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２０１５年第４４卷第１０期第９２页石油矿场机械犗犐犔 犉犐犈犔犇 犈犙犝犐犘犕犈犖犜 ２０１５，４４（１０）：９２９４文章编号：１００１３４８２（２０１５）１０００９２０３抽油机机械式软启动装置研制与应用剪树旭（辽河油田分公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦１２４０１０）摘要：介绍了抽油机机械式软启动装置的结构原理、技术参数及实现功能。该装置在一定程度上解决了抽油机电动机存在着启动电流大、运转不平稳、耗电量大等问题。现场应用表明：该装置改善了电机启动性能，可采用比常规低５～１５ｋＷ的电机，同时也改善了传动系统的软特性。该装置是机械装置，不产生高次谐波污染电网，安装简单，工作可靠，维护容易，使用寿命长。关键词：抽油机；软启动；节能中图分类号：ＴＥ９３３．１ 文献标识码：Ｂ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３４８２．２０１５．１０．０２３犇犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犪狀犱犃狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀狅犳犕犲犮犺犪狀犻犮犪犾犛狅犳狋犛狋犪狉狋犇犲狏犻犮犲犳狅狉犘狌犿狆犻狀犵犝狀犻狋ＪＩＡＮＳｈｕｘｕ（犇狉犻犾犾犻狀犵犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犚犲狊犲犪狉犮犺犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犔犻犪狅犺犲犗犻犾犳犻犲犾犱犅狉犪狀犮犺，犘犪狀犼犻狀１２４０１０，犆犺犻狀犪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪） 这１１口井中，漂浮工具的普遍接入位置在水平段总长度的７０％～１００％区间，在此区间大钩载荷显示正常，套管下入稳定，未发生遇阻情况，证明了漂浮下套管技术可以解决长水平段下套管作业中套管摩阻大，套管下入困难的问题。２．２ 现场使用案例双平１０井设计井深２４７５ｍ，设计入井深１７７３ｍ，设计水平段长度７００ｍ，实际井深２３６０ｍ，实际入窗井深１７６３ｍ，实际水平段长度５９７ｍ。设计套管下深２３５５ｍ，设计阻位２３３２～２３３４ｍ，设计短位１７１５～１７２５ｍ，套管实际下深２３５４．９５ｍ，实际阻位２３３３．４０ｍ，实际短位１７１８．４５～１７２０．７１ｍ，漂浮工具位置按要求下深为１８１１．２０～１８１１．８６ｍ，在入窗点以下４８．０２ｍ。该井下套管作业中分段摩阻统计情况如表２所示。表２ 双平１０井井下套管作业中分段摩阻统计套管下深／ｍ套管悬重／ｋＮ下放悬重／ｋＮ摩阻／ｋＮ１７９０．９９１８０１４０～１５０３０～４０２０１２．７９１９０１２０～１３０６０～７０２３５４．９５２１０８０～９０１２０～１３０ 由表２可知：在直井段时，套管摩擦阻力小，能够依靠自重完成套管下放作业；进入水平段后，套管摩阻急剧增大，严重影响作业。使用漂浮下套管技术，使下放悬重能够达到８０～９０ｋＮ，为套管自重的４０％左右，可以保证套管顺利下入。３ 结论１） 漂浮下套管技术能够有效减小井壁对套管的摩阻，减小长水平段水平井下套管遇阻现象。２） 漂浮工具的安装位置计算需理论与实际相结合，计算方式仍有优化空间。３） 漂浮下套管作业在排空气体阶段存在一定的井控风险，在井控风险较大地区慎重使用。参考文献：［１］ 纪博，姜冠楠，于小波．水平井漂浮短接的设计与探讨［Ｊ］．西部探矿工程，２０１３（２）：９３９５．［２］ 李维，李黔．大位移水平井下套管漂浮接箍安放位置优化分析［Ｊ］．石油钻探技术，２００９，３７（３）：５３５６．［３］ 乔金中，丁柯宇，汤新国，等．漂浮下套管技术在大港油田埕海一区的应用［Ｊ］．石油矿场机械，２００９，３８（１２）：７８８２． 