CN1699726A - 游梁式抽油机井安装超越离合器的使用方法 - Google Patents

Abstract

一种游梁式抽油机井安装超越离合器的使用方法，该方法包括下述步骤：(1)、用式(2)求出未安装超越离合器之前的曲柄平衡块重心在曲柄上的位置R₁，例复合平衡为式（2），(2)、用式(1)求出安装超越离合器之后的曲柄平衡块重心外调距离ΔR，即可得到安装超越离合器之后的曲柄平衡块重心在曲柄上的位置R₂，式（1），(3)、将曲柄平衡块重心调整到R₂位置。通过本发明的方法可以对安装超越离合器抽油井进行增产、节能。

Description

游梁式抽油机井安装超越离合器的使用方法

技术领域

本发明涉及一种游梁式抽油机井安装超越离合器的使用方法。

背景技术

在油田采油中采用有杆泵采油，有关有杆泵采油在《采油技术手册》(修订本)第四分册(石油工业出版社出版、2002年北京第五次印刷)(以下简称采油技术手册四分册)中已有记载，其设备为有杆泵抽油***，如图4所示，是由抽油机1、抽油杆12、抽油泵13组成，工作中，通过下入井中的抽油杆12带动抽油泵13(又称深井泵)柱塞上、下往复运动，将井液抽涉地面。目前，常用的抽油机为常规型游梁式抽油机，如图5所示，游梁式抽油机的工作过程是由动力机2(通常为电动机或柴油机、天然气发动机)经传动皮带将高速旋转运动传递给减速器4，经三轴两级减速后，由曲柄连杆机构将旋转运动变为游梁16的上、下的摆动。挂在驴头18上的悬绳器19通过抽油杆带动抽油泵柱塞上、下往复运动，将井液抽涉地面。其中，曲柄连杆机构是由曲柄8、连杆6组成，并在曲柄8上装有曲柄平衡块11。

以前，在游梁式抽油机上是不安装超越离合器的；后来，在游梁式抽油机上，即减速器4的皮带轮3或动力机2的皮带轮上安装超越离合器又已有多年，但是其使用的效果不是很理想。从2000年起在三个油田使用已三年多了，其效果是有的井增产、节能，有的井并不能增产、节能，既便是增产、节能，其幅度大小不一，这里面的原因有三点：

①对安装超越离合器抽油井上冲程变快，下冲程变慢原因不知。

②平衡概念变化未有，调不调平衡未有定性、定量计算式，因此，安装超越离合器后，并未采取相应的措施。

③由上述二点造成增产节能原因模糊。

因此，在游梁式抽油机井安装超越离合器后，并不知道如何使用、调节，进一步也不能有目的地对安装超越离合器抽油井进行增产、节能。

发明内容

本发明的目的是提供一种游梁式抽油机井安装超越离合器的使用方法，通过本发明的方法可以对安装超越离合器抽油井进行增产、节能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

技术方案1：一种游梁式抽油机井安装超越离合器的使用方法，该方法是在游梁式抽油机井还未安装超越离合器的情况下，所进行安装超越离合器并进行调节曲柄平衡块重心的方法，该方法包括下述步骤：

(1)、用式(2)求出未安装超越离合器之前的曲柄平衡块重心在曲柄上的位置R₁：

在式(2)中：

R₁：未装超越离合器而平衡工作的抽油机平衡半径m；

P_杆液：抽油杆柱在液体中重力，N；

P_活液：作用在活塞截面积以上的负荷，N；

B：抽油机悬点不平衡值，N，查采油技术手册四分册表1-14可查出；

a：游梁式抽油机的前臂长，m；

b：游梁式抽油机的后臂长，m；

c：游梁平衡重重心距支架支点的距离，m；

g：重力加速度，9.8m/s²

r：曲柄旋转半径，m；

W_曲平：曲柄平衡重的质量，kg；

R_曲柄：曲柄重心到曲柄轴中心距离，m；

W_曲柄：曲柄的质量(两块)，kg；

W_游：游梁平衡重的质量，kg。

其中，r、B、R_曲柄、W_曲柄、W_曲平、W_游、a、b、c可根据抽油机型号查采油技术手册四分册得出；

P_杆液可通过下述式(4)、(5)、(6)得出：

P_杆液＝P_杆空·b                                                             〔4〕

P_杆空＝q_杆空·L_杆                                                          〔5〕

r液＝rw Fw+r₀(1-Fw)                                                         〔8)

