要，長沖程滾筒式抽油機的應(yīng)用有效地彌補了上述不足[2-5]。為了最大化提高抽油機抽油效率和節(jié)約能耗，有必要對新型滾筒式抽油機的動態(tài)模擬加載特性進(jìn)行研究，以此來降低新型抽油機的現(xiàn)場試驗成本，驗證抽油機關(guān)鍵系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步優(yōu)化抽油機的各個零部件，為抽油機的穩(wěn)定運行和后期投入使用提供理論依據(jù)。

抽油機的模擬加載系統(tǒng)是集機電一體化技術(shù)、系統(tǒng)動力學(xué)、多系統(tǒng)控制理論和計算機控制技術(shù)相結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)。國內(nèi)外關(guān)于抽油機模擬加載方案已有多篇文獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述[6-13]，但大多都是對模擬加載方案的設(shè)計和理論分析，進(jìn)一步對模擬加載方案在整個抽油機系統(tǒng)中實際的性能測試研究較少。近年來主要采用“標(biāo)準(zhǔn)井”測試方法來實現(xiàn)抽油機不同負(fù)載工況的模擬測試，但也存在眾多不足和難點[14]。

本文就一種新型滾筒式抽油機進(jìn)行模擬加載試驗[15]，該抽油機采用伺服電機驅(qū)動，行程開關(guān)控制沖程，非圓齒輪行星輪系換向機構(gòu)[16-17]，滾筒帶動鋼絲繩驅(qū)動光桿以及配重箱平衡，可實現(xiàn)沖程、沖次的無級調(diào)節(jié)。其中，抽油機塔架、滾筒以及平衡配重箱組成模擬加載裝置。該模擬加載試驗是在理想化有桿泵采油的條件下進(jìn)行，實際上為粗抽油桿，不計算桿管的彈性變形，抽油桿受力后沒有彈性伸長和縮短。抽油上沖程時由電機提供動力帶動抽油桿抽油，在抽油下沖程時主要由抽油桿的平衡配重平衡負(fù)載，而上、下沖程中負(fù)載不平衡就容易使得系統(tǒng)的加載平衡穩(wěn)定性降低，抽油機的運動規(guī)律表現(xiàn)為光滑性差、載荷沖擊嚴(yán)重，導(dǎo)致電機壽命短，減速換向機構(gòu)承受扭矩變化大，甚至?xí)霈F(xiàn)較大的負(fù)扭矩以及抽油噪音大等問題，因此，通過試驗獲得抽油機的最佳匹配平衡配重和沖次尤為關(guān)鍵。

平衡系統(tǒng)是衡量抽油機優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一，由中國石油頒布的《游梁式抽油機平衡及操作規(guī)范》已作為調(diào)整平衡標(biāo)準(zhǔn)所使用[18]，針對滾筒式抽油機平衡判斷以功率法、電流法為主，本文提出了基于泵示功圖理論評價滾筒式抽油機設(shè)備加載動平衡和其他性能狀況好壞的方法，通過模擬加載試驗驗證了其準(zhǔn)確性，同時該方法也可用于指導(dǎo)其他立式抽油機模擬加載的平衡調(diào)整。

1 滾筒式抽油機基本原理

新型滾筒式抽油機是由電機通過皮帶傳動將扭矩傳輸?shù)椒菆A齒輪行星減速換向裝置上，減速換向裝置的輸出軸通過鏈傳動將扭矩傳輸?shù)綕L筒，最后通過滾筒上纏繞的鋼絲繩與模擬加載裝置連接完成抽油桿上、下沖程的運動。滾筒式抽油機模擬試驗設(shè)備平臺如圖1 所示。

圖1 新型滾筒式抽油機試驗設(shè)備Fig.1 The test equipment of new drum pumping unit

1.1 模擬加載裝置的組成及原理

新型滾筒式抽油機模擬加載裝置主要包括3 個部分。

（1）電機控制系統(tǒng)：采用PLC 控制系統(tǒng)調(diào)控電動機變頻器改變電動機的輸出轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制滾筒的輸出轉(zhuǎn)矩，滾筒通過鋼絲繩不斷改變上下行程的運行速度，實現(xiàn)對抽油機沖次的無級變速。

