李紅才,秦德福,魚 崗,侯 軍,樊 勇

(長慶油田分公司 機(jī)械制造總廠,西安 710201)

節(jié)能型超低沖次抽油機(jī)技術(shù)研究

李紅才,秦德福,魚 崗,侯 軍,樊 勇

(長慶油田分公司 機(jī)械制造總廠,西安 710201)

超低滲透油藏的產(chǎn)量低,目前使用的抽油機(jī)配置參數(shù)不合理,系統(tǒng)效率低,能量損耗大,經(jīng)濟(jì)效益差。在分析抽油機(jī)參數(shù)合理配置的基礎(chǔ)上,提出了節(jié)能型超低沖次抽油機(jī)的技術(shù)方案,最低沖次為 1.5 min-1,與其配套的電機(jī)功率比常規(guī)抽油機(jī)減少約 1/3,負(fù)載率、電機(jī)效率有很大提高,能夠滿足長慶油田超低滲透油藏高效節(jié)能開采的需求。

抽油機(jī);超低沖次;減速器;節(jié)能

游梁式抽油機(jī)是長慶油田最主要的采油設(shè)備。隨著超低滲透油藏的開發(fā),俗稱 2 t區(qū)的油藏已成為長慶油田的主要貢獻(xiàn)區(qū),然而機(jī)采系統(tǒng)效率只有約 20%,低于全國平均水平。如何高效節(jié)能地開發(fā)低滲透、超低滲透油田已經(jīng)成為長慶油田必須認(rèn)真研究的問題。

理論計(jì)算和實(shí)際測試說明,抽油機(jī)參數(shù)不能與超低滲透油井產(chǎn)液量合理匹配,即機(jī)采系統(tǒng)工作時(shí),由于供液不足造成空抽是影響機(jī)采系統(tǒng)效率低的主要原因[1]。不僅功率消耗大,而且油管、抽油桿、抽油泵磨損嚴(yán)重。本文主要研究與超低滲透油井產(chǎn)液量合理匹配的抽油機(jī)參數(shù)及其技術(shù)方案。

1 技術(shù)方案分析

抽油機(jī)參數(shù)不能與超低滲透油井產(chǎn)液量合理匹配,即在相同懸點(diǎn)載荷下,沖程和沖次 2個(gè)參數(shù)大于油井的供液能力,從而造成空抽,系統(tǒng)效率低、能量損耗大?！伴L沖程,低沖次”能明顯減少?zèng)_程損失的比率并提高泵效。因此,應(yīng)保持原有抽油機(jī)方案中的沖程長度,采取降低沖次的辦法來與超低滲透油井產(chǎn)液量相匹配。

長慶油田抽油機(jī)的沖次已經(jīng)從過去的 6、9、12 min-1逐步發(fā)展到現(xiàn)在的 2.5、3.5、5.0 min-1,仍然不能滿足超低滲透油藏的要求。理論計(jì)算和現(xiàn)場測試表明,在保持現(xiàn)有的桿、管、泵及沖程前提下,要滿足產(chǎn)量為 1～3 m3/d的生產(chǎn)要求,抽油機(jī)沖次應(yīng)達(dá)到 115 min-1。選擇傳動(dòng)方案為電機(jī) +一級皮帶 +兩級減速器,電機(jī)選擇較成熟、效率高的八極電機(jī),一級皮帶減速和兩級減速器已經(jīng)達(dá)到了最大速比,此方案仍無法將沖次降低到 1.5 min-1。其他 4種傳動(dòng)方案如下。

a) 兩級 V帶 +兩級齒輪減速器。這種傳動(dòng)型式傳動(dòng)效率低,因?yàn)槎嗔艘患?V帶傳動(dòng),效率下降5%～10%,帶傳動(dòng)使用一段時(shí)間后需要對皮帶進(jìn)行張緊,結(jié)構(gòu)不緊湊也不適合新井投產(chǎn)的使用。

b) 12極電機(jī) +V帶 +兩級齒輪減速器。參數(shù)難以滿足要求,且價(jià)格高、效率低、維修困難。電機(jī)級數(shù)增加,電機(jī)電流增大,內(nèi)耗增大,效率下降3%左右,特別是用于抽油機(jī)時(shí),負(fù)載為周期性波動(dòng)狀態(tài),平均負(fù)載效率約為 30%,此時(shí)電機(jī)級數(shù)越多,實(shí)際效率下降越快。

