鄭 東 志

(大慶油田有限責任公司采油工程研究院；黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點實驗室 )

0 引 言

隨著原油開采進入中后期，低產(chǎn)(<5 t/d)油井數(shù)量逐年增多。目前，大慶油田有提撈井5 000多口，超過1.2萬口抽油機井執(zhí)行間抽制度，井下供液不足,不滿足抽油機泵的排量要求，采用常規(guī)游梁式抽油機采油，嚴重影響了油田的經(jīng)濟高效和節(jié)能降耗開發(fā)[1-2]。為此，國內(nèi)外油田科研院所和企業(yè)做了大量研究，在常規(guī)游梁式抽油機結構基礎上，研發(fā)了新型抽油機。Dynovation設計公司研制了無游梁機械驅動叢式井抽油機，電機通過皮帶傳動帶動主動鏈輪轉動，主動鏈輪通過2個定向鏈輪帶動鏈條做往復運動，實現(xiàn)雙井采油，最大下泵深度4 200 m，最大沖程24 m[3]。加拿大A Schlumberger公司的KUDU型液壓抽油機使用電動機和天然氣作為動力，最大沖程可達8.53 m，減小了循環(huán)應力，減輕了抽油桿伸長的影響，改變了氣體的壓縮比，提高了系統(tǒng)總效率[4-5]。吉林油田研發(fā)了繩輪式和直連式“U型平衡一拖二”液壓抽油機[6]。勝利油田利用雙向液馬達蓄能平衡技術,研制了低矮型長沖程節(jié)能抽油機[7]。邵軍等[8]設計了新型節(jié)能偏心輪式抽油機，采用齒輪-齒條換向，使傳動更加平穩(wěn)。曹忠亮等[9]基于PLC控制無游梁抽油機，增強了抽油機對環(huán)境的適應能力。同游梁式抽油機相比，新型抽油機除縮小外形尺寸和減輕質量外，還具有多種復雜工況下高效、穩(wěn)定及經(jīng)濟運行等優(yōu)點。

通過調(diào)研，目前國內(nèi)還沒有將滾珠絲杠應用在抽油機井的案例，僅查閱到相關專利[10]。鑒于此，筆者結合現(xiàn)場采油工藝要求，發(fā)揮滾珠絲杠結構緊湊、系統(tǒng)效率高和運行平穩(wěn)等優(yōu)勢，研制了滾珠絲杠抽油機，并對關鍵技術進行了研究。完成樣機的研制之后，對樣機進行了室內(nèi)及現(xiàn)場試驗。

1 滾珠絲杠抽油機

1.1 整體方案

滾珠絲杠抽油機總體結構如圖1所示，整體呈三節(jié)筒狀結構，分為動力總成、中間輔助支撐和底座總成。

1—動力總成；2—中間輔助支撐；3—底座總成。

滾珠絲杠抽油機動力總成結構如圖2所示，由變頻調(diào)速電機、減速箱、空心滾珠絲杠及絲母等部件組成。電機通過傳動軸驅動減速箱運轉，減速齒輪與絲母相連，從而驅動滾珠絲杠上下往復運動。

1—方卡子；2—空心滾珠絲杠；3—防護罩；4—絲母；5—軸承；6—減速箱；7—異步電機。

滾珠絲杠抽油機中間輔助支撐部分結構如圖3所示。其上端連接減速箱，下端連接底座，導軌及導軌固定座由緊定螺釘固定在外筒上，輔助絲杠上下運行。同時，輔助支撐部分底端設計彈簧座用來壓縮大、小彈簧，下沖程時減輕桿柱重力對裝置的沖擊，上沖程時輔助桿柱上行，減小電機啟動電流。

1—上連接法蘭；2—外筒×2；3—中間法蘭；4—彈簧座；5—大、小壓縮彈簧；6—下連接法蘭；7—行程開關座×2；8—導軌固定環(huán)；9—導軌固定座×3；10—導軌×3。

滾珠絲杠抽油機底座總成部分如圖4所示。上、下法蘭通過4根支柱焊接連接，密封盒坐封于下法蘭中心。底座總成在安裝前需進行密封壓力測試，動密封公稱壓力不小于4 MPa，靜密封公稱壓力不小于8 MPa，整體通過6根M30螺栓與套管連接。

