采油螺杆泵地面驱动装置刹车系统性能预测模型研究-9106

-PAGE9--PAGE1-一、生产需求和需要解决的关键技术问题1.生产需求螺杆泵采油系统在举升过程中，输出扭矩会造成抽油杆的扭转变形，在螺杆泵停止工作时，该变形能和举生液柱的势能会进行释放，引起驱动装置的反转。若不加以控制，则反转转速会迅速升高，造成抽油杆脱扣，严重时会造成设备损坏。因此，在对驱动装置的性能检测过程中，必须检测防反转装置的工作性能。2.国内外技术现状分析2.1国内技术现状针对螺杆泵反转现象，目前常用的做法是在螺杆泵驱动装置上安装防反转装置。当前应用较多的防反转装置有液压式防反转装置、能耗制动式防反转装置、摩擦式防反转装置、棘轮棘爪式防反转装置、光杆离合防反转装置。液压式防反转装置安装在减速箱内，由单向离合器和液压轮组成，当驱动装置正常工作时，在超越离合器的作用下，制动盘与制动钳分离，这时液压刹车系统不工作。当螺杆泵杆柱发生反转时，带动超越离合器反转，齿轮泵工作，给液压缸供油，液压缸推动制动钳，使其夹紧制动盘发生制动。该装置具有可靠性高、运动平稳等优点，但费用较高、结构复杂。能耗制动式防反转装置是一种控制系统，具备自动反转卸载的软刹车技术，软刹车技术在其控制箱中设有刹车控制器以及能耗电阻，来实现抑制性控制。当停机反转时制动回路接通，由杆柱驱动电机反转产生的电能通过刹车电阻消耗实现反转制动。反转速度越大，电阻所吸收能量越多，即发电产生的制动力就越大；反之，螺杆泵的反转速度越小，电阻吸收能量越少，即发电产生的制动力就越小，最终将螺杆泵所储存的弹性势能完全释放出来，达到螺杆泵防反转的目的。摩擦式防反装置由一个可以识别正转反转的超越离合器以及一个闸瓦式的制动器所组成。两扇闸体上铆有闸瓦，并通过螺栓使外圈拖紧。此装置在反转时起到阻尼的作用，限制转速，而在正转时不起作用。为了使制动限速达到要求，需要调整夹紧螺栓的松紧。但由于此过程需人工调节，调节过松没有效果，调节过紧又会导致反转扭矩不被释放。棘轮棘爪式防反转装置通常会把棘爪和棘轮组成外啮合，棘爪安装在固定的轴上，并用弹簧来使棘轮同棘爪正常啮合，通过棘轮棘爪的单向回转的特性来阻止螺杆泵反转。其具有成本低，结构简单的特点，能够安装在传动链上的任意一环节。但再次启动系统反转不会自动释放出来，导致初始力矩过大对系统造成冲击。通常需人为释放螺杆泵杆的弹性势能，且在工作过程中，棘轮和棘爪的不断碰撞、摩擦会产生大量摩擦热及噪声。光杆离合防反转装置的关键零件为超越离合器，当螺杆泵井正常运转时，离合装置的主轴与光杆连接同时运行，不影响正常采油工作；当螺杆泵井发生反转时，超越离合器将主轴立刻抱死，切断光杆与主轴之间的连接，使光杆扭矩无法通过主轴传递到地面设备，在反转释放过程中不会对地面设备产生影响，实现反转扭矩安全释放。西安石油大学张越分析了螺杆泵抽油杆柱反转时的边界条件和其在能耗制动状态下所受的扭矩初始条件，建立了能耗制动微分方程，并分析了制动扭矩影响因素，分析结果表明，制动扭矩和反转速度峰值岁制动电阻增加而增加东北石油大学姜舟对螺杆泵的反转机理进行分析，研究了反转产生的原因、反转扭矩的组成、自由反转工况和制动反转工况条件下反转过程中扭矩、转速等参数的变化规律，并对不同型号的螺杆泵反转过程进行理论计算分析，得出了不同参数对反转过程中反转时间、反转扭矩和反转速度的影响规律。目前国内针对螺杆泵反转已经开展了抽油杆柱扭转力学分析、反转制动能耗分析、反转机理研究等，搭建了防反转装置扭矩加载试验平台，建立了杆柱反转速度与时间数学关系。2.2国内技术发展趋势在地面驱动螺杆泵系统中，防反转装置的制动能力是保证螺杆泵装备不发生损坏的重要保证，各类防反转装置的成功研制和迭代，极大的保证了采油螺杆泵产品的安全性能。目前，安全风险风控正在向数字化、智能化发展，数值仿真和模拟仿真研究正在逐渐成为解决现场风险预测问题的重要工具，目前国内通常是采用机械式防反转装置，地面反转被完全制动，通过停放一段时间缓慢消耗井下杆柱能量，目前对这方面的研究较少。针对防反转装置的反转力学、反转能量研究，对防反转装置性能评价，螺杆泵井反转扭矩、温升变化、反转持续时间、液面下降程度等有效预测，保证设备、人员安全具有重要参考意义。