抽油機井光桿示功圖的測試方法

抽油機井光桿示功圖的測試方法

目前，油田技術(shù)人員在分析油藏深井泵的現(xiàn)狀時，主要采用實測視功圖分析法。實測示功圖可以反映深井泵在井下工作中的異?，F(xiàn)象,結(jié)合油井地質(zhì)情況、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和儀器工作狀況,可用來分析油井的工作制度是否合理以及機、桿、泵參數(shù)組合是否與油層相適應(yīng)。目前有兩類獲得示功圖的方法:直接使用載荷傳感器測量光桿載荷和示功圖的間接測量。前者載荷傳感器露天放置,易老化、使用壽命短以及人為破壞嚴重,沒有很好的應(yīng)用效果。后者應(yīng)用間接測量原理,通過測量一相電壓和三相電流來計算電機功率,而功率為扭矩和轉(zhuǎn)速的乘積,一般均假設(shè)抽油機的異步電機在一個沖程內(nèi)的轉(zhuǎn)速為定值,所以用功率曲線計算示功圖存在著一定誤差。筆者基于油井實測電參數(shù),結(jié)合抽油機動力學(xué)及運動學(xué)原理,分析建立油井工況系統(tǒng)動態(tài)實時分析模型。1磁鏈測量模型定子磁鏈作為電機轉(zhuǎn)矩控制的關(guān)鍵狀態(tài)變量,其觀測準確度直接影響示功圖的計算精度。受傳感器安裝技術(shù)以及氣隙齒諧波的影響,磁鏈的直接檢測非常困難,常用的方法為間接測量法。定子電壓、定子電流和電阻是油田現(xiàn)場容易測量又能保證精度的電機物理量,因此本文中采用以下基于定子電壓和電流的磁鏈觀測模型:ψs=∫(Us-IsRs)dt.(1)式中,ψs為定子磁鏈矢量,Wb;Us為定子電壓矢量,V;Is為定子電流矢量,A;Rs為定子電阻,Ω。1.1兩組電流綜合矢量的計算將測試得到的三相靜止坐標系(ABC坐標系)下的定子電壓ua,ub,uc和電流ia,ib,ic的瞬時值分別進行靜止坐標變換得到兩相靜止坐標系(α-β坐標系)下的電壓分量uα,uβ和電流分量iα,iβ:[uαuβ]=√23[1-12-120√32-√32][uaubuc],(2)[iαiβ]=√23[1-12-120√32-√32][iaibic].(3)[uαuβ]=23√[10?123√2?12?3√2]???uaubuc???,(2)[iαiβ]=23√[10?123√2?12?3√2]???iaibic???.(3)由式(2)得到的兩相靜止坐標系下的電壓分量可求得定子電壓綜合矢量的幅值us和電壓矢量相位φu,即us=√u2α+u2β?φu=arcsinuβus.同理,可得到定子電流綜合矢量的幅值is和相位φi:is=√i2α+i2β?φi=arcsiniβis.1.2電機視功率ps和總幾何c根據(jù)式(2)和(3)得到的電壓、電流分量可計算電機的瞬時有功功率P和無功功率Q,P=uαiα+uβiβ,Q=uβiα-uαiβ.因此,電機的視功率Ps和功率因數(shù)cosφ分別為Ρs=√Ρ2+Q2,cosφ=cos(φu-φi).1.3電機電磁轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速隨參數(shù)的變化由于抽油機異步電動機通常以額定頻率運行,電機正常工作時定子電壓遠大于定子電阻壓降,因此定子電阻變化對估算定子磁鏈的精度影響很小。估算定子磁鏈分量ψα和ψβ的表達式為ψα=∫(uα-Rsiα)dt,ψβ=∫(uβ-Rsiβ)dt.定子磁鏈的幅值ψsm和相位φψ為ψsm=√ψ2α+ψ2β?φψ=arcsinψβψs.利用異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方程和計算所得的定子磁鏈和電流分量可估算電機電磁轉(zhuǎn)矩Te,Te=pn(ψαiβ-ψβiα).式中,pn為電機極對數(shù)。根據(jù)計算所得的電磁轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈幅值可估算電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角速度ωf,ωf=RrTe/(pnψ2sm).式中,Rr為轉(zhuǎn)子電阻,Ω。電機定子同步角速度ωs可由靜止坐標系下的定子電壓方程得到,即ωs=(uβ-Rsiβ)ψα-(uα-Rsiα)ψβψ2sm.因此,電機轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速w的計算式為w=(ωs-ωf)/pn.結(jié)合電機機械損耗P0,電機電磁功率Pe、輸出轉(zhuǎn)矩Tm和輸出功率Pm分別為Ρe=Τeωs,Τm=Ρmω,Ρm=(1-ωs-ωfωs)Ρe-Ρ0.2原油擠出試驗的計算曲柄受力分析如圖1所示。2.1傳動效率的計算減速箱輸出軸凈扭矩Tn是利用電機直接轉(zhuǎn)矩控制算法推算得到的電機輸出扭矩,經(jīng)由皮帶傳遞動力給減速箱所獲得的扭矩。通過電機輸出扭矩推算減速箱輸出軸凈扭矩Tn的計算式為Tn=Tdipηpijηj.式中,Td為電機的輸出扭矩,N·m;ip和ij分別為皮帶和減速箱的傳動比;ηp和ηj分別為皮帶和減速箱的傳動效率。