长冲程液压平衡抽油机的研究与设计.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第6期 石 油机械 CHI NA P ET ROLE UM MAC HI NERY 一1 l 3 一 ． ． 油气 田开发工程 长 冲程液压平衡抽油机 的研 究与设计 梁宏宝 马百涛 李 博 许冯平 东北石油大学机械科学与工程学院 摘要 常规游梁式抽油机系统存在效率低 、能耗高和设备质量大等问题 ，为此设计 了一种长 冲程液压平衡抽油机。该抽油机采用智能控制 的电机 转向来实现柔性抽 油杆 的往复直线运动，利 用液压马达可换 向实现能量的储存与释放，达到平衡 悬点载荷 的 目的，简化 了抽 油机结构，降低 了系统的总能耗。现场试验结果表明，与常规游梁式抽油机相 比，长冲程液压平衡抽油机 的平均 节电率达到 2 5 ％ ，泵效率 由5 0 ％提高到7 0 ％以上。 关键词抽油机；长 中程；液压平衡 ；智能控制；悬点载荷 ；高效节能 中图分类号 T E 9 3 3 文献标识码 A d o i 1 0 ． 1 6 0 8 2 ／ j ． c n k i ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 2 6 De s i g n o f Lo ng S t r o k e Hy d r a ul i c a l l y Ba l a n c e d Pu mpi n g Un i t Li a n g Ho n g b a o Ma Ba i t a o L i Bo Xu Fe n g p i n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y Ab s t r ac t To a dd r e s s t h e i s s u e s o f c o n v e n t i o n a l b e a m p u mp i n g u n i t s y s t e m l i k e l o w e ffi c i e n c y， g r e a t p o we r c o n s u mp t i o n a n d l a r g e e q u i p me n t we i g h t ，a l o n g s t r o k e h y d r a u l i c a l l y b a l a n c e d p u mp i n g u n i t i s d e s i g n e d ． T h e d e - s i g n e d p u mp i n g u n i t a c h i e v e s r e c i p r o c a t i n g l i n e a r mo t i o n o f t h e fle x i b l e s u c k e r r o d t h r o u g h i n t e l l i g e n t l y c o n t r o l l e d no t o r r e v e r s i n g ． T h e r e v e r s i b l e h y d r a u l i c mo t o r c o u l d a c h i e v e e n e r g y s t o r a g e a n d r e l e a s e， b a l a n c e t h e p o l i s he d r o d l o a d， t h u s s i mp l i f y i ng t h e s t r u c t u r e o f p u mp i n g u n i t a n d r e d u c i n g t h e t o t a l e n e r gy c o n s u mp t i o n o f t h e s y s t e m． F i e l d t e s t r e s u l t s s h o w t h a t ，c o mp a r e d w i t h t h e c o n v e n t i o n a l b e a m p u mp i n g u n i t ，t h e l o n g s t r o k e h y d r a u l i c a l l y b a l a n c e d p u mp i n g u n i t c o u l d p r o v i d e a v e r a g e e n e r g y s a v i n g r a t e o f 2 5％ ， i n c r e a s i n g t h e p u mp e f f i c i e n c y f r o m 5 0％ t o mo r e t h a n 7 0％ ． Ke y wo r d s p ump i n g u n i t ； l o n g s t r o k e； h y d r a u l i c b a l a n c e； i n t e l l i g e n t c o n t r o l ； p o l i s he d r o d l o a d； h i g h e f - f i c i e n c y a nd e n e r g y s a v i n g 0 引 言 常规游梁式抽油机系统存在泵效低 、单井产液 量低、系统效率低、能耗高 以及设备质量大等 问题 ，这些问题严重影响了油 田的经济高效和节能 降耗开发。为了解决以上问题 ，笔者设计 了一种长 冲程液压平衡抽油 机。该抽油机 采用液压平衡方 式 ，与常规抽油机相 比，它的稳定性好 、效率高 、 载荷平稳。抽油机系统采用智能控制的电机转向来 实现柔性抽油杆 的往复直线运动，利用双向液压马 达可换向实现能量 的储存与释放 ，实现抽油机上 、 下冲程的转换 。