游梁式抽油机平衡标准的改进

游梁式抽油机平衡标准的改进

0游梁式抽油机系统的使用寿命长臂式挤出机的平衡、拆卸和调整是挤出机和钻井生产管理的重要组成部分。游梁式抽油机通过合理平衡能够降低能耗,减轻系统冲击,延长电动机、减速器及皮带等设备的使用寿命。据2010年统计,我国陆上油田游梁式抽油机井总数约20万口,占机械采油井总数的92%,系统效率普遍在20%~30%之间,能耗普遍占整个油田能耗的ue6e6ue6f2,有的甚至更高。由此可见,做好游梁式抽油机的平衡工作,既可以降低系统能耗,又能够延长抽油机设备的使用寿命,间接提高油气井产量［1］。基于此,笔者对游梁式抽油机平衡判定方法进行了研究,并提出了新的平衡判别方法。1影响抽油机平衡的因素游梁式抽油机的载荷属于周期性的交变载荷,电动机在整个冲程中所承受的载荷波动幅度很大,而悬点运动速度的变化又加剧了载荷的波动幅度,载荷波动影响了电动机、减速器及四连杆机构的使用寿命,也使抽油杆的工作条件恶化,杆柱断脱次数增加。为了降低抽油机载荷的波动幅度,提高整个系统的运行状况,必须对游梁式抽油机进行合理平衡［2］。抽油机悬点载荷的变化直接影响抽油机的平衡状况,而影响悬点载荷的因素较多［3－4］,例如井下抽油泵往复磨损,泵漏失增加;油管磨损和腐蚀产生漏失和偏磨;油井供液能力变化;采出液密度、黏度的变化等。以上因素均会引起抽油机载荷的变化,影响抽油机的平衡状况。因此,在油田生产管理中一般会对抽油机的平衡状况进行定期测试,并及时调整。正常运行的抽油机每月要进行1次平衡率测试,特殊井则要加密测试,以保证抽油机安全可靠运行。2油挤出平衡法的确定判断抽油机是否处于理想平衡状况的依据就是抽油机的平衡判据,也称平衡准则。目前常用的平衡准则有以下3种［5］。2.1平衡装置能量根据抽油机电机上、下冲程对外做功相等准则,求出下冲程时平衡装置所储存的能量或上冲程时抽油杆下行所释放的能量大小。上冲程过程中,电机所做的功加上平衡装置释放的能量等于上冲程举升抽油杆和油杆柱所做的功;下冲程过程中,平衡装置存储的能量应等于电机所做的功与抽油杆柱下落所做的功之和;根据平衡准则,电机上冲程做的功等于下冲程做的功,由现场实测示功图围成的面积进行计算,以电能法为代表。2.2主要参数法目前,该方法在国内各油田都有广泛应用。由于减速器曲柄轴扭矩与电机的输入电流和功率成正比,且变化规律基本相同,实际中减速器曲柄轴扭矩难以测量,故常用电参测试替代扭矩测试,代表方法有电流法、功率法和扭矩法。2.2.1下冲程峰值电流平衡率即保证抽油机上冲程与下冲程过程中电机的峰值电流相等。在油田实际生产管理中,无法保证电流峰值完全相等,所以一般规定电流平衡率(下冲程峰值电流与上冲程峰值电流的比值)在85%~100%之间。2.2.2下冲程电机功率平衡率与电流法的平衡原理相同,只是功率平衡率(下冲程电机峰值功率与上冲程峰值功率的比值)在80%~100%之间即认为抽油机处于平衡状态［6］,功率平衡率一般不大于100%。2.2.3抽油机曲柄轴扭矩曲线在悬点上冲程与下冲程过程中曲柄轴峰值扭矩相等。根据实测的悬点示功图及抽油机结构尺寸计算曲柄轴扭矩曲线,当下冲程峰值扭矩与上冲程峰值扭矩的比值在80%~100%之间时,认为抽油机处于平衡状态。2.3抽油机的结构尺寸计算由于曲柄轴扭矩现场实际测试比较困难,所以一般采用悬点示功图和抽油机结构尺寸计算曲柄轴扭矩曲线,并进行抽油机的平衡调整计算。该方法的前提是已知抽油机结构尺寸与平衡装置质量,而目前我国抽油机生产厂家众多,结构尺寸及相关参数各有差异,进而使该方法的应用和推广受到一定限制。2.43游梁式抽油机平衡效果分析目前,尚无统一标准来评判这3种平衡准则的好坏,但研究发现,曲柄轴的均方根扭矩影响电机的功率消耗,曲柄轴的峰值扭矩和负扭矩影响减速器的使用寿命,因此需要综合考虑曲柄轴峰值扭矩、负扭矩和均方根扭矩来评价游梁式抽油机的平衡效果。