在式(4)、(5)、(6)、(8)中：

P_杆空：抽油杆柱在空气中重力，N；

q_杆空：每米抽油杆在空气中重力，N/m；

L_杆：抽油杆柱长，m；

r_液：抽油井中液体的比重；

rw：抽油井中水的比重；

r₀：抽油井中原油的比重；

r_杆：抽油杆钢材的比重；

Fw：抽油井产液的质量含水百分数，％；

b：抽油杆柱在抽油井液体中的失重系数；

其中，q_杆空查采油技术手册四分册得出，L_杆由抽油井井下杆柱资料可查到，通过式(5)得到P_杆空；

rw、Fw、r₀可现场实测得出，通过式(8)得到r液；r_杆是钢材的比重，手册中均能查到，这样通过通过式(6)得到b；

通过式(4)得到P_杆液；

P_活液可通过下述式(9)得出：

式(9)中：

F_活：抽油泵活塞横截面积，m²；

L_f：抽油井动液面深度，m；

ρ_液；抽油井液体的密度，Kg/m³；

Pt；抽油井井口油压，MPa；

Pc；抽油井井口套压，MPa；

rg：抽油井天然气比重；

(2)、安装超越离合器，用式(1)求出安装超越离合器之后的曲柄平衡块重心外调距离ΔR，即可得到安装超越离合器之后的曲柄平衡块重心在曲柄上的位置R₂，

式(1)中：

ΔR：达到极限时的外调位移，m；

P_活液：作用在活塞截面积以上的负荷，N；

a：游梁式抽油机的前臂长，m；

b：游梁式抽油机的后臂长，m；

g：重力加速度，9.8m/s²

r：曲柄旋转半径，m；

再用式R₂＝R₁+ΔR即可得到安装超越离合器之后的曲柄平衡块重心在曲柄上的位置R₂；

(3)、将曲柄平衡块重心调整到R₂位置。

其中，现场实际操作中，有摩擦、振动、惯性负荷因素的影响，及计算与实测的差别，所以，所述的ΔR应有±ΔR10％的实际调节偏差。

在调整好曲柄平衡块后就可以进行抽油机井工作了。本发明中的式(2)是建立在未安装超越离合器时平衡工作状态的基础上得到的平衡公式；式(1)是通过R₂得到的，即ΔR＝R₂-R₁，有关R₂的平衡公式是建立在安装超越离合器时平衡工作状态的基础上得到的。

有关未安装超越离合器和安装超越离合器后的平衡计算如下：

(1)未安装超越离合器，抽油机的平衡计算

 ①作功关系

上冲程：A_上电对悬+A_上重对悬＝A_上悬对杆          (21)

下冲程：A_下悬对重+A_下电对重＝A_下重储

        A_上重对悬＝A_上重释＝A_下重储＝A_重位

本申请的公式所有参数均采用现场实用工程单位。

式中：A_上电对悬-上冲程电动机对悬点作功；

      A_上重对悬-上冲程平衡重对悬点作功；

      A_上悬对杆-上冲程悬点对抽油杆柱作功；

      A_下悬对重-下冲程悬点对平衡重作功；

      A_下电对重-下冲程电动机对平衡重作功；

      A_下重储-下冲程平衡重储存的能量；

      A_上重释-上冲程平衡重释放的能量；

      A_重位-平衡重的位能

由上述得：A_重位 上A_上悬对杆-A_上电对悬

                下A_下悬对重+A_下电对重

A_上悬对杆＝(P_杆液+P_活液)·S

A_下悬对重＝P_杆液·S

∴A_重储 下P_杆液·S+A_下电对重

         上A_上悬对杆-A_上电对悬

        ＝(P_杆液+P_活液)·S-A_上电对悬          (28)

A_电＝A_下电对重＝A_上电对悬                      (29)

将(29)代入(28)：2A_电＝(P_杆液+P_活液)·S-P_杆液·S

                ＝P_活液·S

             A_电＝1/2P_活液·S

由(28)：A_重位＝(P_杆液+1/2P_活液)·S

             ＝P_均·S

②平衡公式(以复合平衡为例)

A_重位＝2R₁·W_曲平+2R_柄·W_曲柄+(W_游+X_复)·Sc

     ＝P_均·S

或是

其中，公式(2)’为教科书上原始推导式；公式(2)为采油技术手册四分册上公式上形式。

式中：P_杆液-抽油杆柱在液体中的重力；

      P_活液-活塞截面积以上的液柱负荷；

      S-抽油机悬点冲程；

      A_电-电动机作功；

      P_均-悬点在一个冲次的平均重力；

      R₁-平衡块重心在曲柄上的位置；

      W_曲平-曲柄平衡重的重力；

      R_柄-曲柄重心的半径；

      W_游-游梁平衡重的重力；

X_复-复合平衡抽油机本身折算在游梁尾部的不平衡值，可查抽油机使用说明书或采油技术手册四分册；

B-抽油机悬点不平衡值，查采油技术手册四分册表1-14求得；

Sc-游梁平衡重的重心上下移动的距离；

a-游梁前臂长

b-游梁后臂长；

r-曲柄销子所处位置；

c-游梁平衡重重心距支架支点的距离；

g-重力加速度。

(2)安装超越离合器后抽油机的平衡

①作功关系

对于安装有超越离合器的抽油机井，要求上快下慢，在极限条件下，电动机在上冲程不作功，而在下冲程作抽油机悬点在一个冲次作的静功P活液·S，因此与未安装超越离合器抽油机井的作功关系区别式是：

上冲程：A_上重对悬＝A_上悬对杆                  (21)’