收稿日期：２０１５０４２１ 作者简介：剪树旭（１９７４），男，辽宁盘锦人，工程师，主要从事油田采油工具技术研发工作，Ｅｍａｉｌ：ｊｓｘｂｏｙ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｏｆｔｓｔａｒｔｄｅｖｉｃｅ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｓｏｌｖｅｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｅｘｉｓｔｉｎｐｕｍｐｍｏｔｏｒ，ｓｕｃｈａｓｈｉｇｈｍｏｔｏｒｓｔａｒｔｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｕｎｓｍｏｏｔｈｒｕｎ，ｗｈｉｃｈａｒｅｌａｒｇｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｆｉｅｌｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｄｅｖｉｃｅｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｍｏｔｏｒｓｔａｒｔｕｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｂｏｕｔ５～１５ｋＷｌｅｓｓｔｈａｎｐｒｅｖｉｏｕｓｍｏｔｏｒ，ａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｉｓａｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｖｉｃｅ，ｎｏｈｉｇｈｅｒｈａｒｍｏｎｉｃｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｐｏｗｅｒｇｒｉｄｐｒｏｄｕｃｅ；ｅａｓｙｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｒｅｌｉａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｅａｓｙｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ａｎｄｌｏｎｇｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｐｕｍｐｉｎｇｕｎｉｔ；ｓｏｆｔｓｔａｒｔ；ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ 目前国内各油田提升原油的主要设备大多采用抽油机，其在使用过程中要克服抽油杆柱和液柱的重力及传动系统的各种载荷。为了能顺利启动，需要匹配比稳定运转所需功率大得多的电动机，但启动完毕进入稳定运转后所匹配的功率又远大于所需功率，造成“大马拉小车”［１］的状况，为此研制出抽油机机械式软启动装置。该装置零部件少，结构紧凑，安装调整方便，资金投入小，实现了电机的小电流启动，具有运转平稳，节电并可明显改善电网运行质量［２］；也实现了对电机和皮带过载保护的功能，防止电机和皮带被烧损［３］。１ 结构及原理１．１ 结构抽油机机械式软启动装置的结构如图１所示。１—轴承端盖；２—端盖螺钉；３—圆锥滚子轴承；４—扶正球轴承；５—隔套；６—皮带轮（右端为壳体）；７—电机主轴；８—铸造叶轮；９—键；１０—添加阻挡盘固定螺钉；１１—添加阻挡盘；１２—钢球。图１ 抽油机机械式软启动装置结构１．２ 原理１．２．１ 技术分析该装置力传导媒介为钢球，将其置于皮带轮右端的壳体与铸造叶轮所形成的６个空间内。钢球所受离心力［４］为犉＝４π２犿狀２狉（１）式中：犿为钢球质量，ｋｇ；狀为电机轴转速，ｒ／ｍｉｎ；狉为钢球体离心运动半径，ｍ。钢球与壳体内圆柱面间摩擦转矩［４］为犜＝犳犉犚＝４π２犳犿狀２狉犚（２）式中：犳为钢球与壳体内圆柱面间摩擦因数；犚为壳体内圆柱面的半径。由摩擦转矩公式可知，装置皮带轮所传递的摩擦转矩犜与壳体内圆柱面的半径犚及钢球的质量犿成一次方正比，与电机轴转速狀成二次方正比。因此，在电机转速和装置外形尺寸确定的情况下，可通过充填不同数量的钢球产生不同的转矩来适应抽油机各种工作制度。同样也可设计壳体内圆柱面的不同半径尺寸产生不同的转矩来适应抽油机各种工作制度。１．２．２ 工作原理将直径为１～５ｍｍ的铬钢钢球置于皮带轮右端的壳体与铸造叶轮所形成的６个空间内，并按比例加入定量的丹粉以增加钢球间的摩阻，铸造叶轮与电机主轴为过盈配合连接，通过键传递电机主轴的动力，电机主轴与铸造叶轮同步进行旋转。