平衡扭矩計算式為Tr=WcbRsin(θ-τ)+WcRcsin(θ-τ).式中,Tr為減速箱平衡扭矩,N·m;Wcb和Wc分別為曲柄平衡塊和曲柄重力,N;R和Rc分別為曲柄平衡和曲柄重心半徑,m;τ為平衡相位角,(°)。油井負荷扭矩Twn計算式為Twn=Tn-Tr.2.2游梁的dg-4.P=(Tn-Tr)/FT.其中FΤ=vω,v=-ALωCsin(θ3-θ2)sin(θ3-θ4).式中,P為懸點載荷,N;FT為扭矩因數(shù),m;v為懸點瞬時速度,m/s;A為游梁前臂長度,m;C為游梁后臂長度,m;ω為曲柄旋轉(zhuǎn)角速度,s-1;θ2為曲柄與基桿的夾角,(°);θ3為連桿與基桿的夾角,(°);θ4為游梁后臂與基桿的夾角,(°)。2.3引入沖程百分數(shù)示功圖表示的是懸點位移和載荷關(guān)系,而扭矩曲線反映的是扭矩和曲柄旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系,因此只要找到位移和旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系即可實現(xiàn)扭矩曲線到示功圖的轉(zhuǎn)換。通過引入沖程百分數(shù),建立位移和旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系,沖程百分數(shù)表達式為式中,RP為從下死點算起的沖程百分數(shù);φ為隨θ變化的角度,(°);L為連桿有效長度,m;K為曲柄軸中心到游梁軸中心的距離,m。懸點加速度a的計算式為任意時刻懸點位移S為由于懸點載荷P與懸點位移S都是曲柄轉(zhuǎn)角θ的函數(shù),因此根據(jù)抽油機結(jié)構(gòu)參數(shù),即可得到由減速箱扭矩折算出的以懸點位移S為橫坐標、懸點載荷P為縱坐標的示功圖。3旋轉(zhuǎn)半徑和傳動比歧626-1井使用的是常規(guī)抽油機CYJ12-4.8-73HB,沖程為3.0m,沖次為4.2min-1,曲柄旋轉(zhuǎn)半徑為1.2m,減速箱型號為JLH-1000/74,傳動比為31.73,使用了4塊平衡半徑均為1m的平衡塊。在電機的輸出扭矩曲線上,根據(jù)上、下死點標定的位置值取一個完整的抽油井運動周期,利用抽油機井系統(tǒng)動態(tài)實時分析模型進行計算分析。3.1電機機械扭矩計算利用測試儀器,測試了歧626-1油井A,B兩相電壓和電流,測試曲線如圖2所示?；谒鶞y量的兩相電壓和電流,利用電機轉(zhuǎn)矩計算模型可計算電機機械轉(zhuǎn)矩,如圖3所示。從圖3可以看出,該井電機在抽油機井上、下沖程中的輸出機械轉(zhuǎn)矩存在較嚴重的不平衡,上沖程電機承受著較大的負荷,輸出了正轉(zhuǎn)矩,下沖程電機沒有承受負荷,甚至在油井負荷的帶動下,輸出了負轉(zhuǎn)矩,電動機變成了“發(fā)電機”,這種工作狀況既降低油井系統(tǒng)效率、增加能量消耗,又降低電機的壽命。3.2抽油機平衡問題基于電機機械轉(zhuǎn)矩,利用示功圖計算模型可分別得到抽油機的懸點位移、減速箱扭矩和光桿示功圖,如圖4所示。從懸點位移曲線可以看出,懸點位移和時間不是直線關(guān)系,表明抽油機在一個完整的沖程中不是勻速運動,而是變速運動,因此在建立位移和曲柄旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系模型時,須考慮加速度的影響。從減速箱凈扭矩曲線可以看出,該井上沖程峰值扭矩明顯大于下沖程峰值扭矩,存在明顯的平衡不足。該井減速箱在上沖程承受正凈扭矩,而下沖程承受負凈扭矩,在交變扭矩的作用下,容易造成減速箱的疲勞損壞,工作壽命縮短,可通過調(diào)大平衡半徑或增加平衡塊質(zhì)量來改善抽油機平衡和減速箱受力狀況。由示功圖可以看出:實測的示功圖和計算的示功圖具有相同的變化趨勢,數(shù)據(jù)吻合較好;示功圖中上下曲線大致平行,下沖程懸點載荷卸載延遲,在曲線上出現(xiàn)了一個“刀把”,表明該井存在供液不足的情況,需要調(diào)整抽汲參數(shù)以實現(xiàn)油藏供液和井筒舉升的協(xié)調(diào),改善油井工況;上下沖程中曲線出現(xiàn)逐漸減弱的波浪線,是由于加速度引起的振動載荷疊加在示功圖曲線上,抽油桿柱的振動為阻尼振動,所以表現(xiàn)為逐漸減弱的波浪線。在現(xiàn)場的測量過程中,這口井的減速箱在旋轉(zhuǎn)到270°時,會發(fā)出“哐當(dāng)”的一聲,在電機測量的信號中出現(xiàn)了一些尖脈沖。由圖3的電機機械轉(zhuǎn)矩上也可以看出,該工況引起了電機機械轉(zhuǎn)矩的波動。由圖4(b)可以看到曲柄轉(zhuǎn)角為270°時,減速箱凈扭矩出現(xiàn)了負異常,表明該井存在平衡不足問題,因此可以判定是產(chǎn)生了減速箱“背面沖突”,該工況可縮短減速箱齒輪壽命,導(dǎo)致減速箱出現(xiàn)機械故障。該工況在計算的油井示功圖上也有體現(xiàn),在曲柄轉(zhuǎn)角為270°、懸點位移為1.733m處有個突起的尖峰,造成了載荷異常。由此看出,利用本文中建立的模型可以更好地分析油