由(21)’与(21)式区别，导致结论式区别如下：

A_下电对重＝P_活液·S                           (20)’

A_重位＝P_杆液·S+P_活液·S                    (21)’

上述(20)’式表明：安装有超越离合器的抽油机井，电动机只在下冲程对平衡重作功，且等于抽油机井悬点在一个冲次作功P_活液·S

上述(21)’式表明安装有超越离合器的抽油机井平衡重所具有的位能增大了，其增加值为1/2P_活液·S

②平衡公式(以复合平衡为例)

此时平衡公式为：

由(3)式知，安装超越离合器后的极限平衡半径为R₂，它比未安装超越离合器时的平衡半径R₁大，即差值ΔR＝R₂-R₁

由(1)式说明，若原先未安装超越离合器的抽油机井是平衡的，现在安装超越离合器后，要使抽油机井上快下慢，其曲柄平衡块应向曲柄外调的极限位移ΔR值计算式。

式中R₂-安装超越离合器抽油井上快下慢达到极限时曲柄平衡块应装的位置；

ΔR-在平衡的抽油机井上安装超越离合器后，使上快下慢达到极限时，曲柄平衡块外调的极限位移。

在未安装超越离合器时，抽油机井在一个冲次中，在上冲程电动机作的功等于电动机在下冲程作的功，此时抽油机处于平衡工作状态。在平衡工作状态时，抽油机的上冲程悬点上行速度与其下冲程下行相应的速度是相同的。在游梁式抽油机井安装超越离合器后，应该是有目的是使抽油机井在上冲程上行速度比平衡的抽油机井上行速度变快，而其在下冲程的下行速度变慢，从而实现抽油机井增产节能，最大程度地减小抽油杆柱下行时的纵向弯曲，减小抽油杆的磨损损坏。由于在以前的游梁式抽油机井安装超越离合器后的使用过程中，并不懂得安装超越离合器后抽油机井的平衡概念，因此，并未采取相应的措施。本发明为了实现安装离合器的抽油机井上冲程变快，下冲程变慢，采取的措施是把平衡工作的抽油机的曲柄平衡块往曲柄外推，即增大平衡半径R。在上冲程时增大曲柄平衡重释放的位能，相应减小电动机的阻力转矩，使电动机的转速加快，当在曲柄平衡块释放的位能作用下使曲柄的转速大于电动机作用曲柄的转速时(叫反超越)，离合器脱开，电动机不再作功，此时对应的曲柄转角叫脱开角。显然，此种情况下上冲程的速度加快了。由于离合器脱开，曲柄平衡重释放的位能只用于拖动悬点负荷上行，而不再使电动机成为发电机，这是与未装超越离合器抽油机井的根本区别。所以超越离合器脱开后，电动机不可能作为发电机阻止悬点加快上行。在下冲程时，曲柄平衡重在其惯性力的作用下跨过下死点开始上行，由于曲柄平衡半径增大了，相应增大了曲柄平衡重储存的位能，靠抽油杆柱的重力拖动曲柄平衡重向上转所需要的力远不够，因此曲柄转动，速度变慢，当其小于电动机作用于曲柄转速时(叫正超越)超越离合器合拢电动机作功参与拖动曲柄平衡重上行，此时对应曲柄的转角叫合拢角。由于前述电动机在上冲程作功变小了，所以电动机在下冲程作功变大了。电动机的阻力转矩变大，其转速下降，下冲程变慢，由于转差率变化幅度小，所以下冲程变慢程度小。由于电动机在一个冲次克服悬点静负荷作功是P_活液·S是不变的。因此，在极限情况下，电动机在上冲程作功为零。而在下冲程作功为P_活液·S，此时作用于电动机的阻力转矩不应超过电动机允许超载时输出转矩，否则电动机停止转动。因此，曲柄平衡块外调半径R应有一个极限值。

综上所述，安装超越离合器的抽油机井实现上快下慢的目的，措施是把未安装超越离合器的平衡工作抽油机井的曲柄平衡重外调，调整的极限是电动机在上冲程不作功，而在下冲程负出悬点一个冲次所需的静功。相应通过计算的方法求出极限外调距离ΔR。

由于安装超越离合器后的抽油机井悬点上行速度加快的程度大于悬点下行减慢的程度。所以一个冲次的平均速度变快了，导致抽油机井的冲数n增加了。由于各个井的情况不同，如抽油井的工作制度(L、D、S、n)，流体物性，油井产量、抽油设备的质量等不同，曲柄平衡重外调半径ΔR不同，所以各井上快下慢的程度不同，所以各井的增产节能也不会相同。