1—外筒連接法蘭；2—密封盒；3—支柱×4；4—套管連接法蘭。

1.2 工作原理

變頻電機直驅減速箱，帶動減速齒輪和絲母旋轉，將旋轉運動轉化為滾珠絲杠的直線運動。抽油桿穿過空心絲杠，由方卡子固定在絲杠頂端，實現(xiàn)抽油桿和柱塞泵上下往復運動，完成抽汲動作。下沖程時，絲杠底端備帽壓縮彈簧完成蓄能；上沖程時，彈簧釋放能量，協(xié)助桿柱上行。

控制系統(tǒng)控制電機正、反轉，并對電流、轉速和絲杠行程等關鍵技術參數(shù)進行實時監(jiān)測，出現(xiàn)過載、失載及越程等異常工況時，電磁抱閘制動，實現(xiàn)自動停機。

1.3 主要技術參數(shù)

懸點載荷80 kN，沖程1.2 m，最大沖次4 min-1，整機質量1 t，整機高度4.442 m，電機功率15 kW，電機額定轉速1 460 r/min，減速箱傳動比3.5∶1.0。

2 關鍵技術研究

2.1 滾珠絲杠副參數(shù)確定[11]

隨著機電一體化技術的發(fā)展，滾珠絲杠的使用范圍越來越廣，以其摩擦損失小、傳動效率高及軸向剛度高等優(yōu)勢，在精密工具機、輸送機械和航天領域均有廣泛應用[12]。應用在抽油機上能夠發(fā)揮其結構緊湊、系統(tǒng)效率高和運動平穩(wěn)等獨特優(yōu)勢，成為極具發(fā)展?jié)摿Φ牟捎驮O備。根據(jù)現(xiàn)場工作條件，選用傳遞力的T型滾珠絲杠副將旋轉運動變?yōu)橹本€運動時，需結合負載、沖程、沖次及壽命等所需功能因素在標準尺寸系列基礎上進行定尺加工。

2.1.1 滾珠絲杠副導程設計

根據(jù)電機額定轉速和抽油機最大沖次計算絲杠導程。計算式如下：

(1)

式中：Ph為導程，mm；S為抽油機沖程，mm；Nmax為最大沖次，min-1；n為電機額定轉速，r/min；i為減速比。

設沖程S=1 200 mm，最大沖次Nmax=4 min-1，電機額定轉速n=1 460 r/min，減速箱減速比i=3.5，計算得滾珠絲杠副導程Ph=23 mm，實取Ph=25 mm，滿足設計要求。

2.1.2 滾珠絲杠副預期額定動載荷

滾珠絲杠副設計時一般按額定動載荷來確定滾珠絲杠副的尺寸。額定動載荷是指一批相同規(guī)格的滾珠絲杠運轉100萬次后，90%的絲杠副(螺紋表面或滾珠)不產(chǎn)生疲勞剝傷(點蝕)時的軸向載荷。絲母在n1，n2，n3，……，nn各種轉速下，各轉速工作時間占總時間的百分比分別為t1，t2，t3，……，tn，所受載荷分別是F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，……，F(xiàn)n，則當量轉速nm和當量載荷Fm計算式為：

(2)

(3)

設備在不同工況下的運轉參數(shù)如表1所示。

表1 不同工況下的運轉參數(shù)

滾珠絲杠副運動時，其軸向阻力主要來自抽油桿重力和柱塞泵上端液柱載荷，慣性載荷、摩擦載荷以及振動載荷等在最大載荷中占比很小，本次計算忽略不計。全天按24 h開機，全生命周期按10 a計算，將表1中各參數(shù)代入式(2)和式(3)中，解得nm=288 r/min，F(xiàn)m=41.1 kN。

滾珠絲杠副預期額定動載荷Cam可按如下公式計算：

(4)

式中：fa為精度系數(shù)，取1；fc為可靠性系數(shù)，可靠性按90%計算，取1；fw為載荷性質系數(shù)，按伴有沖擊或振動時取1.5；Lh為預期工作壽命，h，取87 600 h。

