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        柔性超長沖程抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)特性及懸點(diǎn)載荷分析計(jì)算*

        2022-05-12 06:06:42楊洋洋
        機(jī)電工程技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:懸點(diǎn)抽油桿柱

        楊洋洋,吳 偉

        (西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安 710065)

        0 引言

        隨著大多數(shù)油田已經(jīng)進(jìn)入開采中后期,低滲透油層也被逐漸開發(fā),地層供液不足等問題日益嚴(yán)重,多數(shù)地區(qū)依然使用的是傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī),而常規(guī)游梁式抽油機(jī)受限于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、沖程短、沖次高、載荷沖擊大等問題,為此一種以柔性鋼絲繩取代部分抽油桿的長沖程、低沖次的節(jié)能舉升裝備應(yīng)運(yùn)而生。柔性長沖程抽油機(jī)具有柔性啟停、載荷沖擊小、成本較低、節(jié)能性能高、系統(tǒng)效率高等優(yōu)勢,在各大油田均取得了較好的應(yīng)用[1-2]。

        無論是抽油機(jī)的設(shè)計(jì)、還是地面抽油裝置安全性的研究與分析,其最基礎(chǔ)也是必不可少的環(huán)節(jié)便是抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及懸點(diǎn)載荷分析。由于柔性超長沖程抽油機(jī)采用柔性鋼絲繩取代部分的鋼制抽油桿,使用天輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)代替原有的傳動(dòng)鏈條,井下配套長沖程管式柱塞泵(5根10 m的泵筒連接),相比于傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī),降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,節(jié)約了成本,提高了采油效率,所以非常具有研究價(jià)值,而現(xiàn)有的研究大多只是對柔性超長沖程抽油機(jī)進(jìn)行綜合評價(jià),鮮有后續(xù)的具體分析。因此對其懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的變化以及懸點(diǎn)載荷進(jìn)行研究就成為確定該新型抽油機(jī)參數(shù)的關(guān)鍵步驟[3]。

        本文擬在此介紹一種具有“長沖程、低沖次”特點(diǎn)的柔性超長沖程抽油機(jī),采用公式法推導(dǎo)出整機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,基于MATLAB軟件繪制出懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖,基于實(shí)際工況分析并確定了該類型長沖程抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的計(jì)算方法,并計(jì)算出了14型抽油機(jī)的最大懸點(diǎn)靜、動(dòng)載荷,與實(shí)際工控下測出的數(shù)值較為接近,說明該計(jì)算方法較為有效,仿真、計(jì)算結(jié)果表明柔性超長沖程抽油機(jī)可實(shí)現(xiàn)長沖程、低沖次,對低滲透油田、深油井的開發(fā)以及抽油機(jī)機(jī)型的改進(jìn)和優(yōu)化等具有一定的指導(dǎo)意義和主要參考價(jià)值。

        1 柔性超長沖程抽油機(jī)系統(tǒng)組成及工作原理

        1.1 柔性超長沖程抽油機(jī)系統(tǒng)組成

        系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,柔性超長沖程抽油機(jī)的系統(tǒng)主要包括兩部分:地面部分(結(jié)構(gòu)式塔架、柔性鋼絲繩、天輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、智能變頻控制柜、油管、套管等);地下部分(鋼絲繩光桿、鋼制抽油桿、長沖程抽油泵等)。井口的管道系統(tǒng)用來連接地面和地下兩部分,而基座上主要安裝智能變頻控制柜、滾筒減速器、天輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)可以依靠智能變頻控制柜實(shí)現(xiàn)柔性啟停,天輪通過支撐機(jī)構(gòu)安裝于結(jié)構(gòu)式塔架上端的塔臺并將鋼絲繩纏繞在滾筒上連接井下抽油桿,通過電機(jī)帶動(dòng)滾筒、滾筒帶動(dòng)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)油氣采收。

        圖1 柔性超長沖程抽油機(jī)結(jié)構(gòu)

        1.2 柔性超長沖程抽油機(jī)工作原理

        此新型智能抽油機(jī)采用柔性鋼絲繩取代部分的鋼制抽油桿,使用天輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)代替原有的傳動(dòng)鏈條,井下配套長沖程管式柱塞泵(5根10 m的泵筒連接),降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,節(jié)約了成本,提高了采油效率。抽油機(jī)的柔性啟停與控制主要依靠智能變頻控制柜,通過裝置內(nèi)的直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的行星減速器,而減速器又連接著卷筒,從而帶動(dòng)纏繞在其上的鋼絲繩完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。鋼絲繩連接至井下部分的抽油桿,在上下沖程時(shí),柱塞帶動(dòng)長沖程抽油泵完成整個(gè)采油過程。抽油機(jī)設(shè)計(jì)的最大沖程可達(dá)50 m,沖次1~12次∕h可調(diào),顯著提高了泵效與系統(tǒng)效率,油井還可以通過設(shè)定采油過程中上、下沖程設(shè)備的停機(jī)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)間歇采油,產(chǎn)液保持不變的同時(shí)還可以大大提高節(jié)能效率[4]。