由于采油现场大多数是在已工作的抽油机井安装超越离合器，之后再调平衡，这样可以采取下述技术方案2。

技术方案2：一种游梁式抽油机井安装超越离合器的使用方法，该方法是在游梁式抽油机井已安装超越离合器的情况下，进行调节曲柄平衡块重心的方法，该方法包括下述步骤：

(1)、用式(1)求出安装超越离合器的曲柄平衡块重心应外调距离ΔR，

式(1)中：

ΔR：达到极限时的外调位移，m；

P_活液：作用在活塞截面积以上的负荷，N；

a：游梁式抽油机的前臂长，m；

b：游梁式抽油机的后臂长，m；

g：重力加速度，9.8m/s²

r：曲柄旋转半径，m；

(2)、在外调曲柄平衡块重心距离ΔR之前，先检查曲柄平衡块向外移的余量，若不足，则把其余平衡块装在零刻度，之后测上、下冲程最大电流值；若I_上＝I_下，则根据计算出的ΔR值把曲柄平衡块重心向外移动ΔR值，

若I_上≠I_下，则根据《采油技术手册》修订本第四分册第289页公式(2-39)求出达到平衡时(I_上＝I_下)平衡块应移动的位移m，之后求出ΔR_实＝ΔR+m值，即为曲柄平衡块重心移动的位移，

式中：W_曲平-用来进行调节的曲柄平衡重的质量，t；

m-使抽油机达到平衡，用来进行调节的曲柄平衡重应移动的距离，cm；

ρ_液-抽油井液体的密度，kg/m³；

F-柱塞横截面积，m²；

L-下泵深度，m；

f_杆当-抽油杆柱的当量断面面积，m²；

I_上、I_下-上、下冲程电机输入的最大电流，A，

q_杆当-每米当量抽油杆柱的质量，kg/m；

(3)、按照I_上＝I_下的情况下，将曲柄平衡块重心外移动ΔR值；按照I_上≠I_下的情况下，将曲柄平衡块重心外移动ΔR_实＝ΔR+m值。

其中，现场实际操作中，有摩擦、振动、惯性负荷因素的影响，及计算与实测的差别和实测电流时的误差，所以，所述的ΔR应有±ΔR10％的实际调节偏差；或是，所述的ΔR_实应有±ΔR_实10％的实际调节偏差。

下面，就三相异步电动机在安装有超越离合器后的抽油井上冲程变快，下冲程变慢的机械特性进行分析。

三相异步电动机的固有机械特性曲线如图1所示，此图摘自石油工业出版社出版的高敬德编者编的中等专业学校教学用书《电机及电力拖动》第234页。在下冲程未开始上冲程时，曲柄平衡块从曲柄处于最上位置的转角0°顺时针向下转动时，由前述平衡概念的分析与计算可知，增大了位能的曲柄平衡重随着曲柄向下转动角度的增大，加速释放位能用于拖动悬点上行速度加快，当加速释放曲柄平衡重的位能使曲柄转动的速度超过电动机作用曲柄转动的速度时(叫反超越)超越离合器脱开，电动机不再对抽油机作功。此时曲柄的转角a叫脱开角，如图2所示。在这过程中，电动机的阻力转矩逐渐减小，转差率逐渐减小，转速增高接近同步转速，电动机的工作点由异步电动机的固有机械特性曲线的BO段向O点靠近。BO段为异步电动机的稳定工作段。由于超越离合器脱开，曲柄的高速转动不会反拖电动机而使电动机变为发电机，而又反过来阻止曲柄的高速转动，这是与未装超越离合器的抽油机井的根本区别。因此上冲程的上行速度加快的程度远大于只调节曲柄的平衡而未装超越离合器抽油井上行加快的程度。

在接近上冲程末时，由于曲柄平衡重释放的位能速度逐渐减小，使曲柄转速逐渐降低，但在曲柄平衡重惯性力的作用下，使悬点越过上死点开始下行，由前述可知，由于增加了平衡半径的曲柄平衡重由下死点开始向上转动，此时离合器还处脱开状态，光靠悬点负荷拖动曲柄平衡重向上转动是不够的，因此曲柄转速迅速下降，当低于电动机作用于曲柄的转速时(叫超越)，超越离合器合拢，电动机作功。超越离合器合拢时的曲柄转角β叫合拢角，如图2所示。由于曲柄平衡重向曲柄外调，因此作用于电动机的阻力转矩比未装离合器的抽油机井电动机下冲程时的阻力转矩要大，这时在三相异步电动机固有机械特性曲线的工作点向B点移动，转差率增加，转速下降，因此抽油机井下冲程速度变慢。由于三相异步电动机在稳定运行BO段的转差率变化小。因此下冲程变慢的程度要小于上冲程增快的程度，抽油机悬点一个冲次的平均速度加快，所以抽油机的冲数要增加。

前述计算公式得的曲柄平衡重向外调的极限位移ΔR，还应受到三相异步电动机额定转矩的限制，才能保证电动机长期安全，稳定的运行。

下面，就抽油机井安装超越离合器后油井增产，电动机耗能减小的原因进行分析。

1、产量增加分析

(1)漏失因素分析

①活塞与工作筒间隙漏失

安装超越离合器，由于上冲程变快，漏失时间短了，从而减小了漏失量。

②凡尔漏失

A、排出凡尔漏失

若原排出凡尔有漏失，同理由于上冲程时间变短，漏失减小。

B、吸人凡尔漏失

由于下冲程变慢，使活塞在下冲程触及液面产生的油管突然卸载幅度减小，且变慢，引起油管振动减小，减小或消除吸人凡尔，由于油管振动使凡尔球与油管的运动不同步而瞬间打开的现象，减小吸凡尔漏失。