計算可得Cam=785.5 kN。

2.1.3 滾珠絲杠副主要技術參數(shù)

結合現(xiàn)場使用工況及計算的額定動載荷進行定尺加工，其主要技術參數(shù)如下。

有效行程S：1.9 m；

公稱直徑d0：125 mm；

螺紋底徑d2：80 mm；

導程Ph：25 mm；

螺母長度L：280 mm；

額定動載Cam：785.5 kN；

額定靜載Coa：2 437 kN；

精度等級：7。

2.1.4 滾珠絲杠副校核計算

根據(jù)現(xiàn)場使用要求，對無精確位移要求的傳動用T類滾珠絲杠副無需做剛度計算、變形計算和預拉力計算[13]?，F(xiàn)對絲杠額定靜載荷、絲杠軸拉壓強度及壓桿穩(wěn)定性進行驗算。

(1)額定靜載荷Coa驗算。Coa按載荷最大時進行驗算，驗算公式為：

fsFamax≤Coa

(5)

式中：fs為靜態(tài)安全系數(shù)，有沖擊和振動時取3；Famax為滾珠絲杠副最大軸向載荷，kN，取絲杠上沖程軸向載荷49.12 kN。

計算得fsFamax=147.36 kN，小于2 437.00 kN，滿足設計要求。

(2)絲杠軸拉壓強度驗算。驗證公式為：

(6)

式中：σs為滾珠絲杠主體材料GCr15屈服強度，取518.42 MPa；s為安全系數(shù)，取1.5；d3為滾珠絲杠中空直徑，取65 mm。

計算后可知絲杠軸拉壓強度滿足設計要求。

(3)滾珠絲杠壓桿穩(wěn)定性驗算。臨界壓縮載荷計算式為：

(7)

式中：Fc為臨界壓縮載荷，N；K1為壓桿安全系數(shù)，絲杠垂直安裝取0.5；K2為支撐系數(shù)，一端固定，一端自由取0.25；Lc1為絲杠最大受壓長度，取1 900 mm。

計算得Fc=141.83 kN，大于49.12 kN，滿足設計要求。

2.1.5 選用滾珠直線導軌

為保證滾珠絲杠同桿柱往復運動的直線度，選用3根長度為1 700 mm的滾珠直線導軌輔助滾珠絲杠運行。導軌截面形狀為燕尾形，采用端密封和側密封形式。由于運動件懸掛在導軌上，為保證運行平穩(wěn)，采用調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)導軌的間隙或進行預緊，調(diào)整后用螺母鎖緊，再用螺釘將導軌固定在固定座上，最后導軌通過3個固定環(huán)固定在機殼內(nèi)。直線導軌副在滑塊與導軌之間放入適當鋼球，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大減小了二者之間運動摩擦阻力，摩擦耗能小，滾動面的摩擦損耗也相應減小。結合標準尺寸及現(xiàn)場使用要求，滾珠絲杠副與滾珠直線導軌結構布置如圖5所示。

1—方卡子；2—絲杠；3—螺母；4—導軌固定座；5—滾珠直線導軌；6—絲杠底座總成；7—固定環(huán)。

2.2 控制系統(tǒng)設計

2.2.1 結構

控制系統(tǒng)主要由變頻調(diào)速電機、測速編碼器、電磁抱閘制動器、行程開關和控制柜等組成，可在現(xiàn)場、手機以及電腦等客戶端實時監(jiān)測抽油機運行狀態(tài)和調(diào)節(jié)生產(chǎn)運行參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)結構框圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)結構框圖

2.2.2 控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)主要基于滾珠絲杠的位置控制模式開發(fā)，在智能控制器數(shù)據(jù)處理中心(DSP)內(nèi)建立完整的數(shù)學模型，實時計算滾珠絲杠運行位置。抽油機運行時，滾珠絲杠上行至接近行程開關設定距離時，測速編碼器發(fā)送信號給變頻器，控制器控制輸出頻率直至絲杠停止。不同于游梁式抽油機，通過四連桿換向，變頻器內(nèi)置控制電路通過切換接線端子實現(xiàn)電機正、反轉，以此循環(huán)，達到滾珠絲杠和桿柱往復運動要求。