在此基础上 ，开发 了液力 自密封技 术 ，该密封液压平衡在活塞 向下运动 的过程 中，活 塞下面的液压油经过液压马达输送到活塞上部，活 塞向上运动的过程 中，上部的液压油经过液压马达 输送到活塞下部 ，往复循环。在活塞运 动过程 中， 活塞与缸体的密封段通过液压油得到 良好润滑。这 样的设计不仅简化 了设备结构 ，节约了系统的总能 耗 ，并且双向液压马达机械效率高、漏失少 ，提高 了系统的抽油效率。此外，笔者还设计了抽油机系 统控制方案，根据抽油机电机控制原理设计 了开关 安装及换 向动作 ，考虑到系统的安全平稳运行要求 ， 另外安装了2个行程开关用于停止工作时保护抽油 杆。上、下行程开关在检测到碰撞时，都会使变频 器停车，系统停止提升作业 ，达到安全生产的 目的。 目前 ，第 1台样机 已在吉林油田试制成功 ，性 能测试和整机运转试验结果表明，该液压抽油机达 2 0 1 5年 第4 3卷第6期 梁宏宝等长冲程液压平衡抽油机的研究与设计 一 1 1 5一 K M1 主触头吸合 ，正转控制 电路接 通，电机开始 正向加速 ，加速 上行到接近开关 B点 时 ，P L C的 开关量输 出控制变频器的 D I 1 0，D I 21以恒速 1运行 ，恒速 1可以通过变频器的 1 2 0 2参数修改。 从接近开关 B点 ，抽油杆继续 向上匀 速提升 ，当 提升到接近开关 A时 ，P L C控制 输出使变频器 的 D I 1 0 ，D I 20 ，释放恒速模式 ；电机开始减速 ， 减速运行到 S Q 2 ，继续重复上面的过程。 L1 断 L 2 冀 。 图 3 长 冲 程 液 压 平 衡 抽 油机 电机 控 制 原 理 F i g ． 3 Mo t o r c o n t r o l p r i n c i p l e o f l o n g s t r o k e h y d r a u l i c a l l y b Ma n c e d p u mp i n g u n i t 1 ． 5 抽油泵泵筒设计 抽油泵采用直径为 5 6 m m管式泵 ，柱塞 为常 规柱塞 ，泵筒采用对接组合式泵筒。 目前 的管式抽 油泵泵筒均制作为整筒式 ，在使用过程中，大量深 井泵往往因泵筒 内孑 L 下部拉伤或磨损严重而导致泵 效降低 ，同时考虑到冲程为 1 0 0 m，整筒式泵筒长 度较大，加工难度大 ，修复困难且费用高。为了达 到 1 0 0 m冲程 ，采用泵筒对接方式 ，泵筒共 1 3节 ， 每节 8 m，共 1 0 4 m。每 2节之间采用泵筒接箍连 接。该组合方式与整筒式泵具有相同的抽汲功能和 良好的密封性 ，且易于更换 。利用该组合方式可以 大大提高泵筒利用率 ，又可降低修复成本 。 1 ． 6 杆柱组合设计 抽油机下冲程过程中，由于抽油杆为柔性抽油 杆 ，下冲程可能受 阻 ，所 以在抽 油泵的上方加有 2 0 0 m加重杆 ，使下冲程顺利完成。同时 ，也可以 提高有效冲程 ，从 而提高泵效。杆柱组合形式为 1 9 m m钢丝绳杆 1 5 0 0 m 1 9 mm常规钢杆 x 2 0 0 m 2 系统计算 2 ． 1 技 术指 标 抽油 机 的最 大 冲程 1 0 0 m，最 大 冲次 0 ． 1 5 ml‘ n ～ ，悬点最大载荷为 5 4 k N。 2 ． 2 运动载荷分析 2 ． 2 ． 1 上冲程载荷计算 在上冲程运行 的过程中，电机正转经过减速器 带动卷筒转 动，同时带动液 压马达转动 ，液压缸 内，下腔室的液压油流动到上腔室 ，液压缸 内的配 重块下行 ，释放重力势能 ，释放的能量经液压马达 传给卷筒 ，协 同电机驱动卷筒提升悬点载荷。在上 冲程时 ，悬点 的静载荷 _ 8 计算如下 P上 杆 g M 油 g M压 g p 杆g p 油g S一 ／ -杆 L J9 油g h S ／ _杆 p 杆一 P 油 gS 一h p 油gG 杆G 油 1 式中，p 杆为柔性抽油杆的密度 ，k g ／ m ；p 油为原油 密度 ，k g ／ m ； 为柔性抽油杆 的截面积 ，m ；S 为柱塞的面积 ，m 。 ；L为下泵深度 ，i n ；h为泵的 沉没度 ，m；M杆 为柔性抽 油杆 的质量 ，k g ；M油 为油柱 的质量 ，k g ；M加为加重杆 质量 ，k g ；G 杆 为抽油杆柱在油 中重力 ，N；G 油 为断面积等于柱 塞面积的油柱重 ，N。 柔性抽油杆直径 1 9 m m，长度 为 1 5 0 0 m，密 度为 2 1 0 0 k g ／ m ，加重杆直径为 1 9 mm，密度为 7 5 0 0 k g ／ m ，长 度 为 2 0 0 m，抽 油 泵 直 径 为 5 6 m m，柱 塞 直 径 5 0 ． 8 m m，油 的 密 度 P 油 9 1 2 k g ／ m ，因此油 的质量为 油 油 D 一|D H 3 9 5 0 k g 2 式中，D柱为柱塞直 径 ，m m；D 抽为抽油杆直 径 ， m m；H为泵挂深度 ，m。 G 杆 9 ． 8 1一P l ／ _p i A {P j L i 9 ． 8 1～P l ／ o A r p L 3 式中，P 为油的密度 ，k m 。 ；P 为加重杆的密度 ， k m。 ；A ； 为加重杆的横截面积 ，m ；L 为加重杆 长度 ，m；A 为刚丝绳抽油杆横截面积 ，m ；P 为 钢丝绳抽油杆 的密度 ，k s ／ m。 ；L 为钢丝绳抽油杆 的长度 ，m。 由式 2 得 G 油3 5 ． 2 0 k N。计算得 G 杆 1 1 ． 6 8 k N。柔性抽油杆段与液体之间的摩擦力为 F 2 “ r r r ／ L f r m 4 m 5 式中，卵为液体的动力黏度 ，P a s ； 为抽油杆速 度 ，m ／ s ； 为无 量纲修正 系数 ；m ，d 6 2 a mm ， d 1 9 mm。 加重杆段与液体之 间的摩擦力为 F j 2 ,r rr ／ L m 6