        2 抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性分析

        2.1 抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

        無論是抽油機(jī)的設(shè)計(jì)、還是地面抽油裝置安全性的研究與分析,其最基礎(chǔ)也是必不可少的環(huán)節(jié)便是抽油機(jī)懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析。該柔性超長沖程抽油機(jī)的抽油桿主要是通過柔性鋼絲繩光桿與井下的鋼制抽油桿進(jìn)行聯(lián)接,通過直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)滾筒正、反轉(zhuǎn)動(dòng),因此抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度可以等效的看成是抽油桿(柔性鋼絲繩)在滾筒上的纏、放速度。其一個(gè)運(yùn)動(dòng)沖次周期分為上、下兩個(gè)沖程。上沖程:啟動(dòng)勻加速(0~t1)——?jiǎng)蛩伲╰1~t2)——?jiǎng)驕p速(t2~t3)——停止;下沖程:反向勻加速(t3~t4)——?jiǎng)蛩伲╰4~t5)——?jiǎng)驕p速(t5~t6)——停止工作[5]。其中電動(dòng)機(jī)的加速都屬于勻加速運(yùn)動(dòng)。

        在大多數(shù)情況下,抽油機(jī)的加速時(shí)間與減速時(shí)間基本相等,即t1=(t3-t2)=(t4-t3)=(t6-t5)。

        2.2 抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)過程的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律公式推導(dǎo)

        該柔性超長沖程抽油機(jī)采用智能電源控制柜控制電動(dòng)機(jī)的柔性啟停,電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾筒正、反轉(zhuǎn)動(dòng),滾筒收、放鋼絲繩。因此抽油機(jī)的柔性鋼絲繩抽油桿纏繞在滾筒上,抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度可以等效的看成是抽油桿(柔性鋼絲繩)在滾筒上的纏、放速度,所以可以得到懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度:

        式中:v懸點(diǎn)為懸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度,m∕s;ω滾筒為滾筒的角速度,rad∕s;r滾筒為滾筒的半徑,m。

        直驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星齒輪減速器帶動(dòng)滾筒正、反轉(zhuǎn)動(dòng),因此滾筒的角速度可以表示為:

        式中:ω電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)的角速度,rad∕s;n電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,r∕min,i減速器為齒輪減速器的傳動(dòng)比。

        結(jié)合上述公式,以時(shí)間節(jié)點(diǎn)的不同劃分,推出不同時(shí)間段抽油機(jī)的懸點(diǎn)速度公式為:

        求出了懸點(diǎn)速度公式,再對其進(jìn)行積分,也就是求原函數(shù),便得到了懸點(diǎn)的位移公式:

        設(shè)定抽油機(jī)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期開始前從靜止開始運(yùn)動(dòng),初始懸點(diǎn)位移為零,結(jié)合上述公式,依舊以時(shí)間節(jié)點(diǎn)的不同劃分,推出不同時(shí)間段抽油機(jī)的懸點(diǎn)位移公式為:

        式中:S1、S2、S4、S5分別為t1、t2、t4、t5時(shí)刻的懸點(diǎn)位移,實(shí)際上S1=S5,S2=S4。

        2.3 仿真分析

        2.3.1 基本參數(shù)設(shè)定

        以14型柔性超長沖程抽油機(jī)為例,根據(jù)某油田機(jī)械廠提供的數(shù)據(jù)確定該抽油機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1~2所示,隨后依據(jù)上文中的公式與數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。

        表1 柔性超長沖程抽油機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

        2.3.2 仿真結(jié)果

        抽油機(jī)懸點(diǎn)加速度其實(shí)是懸點(diǎn)速度的微分,也就是結(jié)合式(1)~(5),借助MATLAB軟件分別繪制出抽油機(jī)的懸點(diǎn)位移曲線,速度曲線,分別如圖2、圖3所示,仿真所得到的曲線驗(yàn)證了前文公式推導(dǎo)的正確性,并對抽油機(jī)的設(shè)計(jì)與研究具有參考價(jià)值[6]。由圖可知,該柔性超長沖程抽油機(jī)一個(gè)完整的沖次周期為360 s,0~180 s為抽油機(jī)的上沖程過程,180~360 s為抽油機(jī)的下沖程過程,實(shí)現(xiàn)了長沖程(50 m)、低沖次(10 n∕h),與常規(guī)抽油機(jī)相比,減少了桿管磨損,延長了檢泵周期[7]。其中,計(jì)算得到的鋼絲繩線速度最大值為0.22 m∕s,與現(xiàn)場實(shí)際測得的鋼絲繩線速度最大值0.2 m∕s較為接近,驗(yàn)證了懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性計(jì)算分析結(jié)果的正確性。