（2）模擬加載系統(tǒng)：主要由電機和模擬加載裝置組成。抽油機塔架、滾筒以及平衡配重箱組成模擬加載裝置，通過調(diào)整配重箱的比重使得抽油機完成一個沖程的載荷差值近可能的接近，從而有效緩解抽油機抽油過程中產(chǎn)生的振動，降低抽油噪音，解決抽油不平穩(wěn)的問題。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：通過拉力傳感器和位移傳感器來實時檢測抽油機抽油過程中的載荷變化情況，其中拉力傳感器與平衡配重箱之間用硬質(zhì)彈簧連接，間接模擬了抽油機實際抽油過程中抽油桿和泵筒的變形量。傳感器將試驗實時采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破?，?jīng)過控制器處理后的信號輸出到上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和顯示。

控制系統(tǒng)1 個沖程內(nèi)最少采集200 個點，確保實測泵示功圖與實際泵示功圖的控制精度。符合示功圖數(shù)據(jù)自動采集技術(shù)規(guī)范[19]。新型滾筒式抽油機的系統(tǒng)控制原理如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制原理Fig.2 System control principle

1.2 抽油泵的組成及示功圖原理

抽油泵主要由泵筒、柱塞、游動閥及固定閥等組成。當(dāng)柱塞上行時，吸油入泵，排油出井；當(dāng)柱塞下行時，泵內(nèi)油液進(jìn)入油管。測試和分析示功圖是了解抽油設(shè)備和油井動態(tài)的重要途徑，而理論示功圖是在多種假設(shè)條件下所繪制的[20]。在這種理想條件下泵的工作過程和對應(yīng)的示功圖曲線如圖3所示。

圖3 抽油泵工作原理及對應(yīng)泵示功圖曲線Fig.3 The working principle of the pump and the corresponding pump diagram

其中，泵示功圖繪制的計算過程如下

由于理想化抽油桿是在不計算桿管彈性變形的靜載荷條件下進(jìn)行的模擬加載試驗，所以理論示功圖為矩形[21]。但實際抽油過程中由于受外部復(fù)雜多變的環(huán)境、油田原油的特性以及抽油機桿容易發(fā)生振動等因素的影響，實測示功圖曲線會發(fā)生波動和變形。

2 試驗條件及數(shù)據(jù)處理

2.1 有桿泵理想化采油條件

油田現(xiàn)場泵示功圖的獲取較為困難，通常是由井上示功圖通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)轉(zhuǎn)換而成，即示功圖轉(zhuǎn)換法。在深井下泵的工作狀況要通過上千米的抽油桿柱傳遞到地面上，因抽油桿柱的振動等其他因素，懸點載荷的變化相對復(fù)雜。而理想化有桿泵采油模型的建立，因為油管固定，不存在氣體影響和油液漏失，忽略了抽油桿柱的變形、黏滯阻力、慣性和振動等因素，而省去了繁瑣復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，得到的實測示功圖實際上反映的是抽油機工作的井下泵示功圖，在這種條件下直接避免了數(shù)學(xué)推導(dǎo)帶來的誤差，得到真實的泵示功圖。

基于此，本文提出通過變化的泵示功圖來評價抽油機設(shè)備加載動平衡和其他性能狀況的好壞，同時，為新設(shè)計的抽油機室內(nèi)型式實驗提供了一種新的思路。理想化有桿泵采油的試驗方法在保證可靠性的同時對降低抽油機性能試驗成本意義重大。該試驗所采用的抽油機模型技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 抽油機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Pumping unit technical parameters

通過表1 技術(shù)參數(shù)并結(jié)合實際油井參數(shù)，建立了有桿泵實驗?zāi)Ｐ停韵率浅橛蜋C有桿泵模擬參數(shù)的確定。

通過計算有桿泵直徑取63 mm，抽油桿直徑取25 mm，有桿泵一次沖程排油量為1.2×10-3m3滿足設(shè)計排量要求。

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理方法

試驗對不同沖次（由電機不同頻率控制）不同配重箱負(fù)載下抽油機的加載情況進(jìn)行實時檢測，然后將其數(shù)據(jù)分析處理，得到不同條件下的實測泵示功圖。試驗數(shù)據(jù)處理方法主要是通過檢測抽油機一個完整沖程的懸點載荷和位移變化。

為了防止數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的誤差，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示的擬合泵示功圖曲線以多次沖程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，截取抽油機運行穩(wěn)定后的試驗數(shù)據(jù)作為最終的試驗結(jié)果（位移起始點到下一次位移起始點之間的數(shù)據(jù)），即一個完整沖程的試驗數(shù)據(jù)。通過該方法處理后的一個沖程位移載荷變化部分參數(shù)如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)采集參數(shù)Tab.2 Data acquisition parameter