(2)气体影响

由于上冲程变快，进人泵筒中原油所含溶解气分离出的时间减短，从而减小气体分出量，增大上冲程吸人泵内的油量。

(3)惯性载荷影响

由于上冲程变快，使上冲程末的加速度变大，在惯性力的作用下，使活塞上冲程末时多走一段距离，增加了活塞有效冲程，增加了上冲程吸入泵筒内的液量，也相应增加了上冲程泵排人油管的液量。

(4)冲数的增加

前述分析，由于安装了超越离合器，同时又增加曲柄平衡重的平衡半径，使上冲程变快的程度大于下冲程变慢的程度，所以冲数增加，从而增加泵的实际排量。

(5)由于下冲程变慢，相应减小抽油杆柱的纵向弯曲，减小了由于纵向弯曲而减小了活塞有效冲程的影响。

由于上述五点在各抽油井不相同，所以各井增产幅度不同，为更好发挥各井增产能力，按本技术调整平衡，使在设备允许的情况下，上冲程增快的幅度，下冲程变慢的幅度加大，使油井增产幅度加大。

2、电动机耗能减小分析

前述平衡计算可知，由于悬点静负荷不变，所以无论抽油机安装，未安装超越离合器电动机在一个冲次克服悬点静负荷的功是相同的都是P活液·S，即理论示功图的面积。但考虑摩擦负荷，振动负荷和电动机的特性又要节能。

(1)摩擦负荷

由于作用于抽油杆柱上的摩擦力方向总是与抽油杆柱的运动方向相反，使电动机的能耗增大。由于安装了超越离合器，在超越离合器脱开后，电动机不再克服油井摩擦而耗能。上冲程变快，液体粘度下降(个别除外)减小上冲程摩擦，减小上冲程平衡释放位能用于克服摩阻的影响，而上冲程平衡重储存的有效位能是电动机在下冲程对平衡重作的功。

(2)振动消耗电动机能量减小

由于下冲程变慢，活塞下冲程触及液面引起抽油杆柱、油管柱的振动也减小，而振动的能量是电动机提供的，振动的能耗是以摩阻形式消耗的。

(3)由于电动机只集中在下冲程作功，作功时功率向满载时的功率接近，因此，功率因素和效率提高了。

附图说明

图1为异步电动机的固有机械特性曲线图

图2为安装超越离合器的抽油机井合拢角β脱开角α示意图

图3为L4-2114井调平衡前后实测示功图

图4为有杆泵抽油***示意图

图5为常规型游梁式抽油机结构示意图

具体实施方式

实施例：

大庆油田有限责任公司第六采油厂二矿210队L4-2114抽油井，有关数据如下：下泵深度L＝966.09m，泵径D＝57mm，使用中石油二机厂生产的CYJY10-4.2-53HB游梁式抽油机，冲程S＝3.6m，冲数n＝7r/min，光杆直径d光＝28mm，单级抽油杆柱长L_杆＝956.1m，杆径d_杆＝22mm，曲柄平衡块安装4块，油层中部深度H＝1167.2m，原油密度r₀＝866kg/m³，天然气比重r_g＝0.55-0.9，含水Fw＝90.9％，动液面深度L_f＝864m，井口油压Pt＝0.36MPa，套压Pc＝2.2MPa。

试对该抽油井安装超越离合器后按本申请的方法进行调平衡，并对调平衡前后效果表进行分析。

解：一、调平衡计算

(一)、计算公式

为了实现安装超越离合器后的抽油机井上冲程速度快，下冲程速度慢，采取的措施是把平衡工作的抽油机曲柄平衡块往外移，增大平衡半径，调整的极限是电动机在上冲程不作功，而在下冲程负出悬点一个冲次所需的静功P_活液×S，相应求出极限外调位移ΔR的计算式，

本抽油机为曲柄平衡：

式中：

ΔR：达到极限时的外调位移，m：

P_活液：作用在活塞截面积以上的负荷，N；

a：游梁式抽油机的前臂长，m；

b：游梁式抽油机的后臂长，m；

g：重力加速度，9.8m/s²

r：曲柄旋转半径，m；

W_曲平：曲柄平衡重的质量，kg。

未装超越离合器而平衡工作的抽油机平衡半径曲柄平衡的计算式：

为了实现抽油机上快下慢，达到极限时的平衡半径，对曲柄平衡为：

$R_2=R_1+\mathrm{\ΔR}$

式中R₁-未装超越离合器而平衡工作的抽油机平衡半径m；

R₂-已装超越离合器，调平衡达到极限时的平衡半径，m；

B-抽油机悬点不平衡值(可查采油技术手册四分册表1-14)，N；

P_杆液-抽油杆柱在液体中重力，N；

R_曲柄-曲柄重心到曲柄轴中心距离，m；

W_曲柄-曲柄的质量(两块)，kg

(二)求有关参数

1、查表

由抽油机型号(中石油二机厂生产的CYJY10-4.2-53HB)查采油技术手册第四分册第29页得：r＝955mm，B＝0，R_曲柄＝1024mm，W_曲柄＝2×1400＝2800kg，W_曲平=4×1350＝5400kg；查第46页得a＝4400mm，b＝5400mm。