        圖2 懸點(diǎn)位移隨時(shí)間變化曲線

        圖3 懸點(diǎn)速度隨時(shí)間變化曲線

        3 懸點(diǎn)載荷計(jì)算

        3.1 懸點(diǎn)靜載荷

        該柔性超長沖程抽油機(jī)的懸點(diǎn)靜載荷包括地面的柔性鋼絲繩抽油桿自重、井下的鋼制抽油桿重量、以及油管內(nèi)液柱重量,而柔性鋼絲繩與天輪之間的摩擦力由于參數(shù)無法獲取,因此未作考慮[8]。

        3.1.1 鋼制抽油桿柱載荷

        式中:P桿為抽油桿的重力,kN;L為抽油桿的長度,m;q桿為每米抽油桿的質(zhì)量,kg∕m;g為重力加速度,m∕s2;A桿為抽油桿截面面積,m2;ρ桿為抽油桿材料密度,kg∕m3。

        該柔性超長沖程抽油機(jī)井下鋼制抽油桿柱為三級桿柱組合,其q桿計(jì)算為:

        式中:q桿i為第i級抽油桿每米的質(zhì)量,kg∕m,εi為第i級抽油桿柱的長度比。

        各級抽油桿柱參數(shù)如表2所示,代入數(shù)值得:

        表2 抽油桿柱組合參數(shù)

        因?yàn)槌橛蜅U柱浸泡在油液中,所以計(jì)算需要把浮力考慮在內(nèi)。P桿'則為抽油桿在油液中的重量:

        鋼制抽油桿的密度為7 850 kg∕m3,取油液密度為900 kg∕m3,計(jì)算公式如下:

        3.1.2 油管內(nèi)液柱載荷

        抽油機(jī)在上沖程過程中,柱塞上游動(dòng)凡爾處于關(guān)閉狀態(tài),固定凡爾處于打開狀態(tài),在此時(shí)柱塞的上下是不相通的,因此柱塞上方的液體壓力等于油管內(nèi)的液柱靜壓力,柱塞之下的液體壓力等于油管之外的動(dòng)液面以下的液柱靜壓力,那么液柱載荷也就是由這兩個(gè)壓力差產(chǎn)生的[9]。

        液柱靜載荷表示如下:

        式中:H為抽油泵的沉沒度,m;AP為抽油泵的柱塞面積,m2。取柱塞直徑D=38 mm的抽油泵,計(jì)算得柱塞面積,下泵深度L設(shè)定為2 500 m,沉沒度H設(shè)定為500 m,則:

        3.1.3 柔性鋼絲繩自重載荷

        該柔性超長沖抽油系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)超長沖程以及柔性啟停,最主要還是依靠其采用的柔性鋼絲繩,因此作為懸點(diǎn)靜載荷的一部分需要計(jì)算其重力大小,計(jì)算公式為:

        式中:P繩為鋼絲繩抽油桿的重力,kN;L為鋼絲繩抽油桿的長度,m;q繩為每米抽油桿的重力,kN∕m;g為重力加速度,m∕s2;A繩為鋼絲繩抽油桿截面積,m2;ρ繩為鋼絲繩抽油桿材料密度,kg∕m3。

        因此,代入表2數(shù)據(jù)得到柔性鋼絲繩自重載荷為:

        3.2 懸點(diǎn)動(dòng)載荷分析

        該柔性超長沖程抽油機(jī)在一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)沖次周期中,懸點(diǎn)動(dòng)載荷的產(chǎn)生主要來源于抽油桿柱及液柱周期性的變速運(yùn)動(dòng)。液柱慣性載荷的影響很小,在忽略不計(jì)的情況下,抽油機(jī)懸點(diǎn)動(dòng)載荷的大小和抽油桿柱與鋼絲繩光桿的質(zhì)量與懸點(diǎn)加速度有關(guān)系。此時(shí),懸點(diǎn)動(dòng)載荷的大小與懸點(diǎn)加速度成正比例關(guān)系,而作用方向卻和懸點(diǎn)加速度方向相反[10-11]。懸點(diǎn)動(dòng)載荷計(jì)算如下:

        式中:P動(dòng)為懸點(diǎn)加速度最大時(shí)的懸點(diǎn)動(dòng)載荷,kN;ψ為靜變形分配系數(shù),當(dāng)油管下端錨定時(shí)ψ=1。

        3.3 摩擦載荷分析

        總體而言,柔性超長沖程抽油機(jī)在上沖程過程中懸點(diǎn)所受到的摩擦載荷會使得懸點(diǎn)載荷增大,而在下沖程過程中由于裝置的重力因素會使懸點(diǎn)載荷變小[12]。