铸造叶轮推动６个空间内钢球进行旋转，钢球可自身无序滚动并与皮带轮右端的壳体内圆柱面产生滑动，此时摩擦转矩为滑动摩擦转矩。因此电机轴所需功率仅用于克服滑动摩擦转矩，此转矩值较小，电动机近似于空载启动。随着电机轴转速增高，钢球所受离心力亦随之增加，此离心力导致钢球与壳体内圆柱面间摩擦转矩亦随之增大，壳体与铸造叶轮以钢球为力传导媒介，转速逐渐趋于一致，最终叶轮与壳体之间不存在转速差，为同步运行状态［４］。从启动到皮带轮与电动机主轴达到同步转速所需时间一般不超过数秒，皮带轮是平缓的等加速启动，实现了电动机的软启动。当钢球与壳体内圆柱面间摩擦转矩小于抽油机负荷所产生的阻力矩时，钢球与壳体内圆柱面重新处于滑动状态，防止皮带、电动机的烧损，实现了抽油机的过载保护［５６］。主要技术参数［７］如表１。·３９· 第４４卷 第１０期 剪树旭：抽油机机械式软启动装置的研制与应用表１ 主要技术参数各种转速下所传递功率／ｋＷ６００ｒ／ｍｉｎ７５０ｒ／ｍｉｎ１０００ｒ／ｍｉｎ最大外径／ｍｍ２０２５６０２７０２３４６１１０３１０４５９５２４０３５０２ 实现功能１） 具有空载启动的功能。电动机启动时，皮带轮右端壳体内圆柱面与钢球处于滑动状态，电机主轴空转，随着电机轴转速提高，装置上的皮带轮可实现与电机主轴速度的同步。２） 具有过载保护的功能。当钢球与壳体内圆柱面间摩擦转矩小于抽油机负荷所产生的阻力矩时，钢球与壳体内圆柱面重新处于滑动状态，限制了电机功率的增加，防止电机因堵转而导致的烧损。同时在此滑动状态下，亦可有效地防止皮带与皮带轮的打滑，防止皮带的烧损。３） 具有调节传递功率的功能。在不超过电机堵转转矩的前提下，通过放置不同数量的钢球以产生不同的转矩来适应抽油机的各种工作制度。４） 具有柔性缓冲及减振的功能。钢球相互间的弹性运动可吸收传动系统的振动，降低对整个系统的刚性冲击，起到柔性缓冲的作用，这一功能可有效延长抽油机系统的使用寿命。５） 具有降低能耗的功能。由于实现了电机的空载启动，启动电流微弱，因而可采用比常规低５～１５ｋＷ的电机。在设备正常运转时，该装置可以削弱峰值电流３～５Ａ。抽油机所用电动机功率一般为实际运行功率的２．５倍左右，使用该装置后可将电动机功率降为实际运行时所需功率的１．３～１．５倍，可达到节能的目的。６） 具有改善电网的功能。该装置为机械装置，不产生高次谐波，因而不会对电网产生污染，同其他节电装置相比更加安全可靠。７） 具有安装简单、工作可靠、维护容易、投资少、使用寿命长的特点。单人即可进行装置的拆装工作。３ 现场应用试验井为辽河油田高采采油一区的２４５５Ｃ２生产井，根据该井具体工况，并出于节约成本的考虑，现场采用的是４５ｋＷ电机，造成启动困难且运转时皮带易打滑，尤其是雨天，电机基本不运转。２０１２０８０６，安装了机械式软启动装置，选用３７ｋＷ电机，成功运转１ａ，该井后改捞油。装置运行期间取得的试验数据［８］如表２。表２ 机械式软启动装置在２４５５犆２井的试验数据参数名称数据来源测试数据及计算结果使用前使用后额定功率／ｋＷ统计４５３７有功功率／ｋＷ测试１２．７１０．５无功功率／ｋｖａｒ测试３１１３．６５功率因数测试０．３２０．５８产液量／（ｔ·ｄ－１）测试９．７９．７有功单耗节电率／％计算１７．０７无功单耗节电率／％计算５６．２３综合单耗节电率／％计算１５．０５冲次／ｍｉｎ－１测试２．５９２．５９最大载荷／ｋＮ测试７３．６７３．２最小载荷／ｋＮ测试２４．４２４．３平均电流／Ａ测试５１．５２３耗电量／（ｋＷ·ｈ）测试１３×６０１０×６０节电率／％计算（１３～１０）／１３×１００＝２３．１４ 结论１） 研制的机械式软启动装置较好地解决了抽油机电动机“大马拉小车”的状况。２） 该装置改善了电动机启动工况，启动电流可下降１／２～２／３，节电率１０％～２４％。３） 该装置可采用比常规低５～１５ｋＷ的电动机，因而可使设备投入减少。４） 现场施工工艺简单，为安全环保节能产品，具有较好的推广前景。参考文献：［１］ 王钊，秦英，李权，等．抽油机节能电机的应用分析［Ｊ］．石油矿场机械，２００７，３６（８）：５８６１．［２］ 金峰．抽油机加装超越离合器实现节能［Ｊ］．石油机械，１９９８，２６（６）：３４３６．［３］ 程学碧，应华素．节能安全联轴器在抽油机上的应用［Ｊ］．石油机械，２００７，３５（９）：１７２０．［４］ 田兴凯．提高氧化铝回转窑运转周期技术研究［Ｄ］．济南：山东大学，２００６．［５］ 成大先．机械设计手册：第２卷［Ｋ］．北京：化学工业出版社，２０１２．［６］ 成大先．机