2、求P_杆液、P_活液

(1)由抽汲参数通过计算公式求

P_杆液＝P_杆空·b                                                              (4)

P_杆空＝q_杆空·L_杆                                                           (5)

由d_杆＝22mm＝7/8”查表得q_杆空＝30.7N/mP_杆空＝q_杆空·L_杆＝30.7×966.09=29.66×10³N                                    (7)

r液=rwFw+r₀(1-Fw)=1×0.909+0.866(1-0.909)＝0.988                             (8)

P_杆液=P_杆空·b＝29.66×10³×0.873＝25.89×10³N式中：P_杆空-抽油杆柱在空气中重力，N：

q_杆空-每米抽油杆在空气中重力，N/m；

L_杆-抽油杆柱长，m；

r液-抽油井中液体的比重；

rw-抽油井中水的比重；

r₀-抽油井中原油的比重；

r_杆-抽油杆钢材的比重；

b-抽油杆柱在抽油井液体中的失重系数；

$=\mathrm{\π}/4\×{0.057}^2\×864\×988\×9.8$

$+\mathrm{\π}/4\×{0.057}^2\×{10}^6(0.36-2.2e^{1.251\×{10}^{-4}\×0.65\×864})$

$=21.347\×{10}^3-5.103\×{10}^3$

$=16.24\×{10}^{3}N$

式中：

F_活-抽油泵活塞横截面积，m²；

L_f-抽油井动液面深度，m；

ρ_液-抽油井液体的密度，kg/m³：

Pt-抽油井井口油压，MPa：

Pc-抽油井井口套压，MPa：

rg-抽油井天然气比重；

(2)由实测示功图求

用C_有效＝P_杆液+1/2P_活液，叫有效平衡，有三种方法求，即用示功图面积计算、用平分示功图线的高度和利用最大、最小载荷计算，参见《采油技术手册》第四分册第289页。

现采用平分示功图线的方法求C有效，用取上、下冲程载荷线的平均线的方法求P杆液和P_活液，参见图3，结果如下：

P_杆液＝26×10³N    P_活液＝15.5×10³N

由于公式求P_杆液、P_活液时未能考虑磨擦、振动、惯性载荷，也未考虑油管中是气液两相所以用公式计算结果与用实测示功图求出的结果有差别。当抽油井有实测示功图时，则用实测示功图求。在新上抽油机井，由于没有实测示功图，则用公式求。

图3有图3-1、图3-2。其中，图3-1中，井名：L4-2114井，最大负荷：53.18KN，最小负荷：15.95KN，理论最大负荷：00.00KN，理论最小负荷：00.00KN，冲次：7(次/min)，冲程：3.46米，液面深：00.0米。图3-2中，井名：L4-2114井，最大负荷：48.88KN，最小负荷：15.25KN，理论最大负荷：00.00KN，理论最小负荷：00.00KN，冲次：7.32(次/min)，冲程：3.50米。

(三)计算  ΔR

由于采油现场大多数是在已工作的抽油机井安装超越离合器，之后再调平衡，本实施例就属于此种情况，故只计算ΔR值。

$=0.246m$

二、现场调平衡及其结果分析

1、现场实际调平衡

(1)调平衡前先检查曲柄平衡块向外移的余量，若不足，则把其余平衡块装在零刻度，之后测上、下冲程最大电流值。

(2)若I_上＝I_下，则根据计算出的ΔR值把曲柄平衡块向外移动ΔR值，

若I_上≠I_下，则根据《采油技术手册》修订本第四分册第289页公式(2-39)求出达到平衡时(I_上＝I_下)平衡块应移动的位移m，之后求出ΔR_实＝ΔR+m值，即为本申请技术把曲柄平衡块移动的位移，

本实施例安装4块平衡块，并有外调的余量，电流值I_上＝41A，I_下＝34.9安，代入公式(2-39)求出m值

式中：W_曲平-用来进行调节的曲柄平衡重的质量，t；

m-使抽油机达到平衡，用来进行调节的曲柄平衡重应移动的距离，cm；

ρ_液-抽油井液体的密度，kg/m³；

F-柱塞横截面积，m²；

L-下泵深度，m；

f_杆当-抽油杆柱的当量断面面积，m²；

I_上、I_下-上、下冲程电机输入的最大电流，A，

q_杆当-每米当量抽油杆柱的质量，kg/m；

本实施例上述参数值为：S＝3.6m，W_曲平＝5.4t；

L＝966.09m；ρ_液＝988kg/m³；F_活＝2.552×10^-3m²；

f_杆当＝0.38×10^-3m²；q_杆当＝3.13kg/m；n＝7r/min；

把上述数据代入(2-39)式得

$m=\frac{3.6}{5.4}\{3+0.0236\×966.09[988(2.552\×{10}^{-3}-0.38\×{10}^{-3})+2\×3.13\frac{3.6\×7^2)}{1790}\left]\right\}\frac{41-34.9}{41+34.9}=3.53\mathrm{cm}$