2.3 試驗實例

現(xiàn)以配重箱配重30 kN，電機頻率20 Hz 為例，其部分?jǐn)?shù)據(jù)參數(shù)如表2 所示，在該條件下系統(tǒng)繪制的抽油機泵示功圖曲線的監(jiān)控界面如圖4 所示。從圖中可以明晰抽油機上、下沖程中載荷和位移的實時變化曲線及泵示功圖曲線，能為工作人員實時分析抽油機運行狀況提供理論支撐。

圖4 實時數(shù)據(jù)顯示界面（配重30 kN、電機頻率20 Hz）Fig.4 Real-time data display interface（Load of 30 kN and frequency of 20 Hz）

3 試驗結(jié)果及分析對比

試驗分別給定配重箱配重和電機頻率，結(jié)合每次數(shù)據(jù)處理后的泵示功圖分析結(jié)果，依次調(diào)整給定的試驗數(shù)據(jù)（以配重箱配重10 kN，電機頻率10 Hz 為起始數(shù)據(jù)），通過6 組不同試驗對比分析，確定最佳試驗結(jié)果。試驗發(fā)現(xiàn)，泵示功圖在上、下死點附近的懸點載荷值誤差較大，其原因可參考文獻(xiàn)[22]。抽油桿的平衡配重和抽油的沖次會影響抽油機運動規(guī)律的光滑性和無沖擊性。試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5 所示。

由圖5a 可看出，抽油機在上、下沖程中懸點載荷變化波動很大，極不光滑，這是因為抽油機運行過程中由于上、下沖程中負(fù)載不匹配產(chǎn)生的震動載荷以及齒輪減速換向存在沖擊、打齒、振動所致。抽油機在下沖程時懸點載荷波動幅度趨于穩(wěn)定，但在上、下沖程死點位置時波動變化不明顯，說明改變抽油桿平衡配重有助于平衡抽油機下沖程懸點載荷。

由圖5b 可看出，抽油機上沖程懸點載荷線明顯趨于平穩(wěn)，且基本不影響下沖程懸點載荷線的波紋，這說明調(diào)整電機頻率有助于平衡抽油機上沖程懸點載荷，但在上沖程起始點存在明顯的波動，導(dǎo)致抽油機運行起始點沖擊大，這是由于抽油桿配重負(fù)載慣性過大且沖次沒有及時調(diào)整所致。當(dāng)抽油機配重負(fù)載為20 kN，隨著電機頻率的增加，抽油機上、下沖程的懸點載荷線越來越光滑，這說明抽油機存在最佳的平衡配重和抽油沖次，可以有效改善抽油機的性能。

對比圖5a 和圖5b 可發(fā)現(xiàn)，抽油機在下沖程時懸點載荷波動幅度趨于穩(wěn)定，但在上、下沖程死點位置時波動變化不明顯，這說明改變抽油桿平衡配重有助于平衡抽油機下沖程懸點載荷。

圖5 不同條件下的實測泵示功圖Fig.5 Measured pump diagram under different conditions

由圖5c 可看出，抽油機上、下沖程起始點懸點載荷線有輕微的波動，說明在這種條件下，抽油機下、上死點位置存在載荷沖擊相對變小。

通過多組不同試驗的泵示功圖對比分析得出，在抽油機配重負(fù)載為20 kN，電機頻率為20 Hz 時，抽油機過程最為平穩(wěn)。即該抽油機最佳平衡配重和最佳抽油沖次。據(jù)此，可推斷調(diào)整配重箱負(fù)載和電機頻率相匹配不但能緩解抽油機運行中的負(fù)載不平衡問題，還可以有效降低齒輪減速換向所產(chǎn)生的沖擊和振動，達(dá)到抽油運轉(zhuǎn)穩(wěn)定的目的，進(jìn)而提高抽油機抽油效率，延長使用壽命。

4 結(jié)論

（1）以一種新型滾筒式抽油機為研究對象，通過理想化有桿泵采油模擬試驗將泵示功圖對比分析得出抽油機沖次與懸點載荷相匹配的最佳電機頻率和抽油桿平衡配重，有效實現(xiàn)了抽油機的動載平衡。

（2）采用理想化有桿采油室內(nèi)實驗，間接地對抽油機換向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了驗證，為新設(shè)計的抽油機室內(nèi)型式實驗提供了新思路。

（3）試驗結(jié)果表明，可直接根據(jù)泵示功圖分析評價抽油機的性能狀況，同時為抽油機最佳平衡判斷準(zhǔn)則的標(biāo)準(zhǔn)提供了新方法。