系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對位置、速度及轉矩的精確控制，精度高、響應快，可獨立調(diào)整桿柱上行速度、下行速度及上下沖程不等速。同時，在過載和失載等異常工作狀態(tài)下，通過電磁抱閘制動器自動停機。

2.2.3 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)現(xiàn)場所需沖程確定安裝上、下行程開關位置，間距為總行程長度l，啟動系統(tǒng)中自學習功能，設置上限位偏置值Δl1、下限位偏置值Δl2，確定抽油機沖程長度S=l-Δl1-Δl2。將絲杠點動運行到“下限位”，按照15 Hz頻率運行，開始向上運行進行自學習，到達“上限位”后自動停止。

可視化控制面板如圖7所示。設備運轉所有參數(shù)的采集及調(diào)整由觸摸屏實現(xiàn)，可根據(jù)實際井況調(diào)整沖程和沖次，系統(tǒng)也可獨立調(diào)整絲杠上行速度和下行速度，實現(xiàn)上、下沖程不等速?？刂葡到y(tǒng)在現(xiàn)場應用中表現(xiàn)出良好的負載適應性和可靠性。

圖7 可視化控制面板

3 滾珠絲杠抽油機試驗

3.1 室內(nèi)試驗

根據(jù)設計參數(shù)制造滾珠絲杠抽油機樣機，并在大慶油田有限責任公司采油工程研究院4#標準模擬試驗井進行了室內(nèi)試驗，以檢驗整個裝置機械部件和控制系統(tǒng)的可靠性。試驗系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 室內(nèi)試驗系統(tǒng)示意圖

試驗系統(tǒng)主要由井口采油樹、工藝管匯及坐落在套管上的樣機3部分組成。工藝管匯由閥門、流量計、儲液罐及管線組成，用來完成標準模擬井采出液收集和回注。試驗設備主要有標準模擬井、功率測試儀、雙頻道回聲儀及計量裝置，試驗介質為水。

室內(nèi)試驗下泵深度為393 m，泵徑44 mm，沖程1.2 m，完成了不同動液面、不同沖次下滾珠絲杠抽油機的產(chǎn)量和能耗測試，結果如圖9和圖10所示。由圖9可知，從泵效角度分析，隨著液面的增加，泵效有所降低，但泵效均大于54%，表明滾珠絲杠抽油機工作性能較好。由圖10可知：隨著動液面加深，系統(tǒng)效率顯著升高；當液面達到353 m時，系統(tǒng)效率達到22%，如果進一步深抽，系統(tǒng)效率將達到更高水平。

圖9 不同工況下泵效曲線

圖10 不同工況下系統(tǒng)效率曲線

3.2 現(xiàn)場試驗

2018年11月，在大慶油田采油三廠B2-352-82試驗井對樣機進行了現(xiàn)場試驗。該井下泵深度900 m，泵徑57 mm，沖程1.2 m，平均沖次2.8 min-1。試驗前、后各運行參數(shù)和測試結果對比如表2所示。

表2 試驗前、后性能參數(shù)對比

從表2可以看出，試驗后泵效提高8.87百分點，系統(tǒng)效率提高3.23百分點，有效解決了原游梁式抽油機抽汲參數(shù)大以及液面波動范圍大的問題，保證了油井生產(chǎn)平穩(wěn)運行，取得了良好的初期使用效果。

4 結 論

(1)研制了一種滾珠絲杠傳動抽油機，該抽油機無須預制基礎，直接坐落在井口法蘭，兼具滾珠絲杠高精度、可逆性和高效率的特點，易于實現(xiàn)自動化控制。

(2)滾珠絲杠抽油機已進入現(xiàn)場試驗階段，舉升效率高，與試驗前常規(guī)游梁式抽油機相比，泵效提高了8.87百分點，系統(tǒng)效率提高了3.23百分點，取得了良好的初期應用效果，適用于抽汲參數(shù)小的低產(chǎn)油井。

(3)將滾珠絲杠副應用在抽油機上，傳動精度不是主要的性能考核指標，重要的是承載能力及可靠性。結合現(xiàn)場試驗結果，延長滾珠絲杠副和滾珠直線導軌的使用壽命是該型抽油機的主要改進方向。