福踐慶（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

機(jī)械調(diào)速裝置在低產(chǎn)抽油機(jī)井上的應(yīng)用

福踐慶（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

摘要：大慶油田生產(chǎn)的抽油機(jī)其最小沖速為 4min-1，對(duì)于一些嚴(yán)重供液不足的抽油機(jī)井要想在低于 4min-1的沖速條件下生產(chǎn)，依靠皮帶輪的調(diào)整無(wú)法實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用“機(jī)械調(diào)速裝置”來(lái)達(dá)到降低沖速、實(shí)現(xiàn)供排關(guān)系平衡、合理控制能耗的試驗(yàn)，初步見(jiàn)到了較好的效果。結(jié)合油田實(shí)際，從管理角度詳盡論述了“機(jī)械調(diào)速裝置”的工作原理、適用條件及使用設(shè)計(jì)方法，闡述了機(jī)采節(jié)能的實(shí)質(zhì)為“減少能源浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)能耗的合理匹配”，為合理使用“機(jī)械調(diào)速裝置”提供了必要的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：調(diào)速裝置抽油機(jī)技術(shù)應(yīng)用 節(jié)能效果

在油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入強(qiáng)采階段以后，機(jī)械舉升是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)采的主要手段。

抽油機(jī)作為機(jī)械舉升的主要方式之一，在油田開(kāi)發(fā)的強(qiáng)采階段得到了廣泛的應(yīng)用。但就國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的抽油機(jī)而言，最小沖速為 3min-1，大慶油田生產(chǎn)的抽油機(jī)其最小沖速為 4min-1。因此對(duì)于一些嚴(yán)重供液不足的抽油機(jī)井要想在低于 3min-1的沖速條件下生產(chǎn)，顯然依靠皮帶輪的調(diào)整是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。大慶油田第二采油廠共有抽油機(jī) 5624口，其中沖速小于 4min-1的井有 1231 口。

為了滿足嚴(yán)重供液不足的抽油機(jī)井在低沖速條件下生產(chǎn)的需要，近年來(lái)我們開(kāi)始嘗試應(yīng)用“機(jī)械調(diào)速裝置”來(lái)達(dá)到降低沖速、實(shí)現(xiàn)供排關(guān)系平衡、合理控制能耗的試驗(yàn)，初步見(jiàn)到了較好的效果。

1　機(jī)械調(diào)速裝置的工作原理

機(jī)械調(diào)速裝置通俗的講就是減速器或減速機(jī)，其工作原理就是利用機(jī)械調(diào)速裝置的傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。在油田抽油機(jī)井上常見(jiàn)的機(jī)械調(diào)速裝置有兩大類，即：二次減速輪（減速器）和R系列斜齒輪硬齒面減速機(jī) （減速機(jī)）。見(jiàn)圖1。

由于我們是在嚴(yán)重供液不足的抽油機(jī)井上應(yīng)用機(jī)械調(diào)速裝置，故此我們僅討論降低沖速即減速的情況。

機(jī)械調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)降低沖速的過(guò)程是利用機(jī)械方法來(lái)增加地面抽油機(jī)的傳動(dòng)比。

圖1　機(jī)械調(diào)速裝置

1）對(duì)于常規(guī)抽油機(jī)而言，其沖速設(shè)計(jì)的理論依據(jù)為：

式中：

n ——抽油機(jī)沖速，min-1；

K——減速器總傳動(dòng)比；

nd——電動(dòng)機(jī)銘牌轉(zhuǎn)速，r/min；

d——電動(dòng)機(jī)皮帶輪直徑，mm；

D ——減速器大輪直徑，mm。

2）當(dāng)在常規(guī)抽油機(jī)上安裝了機(jī)械調(diào)速裝置后，其沖速設(shè)計(jì)的理論就變?yōu)椋?/p>

式中： K1——機(jī)械調(diào)速裝置的傳動(dòng)比。

式中：

d1——二次輪小皮帶輪直徑，mm；

D1——二次輪大皮帶輪直徑，mm。

由此可見(jiàn)，二次減速輪（減速器）和R系列斜齒輪硬齒面減速機(jī)（減速機(jī)）實(shí)現(xiàn)其降低沖速的基礎(chǔ)理論是相同的。但其實(shí)現(xiàn)方法有別，即：二次減速輪是靠?jī)刹煌睆降钠л喰纬傻膫鲃?dòng)比降速，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低廉，但安裝過(guò)程相對(duì)煩瑣；R系列斜齒輪硬齒面減速機(jī)，依靠一組（或多組）齒輪形成的傳動(dòng)比降速，成本較高，但安裝方便，裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性較好。