c) 采用變頻調(diào)速技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)機(jī)采井工況和產(chǎn)液量的變化通過閉環(huán)回路無級調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖次。但是,變頻調(diào)速不論采用什么樣的控制方法其輸出到電機(jī)端上的電壓脈沖是非正弦的,波形中含有大量的諧波成分,其中高次諧波會(huì)使變頻器輸出電流增大,造成電機(jī)繞組發(fā)熱,損耗增加,效率降低,產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲,加速絕緣老化,還可能損壞電機(jī)[2-3]。其主要設(shè)備——變頻器等部件價(jià)格比較昂貴,并且油田環(huán)境比較惡劣,變頻器等電子器件容易出現(xiàn)故障。抽油機(jī)用電機(jī)屬于小型普通交流異步電機(jī),可以進(jìn)行變頻控制,但變頻的最佳范圍是20～50 Hz,當(dāng)變頻范圍在 10～20 Hz時(shí),其效率降到了 40%～60%,要將沖次降到 1.5 min-1以下,變頻器工作頻率在 10 Hz以下,效率很低。

d) 直接采用傳動(dòng)比比較大的三級四軸減速器,增加一級齒輪減速效率只下降0.01%～0.03%。

比較這 4種方案,直接采用三級四軸減速器具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)效率高、可靠性強(qiáng)、節(jié)能效果明顯、成本低、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

2 三級四軸減速器設(shè)計(jì)

要求三級四軸減速器要具有以前減速器的所有優(yōu)點(diǎn),連接尺寸也要盡可能一致。通過技術(shù)創(chuàng)新,自主研發(fā)了三級四軸減速器,如圖 1。

圖1 三級四軸分流式減速器

該減速器是三級斜齒圓柱齒輪減速器,其傳動(dòng)形式是三級分流式結(jié)構(gòu),齒面采用軟齒面雙圓弧齒輪傳動(dòng),計(jì)算其抗接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、靜強(qiáng)度,使減速器強(qiáng)度滿足 SY/T 5044—2000《游梁式抽油機(jī)》和GB/T 13799—1992《雙圓弧圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》的要求。為了減輕減速器的質(zhì)量,節(jié)約成本,經(jīng)過反復(fù)計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì),在中心距 900 mm的情況下,取齒輪模數(shù)、齒數(shù)、螺旋角的最佳組合,使減速器總傳動(dòng)比達(dá)到1∶110,額定扭矩為 26 kN·m。并成功應(yīng)用于復(fù)合 7型抽油機(jī),實(shí)現(xiàn)了 3.5、2.5、1.5 min-1的超低沖次。其配套的電動(dòng)機(jī)功率由原來的11 kW降低到 7.5 kW,節(jié)能效果顯著。

3 超低沖次抽油機(jī)的特點(diǎn)

a) 采用三級四軸減速器實(shí)現(xiàn)超低沖次,最低達(dá) 1.5 min-1,完全滿足了超低滲透油藏的特殊需求。理論產(chǎn)液量如表 1。

表 1 CYJY7-2.5-26HF型抽油機(jī)最大沖程時(shí)的理論產(chǎn)液量

b) 節(jié)能效果明顯。原 7型抽油機(jī)需要配備15 kW或者 11 kW電動(dòng)機(jī),出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。超低沖次抽油機(jī)只需配備 7.5 kW電動(dòng)機(jī)就能滿足工況需求。由于抽油機(jī)裝機(jī)功率減小,使得電機(jī)的負(fù)載率提高,效率提高,從而節(jié)電[4-11]。

例如,對于同一口油井,假設(shè)沖程、沖次、配置參數(shù)相同,使用 11 kW電機(jī)時(shí),抽油機(jī)的光桿功率為PG

[7],兩級減速器、V帶和四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率約為 70%,可推算出電機(jī)的負(fù)載率為;使用7.5 kW電機(jī)時(shí),抽油機(jī)的光桿功率也為 PG,三級四軸減速器、V帶和四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率約為67%,可推算出電機(jī)的負(fù)載率為。后者的電機(jī)負(fù)載率提高了約 30%,由圖 2[4]可以看出,隨著負(fù)載率的提高,效率也會(huì)有較大的提高。