        (1)井下的鋼絲繩光桿和鋼制抽油桿柱都會在上下沖程時(shí)和油管柱產(chǎn)生摩擦力,摩擦力方向與懸點(diǎn)載荷方向相反。

        (2)井下抽油泵上的柱塞在上、下沖程時(shí)和套管產(chǎn)生一定的摩擦力,上沖程時(shí)摩擦力方向向下使懸點(diǎn)載荷增大,下沖程時(shí)摩擦力方向向上會使懸點(diǎn)載荷變小。

        (3)井下的鋼絲繩光桿和鋼制抽油桿柱只會在下沖程過程中與液柱產(chǎn)生一定的摩擦力,由于摩擦力方向向上會使得懸點(diǎn)載荷變小。

        由于井下工況復(fù)雜,許多參數(shù)無法獲得并計(jì)算,故本文在計(jì)算最大懸點(diǎn)載荷時(shí)并未考慮摩擦載荷,導(dǎo)致計(jì)算數(shù)值偏大。

        3.4 實(shí)例分析驗(yàn)證

        根據(jù)現(xiàn)有的參數(shù)設(shè)定沖次為10沖∕h,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=980 r∕min,滾筒半徑為0.5 m,行星減速箱的傳動(dòng)比為224,因此可以計(jì)算出懸點(diǎn)最大加速度。

        電動(dòng)機(jī)額定扭矩:

        電動(dòng)機(jī)輸出扭矩:

        鋼絲繩拉力:

        根據(jù)牛頓第二定律得:

        得出懸點(diǎn)加速度:

        由懸點(diǎn)速度公式v=at=0.22 m∕s

        求得懸點(diǎn)上沖程的勻加速時(shí)間:

        本研究以14型柔性超長沖程抽油機(jī)為對象,可知總的懸點(diǎn)載荷為140 kN,該柔性超長沖程抽油機(jī)的懸點(diǎn)靜載荷包括井下的鋼制抽油桿質(zhì)量、柔性鋼絲繩光桿自重以及油管內(nèi)液柱重量,忽略柔性鋼絲繩與天輪之間的摩擦力,可獲得以下方程組用于計(jì)算動(dòng)態(tài)懸點(diǎn)載荷,則有:

        式中:P上為上沖程懸點(diǎn)靜載荷;P下為下沖程懸點(diǎn)靜載荷;P動(dòng)為最大懸點(diǎn)加速度所對應(yīng)的懸點(diǎn)動(dòng)載荷;ψ為靜變形分配系數(shù),當(dāng)油管下端錨定時(shí)ψ=1。

        求解方程組(20)可分別獲得P桿'=101.446 6 kN、P上=123.548 2 kN、P下=103.134 1 kN以及P動(dòng)=16.451 8 kN。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工控下測出的數(shù)值較為接近,說明該計(jì)算方法較為有效。

        4 結(jié)束語

        (1)本文所研究的柔性超長沖程抽油機(jī)真正意義上實(shí)現(xiàn)了“長沖程、低沖次”的采油方式,沖程可達(dá)50 m,沖次低至1~12 n∕h,克服了常規(guī)抽油機(jī)采油模式的局限性,實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全高效運(yùn)行具有成本低、節(jié)能性能高、系統(tǒng)效率與泵效高等特點(diǎn),非常具有研究價(jià)值與推廣意義。

        (2)本文推導(dǎo)出了柔性超長沖程抽油機(jī)的懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并計(jì)算出了上下沖程過程中懸點(diǎn)位移為50 m時(shí),最大懸點(diǎn)速度為0.22 m∕s(與實(shí)際測得數(shù)據(jù)0.2 m∕s相差較小),最大懸點(diǎn)加速度為3.19 m∕s2(與實(shí)際測得數(shù)據(jù)3.25 m∕s2相差較?。?。此外借助MATLAB軟件繪制出了懸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線,為計(jì)算該新型抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷提供理論基礎(chǔ)。

        (3)以14型柔性超長沖程抽油機(jī)為例,分析并驗(yàn)證了該類型長沖程抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的計(jì)算方法,并計(jì)算出了該抽油機(jī)的最大懸點(diǎn)動(dòng)載荷為19.078 2 kN,最大靜載荷為120.921 8 kN,與實(shí)際工控下測出的數(shù)值較為接近,說明該計(jì)算方法較為有效,為進(jìn)一步測試該新型抽油機(jī)的合理性和可靠性奠定了基礎(chǔ),對深油井、低滲透油田的開采以及抽油機(jī)機(jī)型的改進(jìn)和優(yōu)化等具有一定的指導(dǎo)意義和重要參考價(jià)值,在未來低產(chǎn)井的開采中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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