则ΔR_实＝ΔR+m＝24.6+3.53＝28.13cm

本井实际调平衡值为：右侧外移30cm，左侧外移25cm，

由于调平衡的公式ΔR和m值未能考虑摩擦，振动，惯性负荷和实测电流时有误差等因素，所以计算的ΔR实与现场实际调节值允许有10％左右的偏差。

2、安装超越离合器后且调平衡前后效果表如表一，对表一分析如下：

(1)对L4-2114抽油井，调平衡前I_上/I_下＝41/34.9，说明抽油机前重后轻，虽安装了超越离合器，未能上快下慢，所以未有增产节能效果。现要实现上快下慢，把平衡块右侧外移30cm，左侧外移25cm，调平衡后I_上/I_下＝36/43，实现了抽油机的后重前轻。

(2)调平衡后，冲数由7r/min增加到7.32r/min，冲数增加了0.32r/min，说明实现了上快下慢。实践证明了，只安装超越离合器而平衡工作的抽油机井(特别前比后重)或不安装超越离合器，只调平衡为后重前轻是达不到上快下慢并使冲数增加的目的。只有既安装超越离合器又把平衡块外移足够位移才能实现上快下慢增加冲数的目的。因为在上冲程曲柄平衡块往下转动超越由电动机作用于曲柄转速时，由于超越离合器脱开，平衡重往下高速转动不再反拖电动机成为发电机，而又反过来阻止曲柄向下的高速转动。

(3)调平衡后见到明显效果，产液量由71t/d增加到85t/d，每天增液14t，***效率由40.5％增加到46.95，增加了6个百分点，证明了由于调平衡后实现了上快下慢产量增加的5点原因和节能的3点原因分析是正确的。

三、调平衡后的安全检查

此处只谈设备的安全

1、电动机

调平衡后，电动机在下冲程电流增大，但不得超过满载时电流。查《采油技术手册》四分册第86页型号为Y280M-6电动机，额定功率55KW，满载对电流为104.9A，所以本井调平衡电动机是安全的。若超过满载时电流，则适当减小ΔR值，以保证电动机的安全。

2、减速箱

减速箱的净扭矩等于负荷扭矩与平衡扭矩之差，由于平衡块外移，使平衡扭矩的绝对值增大，使上冲程净扭矩减小，而下冲程净扭矩加大，在达到极限时，上冲程净扭矩接近于零，而在下冲程净扭矩增加1倍左右，因此为了减速箱的安全，在调平衡后要测净扭矩曲线，使曲柄的最大扭矩不得超过减速箱额定扭矩，以确保减速箱安全。若超过额定扭矩，则适当减小ΔR值，以确保减速箱的安全。

平衡扭矩的计算可根据《采油技术手册》修订本第四分册第803页公式(7-7)来计算。

表一  安装超越离合器且调平衡前后效果表

安装地点	队别	井号	调平衡时间		产液t/d	I上/I下	平衡度％	冲次min-1	含水％	液面m	油压MPa	套压Mpa	有功kW	***效率％
															六厂二矿	210	4-2114	2004.12.8	前	71	41/34.9	85	7.00	90.9	864	0.36	2.2	9.92	40.05
2004.4.1	后	85	36/43	119	7.32	91.3	564	0.37	1.6	8.87	46.95
												9-2018	2004.3.30	前				27	55.4/50.8	92	7.81	94.1	801	0.28	2.6	10.53	16.25
2004.4.5	后	32	53/63	119	7.90	96.20	856	0.28	2.2	10.27	23.5

据现场观察与测试，2口井抽油机调平衡后离合器超越更加明显，1口井冲次略有增加，产液平均增加5.5t/d，***效率平均增加7个百分点。

Claims (4)

1、一种游梁式抽油机井安装超越离合器的使用方法，其特征在于：该方法是在游梁式抽油机井还未安装超越离合器的情况下，所进行安装超越离合器并进行调节曲柄平衡块重心的方法，该方法包括下述步骤：