2.3国外技术现状ISO15136—2：2006《石油天然气工业人工举升用螺杆泵系统第2部分：地面驱动系统》提出了一种地面驱动装置刹系统性能的评价方法，分别就卡泵和正常停机状态建立了反转过程理论模型，实现了对防反转扭矩和转速的仿真预测。2.4国外技术发展趋势国外地面驱动螺杆泵系统防反转技术也正在向数字化、智能化方向飞速发展，目前国外用的液压防反转装置较多，是地面通过缓慢释放杆柱能量，抑制反转速度相对快速的完成能量释放过程，这就需要对反转能量释放时的速度进行控制，需要研究反转能量的大小以及制动系统的制动能力。通过有限元分析实现设备选型及反转扭矩、反转能量分析控制现场生产临界参数是未来生产作业形式的必然趋势，开展地面驱动装置刹车系统力学分析、能量分析等基础性研究是保障智能安全防控的前提，也是未来行业发展的需要。3.需要解决的关键技术问题（1）螺杆泵抽油杆柱储存弹性能量分析；（2）螺杆泵抽油杆柱反转能量释放规律；（3）如何建立制动过程反转能量的转化模型。二、研究目标和主要研究内容1．研究目标（1）总体研究目标针对不同类型刹车装置，通过开展螺杆泵井杆柱反转机理研究，建立采油螺杆泵地面驱动装置刹车系统性能预测模型，形成一种地面驱动螺杆泵刹车系统评价方法，为地面驱动螺杆泵刹车系统测试评价提供理论依据。理论技术目标：通过开展地面驱动螺杆泵杆柱反转力学、制动能耗和制动机理分析，建立一种采油螺杆泵地面驱动装置刹车系统性能预测模型，实现对反转扭矩、部件温升、液面变化和反转持续时间的合理预测。生产应用目标：在单螺杆泵地面驱动装置的刹车系统评价设计阶段，为刹车系统性能评价提供理论模型；当地面驱动螺杆泵在现场生产时发生反转，对反转持续时间、液面变化等参数提供安全预测理论模型，为现场安全决策提供依据，保障现场安全生产。创新能力目标：（1）申请发明专利1件；（2）年度研究目标完成螺杆泵工作机理、反转原因和反转机理调研和分析；完成螺杆泵抽油杆柱反转力学分析，建立反转扭矩数学模型；完成螺杆泵刹车系统制动能耗分析研究，建立反转扭矩预测模型、反转持续时间预测模型、关键部件温升预测模型及液面变化预测模型；完成地面驱动装置刹车系统防反转预测模型技术报告1份；申报专利1项。2．主要研究内容面临的技术难点及攻关重点：（1）卡泵工况下抽油杆柱力学分析、制动能耗分析；（2）正常停机工况下抽油杆柱力学分析、制动能耗分析；（3）反转扭矩预测模型建立、温升预测模型建立、液面变化预测模型建立和反转持续时间预测模型建立现有研究基础：无主要研究内容：（1）螺杆泵刹车系统制动机理分析研究（2）螺杆泵抽油杆柱制动能耗分析研究（3）地面驱动装置刹车系统防反转预测模型研究实物工作量：无三、技术创新点和研究路线1．技术创新点形成采油螺杆泵地面驱动装置刹车制动系统性能评价新模型：（1）反转扭矩预测模型；（2）关键部件温升变化预测模型；（3）油管液面变化预测模型；（4）反转持续时间预测模型；2．技术研究路线（方案）四、预期成果与考核指标1．预期成果与关键技术通过力学分析、能耗分析等方法，开展刹车系统防反转机理研究，建立地面驱动装置刹车系统防反转预测模型，形成一套基于理论建模的地面驱动装置刹车系统测试评价新方法。2．技术经济考核指标总的考核指标：形成一套地面驱动装置刹车系统测试评价新方法；采油螺杆泵地面驱动装置刹车系统性能预测模型预测误差小于15%。3．知识产权考核指标总的考核指标：（1）申报专利1件。4．预期应用前景本研究可建立地面驱动装置刹车系统防反转预测模型，形成一套基于理论建模的地面驱动装置刹车系统测试评价新方法，对防反转装置的评价测试具有参考意义。本研究可形成防反转扭矩预测模型、部件温升预测模型、井内液面变化预测模型以及反转持续时间预测模型，可在螺杆泵现场采油作业发生反转时，对反转扭矩、部件温升、液面变化以及反转持续时间进行相关预测，为现场作业人员采取相应措施提供参考，对保障现场安全生产和防止设备损坏、人员受伤方面具有指导意义。六、前期研究基础情况和支撑条件分析1．与本项目（课题）密切相关的前期研究基础情况北京石油机械有限公司根据ISO15136-2:2006《石油天然气工业人工举生用螺杆泵系统第2部分：地面驱动系统》（英文版）负责起草了GB/T21411.2《石油天然气工业井下设备人工举升用螺杆泵系统第2部分：地面驱动装置》，提供了特殊应用下评