圖 2 異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載率β與效率η理論曲線

c) 光桿的動(dòng)載荷下降。根據(jù)光桿功率的計(jì)算式[7]可以得到?jīng)_次 n降低之后抽油機(jī)的光桿功率隨之降低,所需的均方根扭矩變小,即,載荷波動(dòng)變小。

d) 啟動(dòng)扭矩大、額定輸出轉(zhuǎn)速低、載荷分布均勻、承載能力大、使用壽命長、運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

e) 基礎(chǔ)與普通常規(guī)型抽油機(jī)相同,方便用戶使用和維護(hù)。

4 結(jié)論

1) 為了高效節(jié)能開采超低滲透油藏,需要超低沖次抽油機(jī)?，F(xiàn)有的普通抽油機(jī)不能滿足這一工況要求。

2) 比較 4種傳動(dòng)方案,6極電機(jī) +V帶 +三級四軸減速器方案的最低沖次達(dá) 1.5 min-1,完全滿足長慶油田超低滲透油藏的生產(chǎn)要求。

3) 電機(jī)的負(fù)載率提高約 30%,節(jié)能效果顯著。降低了光桿的動(dòng)載荷,減少了抽油桿、抽油泵、油管磨損次數(shù),延長檢泵周期,克服了低產(chǎn)井間抽作業(yè)帶來的影響,提高了產(chǎn)液量和系統(tǒng)效率。這項(xiàng)技術(shù)的推廣,使超低滲透油藏的綜合開發(fā)效益被顯現(xiàn)出來。

[1] 鄔亦炯.抽油機(jī)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

[2] 黃立培.變頻器應(yīng)用技術(shù)與電動(dòng)機(jī)調(diào)速[M].北京:人民郵電出版社,1998.

[3] 許大中.電機(jī)控制[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2002.

[4] 陳俊俊.電機(jī)最佳運(yùn)行時(shí)效率和負(fù)載率的試驗(yàn)研究[J].冶金能源,1998,17(3):48-50.

[5] 白連平.抽油機(jī)電機(jī)質(zhì)量的評價(jià)方法[J].石油礦場機(jī)械,2009,38(3):20-22.

[6] 江 斌.合理調(diào)小沖次,提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率[J].斷塊油氣田,2004,11(04):63-65.

[7] API RP 11L,Recommended Practice for design calculations for sucker rod pumping systems[S].1988.

[8] 朱 君.節(jié)能抽油機(jī)節(jié)能效果對比試驗(yàn)研究[J].石油礦場機(jī)械,2006,35(3):60-62.

[9] 章 敬,李 偉,李紹奇,等.CYJ5-1.8-18HY型整體彎流梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械, 2008,37(9):82-85.

[10]任紅偉,劉衍聰,石永軍,等.銷軸換向鏈條式長沖程抽油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].石油礦場機(jī)械,2009,38(9):39-41.

[11]廖大林.W型曳引抽油機(jī)的設(shè)計(jì)分析 [J].石油礦場機(jī)械,2009,38(9):42-45.

Study of Energy-saving Type Ultra-low Frequency Stroke Pumping Un it

L IHong-cai,Q IN De-fu,YU Gang,HOU Jun,FAN Yong
(M achinery Factory of General,Changqing O ilfield Company,Xi’an710201,China)

Based on the character of low reservoir permeability and the problems of irrational allocation, low system efficiency,high rate of energy loss and poor economic benefit for pumping unit application,a systematic study on energy-saving type ultra-low pumping speed unit has been completed by optimization allocation parameters in this paper.The results showed:The lowest pumping speed of thismachine type was 1.5 times perminute;the correspondingmotor power decreased by 1/3,compared with that of conventional pumping units.The load rate andmotor efficiency increased greatly.It canmeet the demandsof high efficiency energy saving exploration in Changqing oilfield.

pumping unit;ultra-low pumping speed;decelerator;energy-saving

1001-3482(2010)05-0049-03

TE933.1

B

2009-11-20

李紅才 (1960-),男,河北遵化人,教授級高級工程師,1984年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油礦場機(jī)械專業(yè),主要從事鉆采設(shè)備的研制和油田機(jī)采系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究,E-mail:cqlhc@263.net。