一般按准则二调整平衡时曲柄轴峰值扭矩最小,但负扭矩值最大;按准则三调整平衡时曲柄轴峰值扭矩最大,但负扭矩值最小;准则一介于这两者之间。根据以上分析,从降低抽油机减速器曲柄轴扭矩峰值角度考虑,准则二合理;从降低抽油机能耗角度考虑,准则三更合理。考虑到抽油机设计计算时,减速器曲柄轴最大许用扭矩的安全系数为10,且准则二降低抽油机减速器曲柄轴扭矩程度不大,基于此,在不超过抽油机曲柄轴额定扭矩的前提下采用准则三更为合理。3针对原油平衡评价标准存在的问题3.1功率平衡计算方法2003年,部颁SY/T5044—2003标准《游梁式抽油机》中提到了电流平衡法及平均功率法2种平衡标准及平衡计算方法［7］,但未明确使用哪种方法更合理。其中,电流平衡法规定应使抽油机上、下冲程最大电流差值小于最大电流的15%;另外,涉及了功率平衡的概念,但并未详细阐述功率平衡计算方法及实施方法。目前该标准中的电流平衡法在各油田广泛使用,但在使用中存在以下不足:(1)虽然应用准则二能够降低抽油机减速器峰值扭矩,但使负扭矩增大,抽油机有发电现象,抽油机系统振动增加,且不能保证抽油机能耗最小;(2)测试平衡时人为通过电流表检测电流平衡状况,误差大;(3)由于电流值不存在正负,易出现虚假平衡现象,使抽油机运行状况变差,能耗浪费;(4)平衡测试结束后,平衡块的调整量凭经验判断,往往不能保证一次性准确调整抽油机平衡至最佳位置。虽然电流法平衡标准存在一些不足,但其测试时间短,操作简单,利于生产管理,仍然得到广泛应用。3.2平衡判别中功率平衡度取值2009年,中国石油天然气集团公司企业标准Q/SY1233—2009《游梁式抽油机平衡及操作规范》中明确提出,抽油机的平衡状态是指抽油机减速器扭矩最小的状态,也就是减速器扭矩均方根最小的状态,或者上、下冲程中减速器扭矩峰值相等的状态［8］。但在平衡判别中提出功率平衡度(上、下冲程平均功率比值)小于0.5时,可判定抽油机不平衡,需进行平衡调整。虽然该标准提出了抽油机平衡状态的定义,但对于平衡判别认为功率平衡度合理区间为0.5~1.0,缺乏理论依据,且规定的判别范围太大,不易准确判断抽油机平衡,不利于生产中规模化应用,所以该标准一直未得到广泛应用。4口抽油机井的平衡调整虽然通过准则三判别抽油机平衡更为合理,但直接测试抽油机减速器曲柄轴扭矩很难实现,通过示功图折算曲柄轴扭矩方法较好,但目前抽油机生产厂家较多,机型也较为复杂,掌握所有抽油机结构参数比较困难,且对特殊机型也不易实现;而通过电机输入功率折算扭矩比较容易,不需要抽油机的结构参数,也不受各类机型限制,只要考虑各传动环节效率损失就能准确计算曲柄轴扭矩,判别抽油机平衡。图1为现场实测的抽油机1个周期内电机输入功率与时间的关系曲线。电机轴功率与扭矩计算式为［9］:式中P———电动机瞬时输入功率,kW;T———曲柄减速器扭矩,N·m;η———传动效率,%。通过以上计算,可以得到如图2所示的减速器曲柄轴扭矩与时间的关系曲线。在现场已知平衡装置质量的条件下,通过调整平衡块的位置可以得到不同的平衡扭矩曲线,按下式计算均方根扭矩。式中T1、T2、…、Tn———各分段扭矩值,N·m;t1、t2、…、tn———各分段载荷持续时间,s;比较不同平衡扭矩曲线的均方根值,可以获得均方根最小时平衡装置的位置,即平衡调整的最佳位置。利用上述方法(均方根扭矩最小),对现场20口抽油机井进行了平衡调整,抽油机测试数据如表1所示。利用上述方法可以计算抽油机的最佳平衡位置,但考虑到油井液面随地层压力、采出液物性而变化,对悬点载荷及抽油机平衡产生的影响,且为了便于日常生产管理,不能将平衡率限制在某个值上,建议将抽油机平衡判别标准定为均方根功率最小值在±10%范围内,这样既利于油田抽油机节能、安全运行,又便于油井的日常管理。5抽油机合理平衡判定(1)对现有抽油机平衡标准中存在的不足进行了讨论,提出将均方根扭矩最小平衡准则作为抽油机平衡判