2　機(jī)械調(diào)速裝置的節(jié)能原理

機(jī)械調(diào)速裝置不是節(jié)能設(shè)備，但將其應(yīng)用到供液不足的抽油機(jī)井上實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行時(shí)確實(shí)具有一定的節(jié)能效果。

從能量守恒的角度不難看出，機(jī)械調(diào)速裝置之所以具有一定的節(jié)能效果，是因?yàn)槠浣档土顺橛蜋C(jī)的沖速，如果我們要實(shí)現(xiàn)提高沖速來(lái)應(yīng)用機(jī)械調(diào)速裝置則無(wú)疑是多耗能的。

對(duì)于供液不足的抽油機(jī)井而言，由于受使用機(jī)型設(shè)計(jì)最小沖速條件的限制，無(wú)法滿足供排平衡。此時(shí)使用機(jī)械調(diào)速裝置來(lái)降速運(yùn)行，就能夠達(dá)到供排平衡的目的。分析降低沖速可達(dá)到一定節(jié)能效果原因，可將其歸結(jié)為如下兩個(gè)方面：

2.1減少無(wú)用功，降低慣性負(fù)載

利用：A= ∑F ·S ·cos? 其中∑F=M ·a

對(duì)于抽油機(jī)井而言上行程中懸點(diǎn)最大載荷為：

式中：

Wr——上沖程中作用在懸點(diǎn)上的抽油桿柱載荷，kN；W′l——上沖程中相當(dāng)于作用在全活塞上的液柱載荷，kN；S——實(shí)測(cè)光桿沖程，m。

由此可見(jiàn)，當(dāng)抽油機(jī)沖速n減小時(shí)由于其能夠滿足抽油機(jī)井的供排關(guān)系平衡，因此減少了無(wú)用功，同時(shí)又將慣性負(fù)荷較大幅度的降低了，這是機(jī)械減速裝置實(shí)現(xiàn)降低能耗的一個(gè)方面。

2.2電動(dòng)機(jī)扭矩的放大作用可降低裝機(jī)功率

2.2.1常規(guī)抽油機(jī)拖動(dòng)裝置（電動(dòng)機(jī)）的設(shè)計(jì)方法

在抽油機(jī)拖動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)中我們是依據(jù)滿足抽油機(jī)曲柄旋轉(zhuǎn)扭矩的要求來(lái)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的。

1）均方根扭矩的計(jì)算方法：

依據(jù)凈扭矩曲線計(jì)算其均方根扭矩Te

式中：

Te——均方根扭矩，kN·m；

N——等分區(qū)間數(shù)；

Tni——瞬時(shí)扭矩值 。

計(jì)算均方根扭矩最大值的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：

MMax——計(jì)算最大扭矩，kN·m；

S——實(shí)測(cè)光桿沖程，m；

PMax——實(shí)測(cè)最大懸點(diǎn)載荷，kN；

PMin——實(shí)測(cè)最小懸點(diǎn)載荷，kN。

經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果，在示功圖的測(cè)試回放結(jié)果中就已經(jīng)計(jì)算完成，這為我們直接調(diào)用提供了方便，兩種方法的比對(duì)結(jié)果顯示，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果與凈扭矩曲線方法的計(jì)算結(jié)果其相對(duì)誤差在4%以內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求。