(1)、用式(2)求出未安装超越离合器之前的曲柄平衡块重心在曲柄上的位置R₁，例复合平衡为：

在式(2)中：

R₁：未装超越离合器而平衡工作的抽油机平衡半径m；

P_杆液：抽油杆柱在液体中重力，N；

P_活液：作用在活塞截面积以上的负荷，N；

B：抽油机悬点不平衡值，N，查采油技术手册四分册表1-14可查出；

a：游梁式抽油机的前臂长，m；

b：游梁式抽油机的后臂长，m；

c：游梁平衡重重心距支架支点的距离，m；

g：重力加速度，9.8m/s²

r：曲柄旋转半径，m；

W_曲平：曲柄平衡重的质量，kg；

R_曲柄：曲柄重心到油柄轴中心距离，m；

W_曲柄：曲柄的质量(两块)，kg；

W_游：游梁平衡重的质量，kg

其中，r、B、R_曲柄、W_曲柄、W_曲平、W_游、a、b、c可根据抽油机型号查采油技术手册第四分册得出；

P_杆液可通过下述式(4)、(5)、(6)得出：

P_杆液＝P_杆空·b                                  〔4〕

P_杆空＝q_杆空·L_杆                                〔5〕

r液＝r_W F_W+r₀(1-F_W)                    〔8〕

在式(4)、(5)、(6)、(8)中：

P_杆空：抽油杆柱在空气中重力，N；

q_杆空：每米抽油杆在空气中重力，N/m；

L_杆：抽油杆柱长，m；

r_液：抽油井中液体的比重；

r_W：抽油井中水的比重；

r₀：抽油井中原油的比重；

r_杆：抽油杆钢材的比重；

F_W：抽油井液体的质量含水百分数；

b：抽油杆柱在抽油井液体中的失重系数；

其中，L_杆、q_杆空可根据抽油机型号查采油技术手册第四分册得出，通过式(5)得到P_杆空；

L_杆：由抽油井井下杆柱资料可查到；

r_W、F_W、r₀可现场实测得出，通过式(8)得到r液；r_杆可查采油技术手册第四分册得出，这样通过通过式(6)得到b；

通过式(4)得到P_杆液；

P_活液可通过下述式(9)得出：

式(9)中：

F_活：抽油泵活塞横截面积，m²；

L_f：抽油井动液面深度，m；

ρ_液；抽油井液体的密度，Kg/m³；

Pt；抽油井井口油压，MPa；

Pc；抽油井井口套压，MPa；

rg：抽油井天然气比重；

(2)、安装超越离合器，用式(1)求出安装超越离合器之后的曲柄平衡块重心外调距离ΔR，即可得到安装超越离合器之后的曲柄平衡块重心在曲柄上的位置R₂，

式(1)中：

ΔR：达到极限时的外调位移，m；

P_活液：作用在活塞截面积以上的负荷，N；

a：游梁式抽油机的前臂长，m；

b：游梁式抽油机的后臂长，m；

g：重力加速度，9.8m/s²

r：曲柄旋转半径，m；

再用式R₂＝R₁+ΔR即可得到安装超越离合器之后的曲柄平衡块重心在曲柄上的位置R₂；

(3)、将曲柄平衡块重心调整到R₂位置。

2、根据权利要求1所述的游梁式抽油机井安装超越离合器的使用方法，其特征在于：所述的ΔR应有±ΔR10％的实际调节偏差。

3、一种游梁式抽油机井安装超越离合器的使用方法，其特征在于：该方法是在游梁式抽油机井已安装超越离合器的情况下，进行调节曲柄平衡块重心的方法，该方法包括下述步骤：

(1)、用式(1)求出安装超越离合器的曲柄平衡块重心应外调距离ΔR，

式(1)中：

ΔR：达到极限时的外调位移，m；

P_活液：作用在活塞截面积以上的负荷，N；

a：游梁式抽油机的前臂长，m；

b：游梁式抽油机的后臂长，m；

g：重力加速度，9.8m/s²

r：曲柄旋转半径，m；

(2)、在外调曲柄平衡块重心距离ΔR之前，先检查曲柄平衡块向外移的余量，若不足，则把其余平衡块装在零刻度，之后测上、下冲程最大电流值；若I_上＝I_下，则根据计算出的ΔR值把曲柄平衡块重心向外移动ΔR值，

若I_上≠I_下，则根据公式(2-39)求出达到平衡时(I_上＝I_下)平衡块应移动的位移m，之后求出ΔR_实＝ΔR+m值，即为曲柄平衡块重心移动的位移，

式中：W_曲平-用来进行调节的曲柄平衡重的质量，t；

      m-使抽油机达到平衡，用来进行调节的曲柄平衡重应移动的距离，cm；

ρ_液-抽油井液体的密度，kg/m³；

F-柱塞横截面积，m²；

L-下泵深度，m；

f_杆当-抽油杆柱的当量断面面积，m²；

I_上、I_下-上、下冲程电机输入的最大电流，A，

q_杆当-每米当量抽油杆柱的质量，kg/m；

(3)、按照I_上＝I_下的情况下，将曲柄平衡块重心外移动ΔR值；按照I_上≠I_下的情况下，将曲柄平衡块重心外移动ΔR_实＝ΔR+m值。

4、根据权利要求3所述的游梁式抽油机井安装超越离合器的曲柄平衡块重心的调节方法，其特征在于：所述的ΔR应有±ΔR10％的实际调节误差；或是，所述的ΔR_实应有±ΔR_实10％的实际调节偏差。

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