2）電動(dòng)機(jī)扭矩的計(jì)算方法：

式中：

M ——電動(dòng)機(jī)扭矩，N·m；

P ——電動(dòng)機(jī)功率，kW；

nd——電動(dòng)機(jī)名牌轉(zhuǎn)速，r/min。

3）抽油機(jī)額定 （實(shí)際）扭矩折算成所需電動(dòng)機(jī)扭矩的計(jì)算方法：

式中：

Md——抽油機(jī)額定（實(shí)際）扭矩折算成所需

電動(dòng)機(jī)扭矩，N·m；

d——電動(dòng)機(jī)皮帶輪直徑，mm；

D ——減速器大輪直徑，mm；

K ——減速器總傳動(dòng)比（CYJ10-3-37HB， K=28）；

n ——抽油機(jī)沖速，min-1。

2.2.2安裝機(jī)械減速裝置抽油機(jī)拖動(dòng)裝置 （電動(dòng)機(jī)）的設(shè)計(jì)方法

抽油機(jī)額定（實(shí)際）扭矩折算成所需電動(dòng)機(jī)扭

表1　機(jī)械調(diào)速裝置安裝前情況統(tǒng)計(jì)

表2　機(jī)械調(diào)速裝置安裝后情況統(tǒng)計(jì)

矩的計(jì)算方法：

式中：

M′d——帶機(jī)械減速裝置抽油機(jī)額定（實(shí)際）扭矩折算成所需電動(dòng)機(jī)扭矩，N·m；

K1——機(jī)械減速裝置的傳動(dòng)比。

由此可見(jiàn)，機(jī)械減速裝置具備電動(dòng)機(jī)扭矩的放大作用，可實(shí)現(xiàn)降低裝機(jī)功率，這是機(jī)械減速裝置實(shí)現(xiàn)降低能耗的另一個(gè)方面。為此，機(jī)采節(jié)能的實(shí)質(zhì)為“減少能源浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)能耗的合理匹配”。

3　機(jī)械調(diào)速裝置的適用條件

在此僅討論用作減速作用的機(jī)械調(diào)速裝置即機(jī)械減速裝置，依據(jù)大慶油田（含外圍區(qū)塊）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，現(xiàn)將機(jī)械調(diào)速裝置的適用條件歸納總結(jié)如下：

1）機(jī)械調(diào)速裝置適用沖速的范圍為 1.5～4min-1。

2）對(duì)于含水小于等于 50%的抽油機(jī)井其設(shè)計(jì)理論泵效小于等于 40%。

3）抽油機(jī)井在低沖速條件下運(yùn)行時(shí)，其沉沒(méi)度 H 滿足：80m≤ H ≤150m。

4）機(jī)械調(diào)速裝置的輸出皮帶輪直徑大于等于180mm。

5）在設(shè)計(jì)中可采用先將低產(chǎn)井的沖速降低1/2， 但 要 滿足在 1.5～4min-1的 范圍內(nèi)， 然 后 在 依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，調(diào)整輸出皮帶輪直徑、使其達(dá)到滿足 80m≤ H ≤150m的條件 （注：若產(chǎn)量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，可以直接設(shè)計(jì)到位）。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

依據(jù)機(jī)械調(diào)速裝置的適用條件我們開(kāi)展了6口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步見(jiàn)到了較好的效果，裝置安裝前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1、表2。

對(duì) 比結(jié) 果 顯示 ， 平均 沖 速下 降 了 2.8min-1， 沉沒(méi) 度回升 283.05m，有 功功率下降 3.2kW，無(wú)功功率下降 18.75kvar，平均單井日節(jié)電 114.44kWh。

5　結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)開(kāi)展上述工作，我們得到的初步結(jié)論與認(rèn)識(shí)如下：

1）機(jī)采節(jié)能的實(shí)質(zhì)為“減少能源浪費(fèi)、實(shí)現(xiàn)能耗的合理匹配”。

2）機(jī)械調(diào)速裝置的選用可以根據(jù)費(fèi)用的多少來(lái)確定，當(dāng)費(fèi)用緊張時(shí)可以優(yōu)先考慮二次減速輪。

3）機(jī)械調(diào)速裝置在設(shè)計(jì)中產(chǎn)量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度對(duì)其效果的影響較大。

4）盲目地使用機(jī)械調(diào)速裝置可能會(huì)導(dǎo)致影響產(chǎn)量的后果。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2013.001.013

收稿日期：（2012-05-30）

作者簡(jiǎn)介：福踐慶，1999年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院 （石油礦場(chǎng)機(jī)械專業(yè)）， 從 事 采 油 工 作 ， E-mail： wangxiuxiu1@petrochina.com.cn， 地址：黑龍江省大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠第一作業(yè)區(qū) 2-10隊(duì)，163411。