采油机械中提高钢丝绳寿命的研究

采油机械中提高钢丝绳寿命的研究

邓广林 肖定彬 赵清华

中国石油长庆油田分公司第一采油厂侯市作业区，陕西 延安 717500

摘要：石油作为国民经济发展的主要能源已成为国家发展的命脉，而石油开采技术的提高、石油产量的提升已成为我国解决能源危机的主要课题。抽油机毛辫子的主要作用是连接抽油机驴头和光杆的悬绳器，使抽油机设备产生的动力作用到抽油杆上，带动井下的杆泵工作，完成抽汲生产。现有生产毛辫子的工艺生产效率低，时有断脱现象发生，影响油井生产。冷压技术工艺先进，实现无损制作毛辫子绳头，加工成本低，使用寿命更长。

关键词：钢丝绳；毛辫子绳头；使用寿命

随着世界能源问题日益突出，研究开发新型抽油机，满足油田采油需求已成为人们主要关心的问题。现有的油田用抽油机毛辫子绳头生产工艺多数采用巴氏合金法，即高温熔化铅块形成液体铅和散股的钢丝绳灌注到绳头腔体中，冷却后两种金属融合在一起制作成抽油机毛辫子绳头。高温易导致钢丝退火降低钢丝的强度；制作过程中的钢丝绳散股使得每一小股钢丝长度不一，从而在使用过程中受力不均而易断。冷压抽油机毛辫子工艺，通过选用相应的冷压设备和扣压材料，使得扣压件和钢丝绳紧密结合制作成抽油机毛辫子绳头，避免高温产生的退火和钢丝绳散股的长度不一受力不均的影响。

一、抽油机概述

油田作业用钢丝绳，石油天然气钻井和采油是石油天然气资源开发过程中的两个主体工序。钻井是成井、形成石油天然气生产的必要条件；采油是在钻井、试井、固井、完井等工艺过程完成，验收具备生产条件后的生产工序。钻井是过程，采油是目的，是石油天然气钻、采作业最终追求的目标。油田作业用钢丝绳又称石油专用钢丝绳，是油田作业的重要物资，其质量直接关系到油田生产的安全。在油田作业用钢丝绳产品体系中，不论钢丝绳生产制造企业还是油田，多年形成的惯例是对钻井作业用钢丝绳的重视程度高于采油作业用钢丝绳，要根据作业特点，选择、保管、维护钢丝绳。在钢丝绳生产制造水平不变的情况下，通过贮存、使用期间的物资工作者和使用者的努力，让钢丝绳的使用性能和寿命得以最大限度的发挥。

采油机械是由地面驱动设备抽油机、井下工作设备抽油泵和能量传递装置抽油杆或油液举升机构等组成。井底工作设备按照举升原油的方式分为气举法和抽油泵法。气举法的特点是利用压缩气体的能量，把原油提升到地面，在我国应用很少；而抽油泵法是将各种结构的泵放到井下进行抽油。抽油泵法一般可分为两大类，即有杆抽油设备和无杆抽油设备。有杆抽油设备是由地面驱动设备抽油机、井下工作设备抽油泵和能量传递装置抽油杆等组成。有杆类采油设备按照抽油泵运动方式又可分为抽油杆往复运动类和旋转运动类。抽油杆往复运动，通过下入井中的抽油杆带动井下的抽油泵的柱塞作上下往复运动，把油送到地面。这里主要研究的是有杆抽油设备。无杆抽油设备是各种不采用抽油杆传递动力的抽油设备的总称，无杆抽油设备有水电活塞机、电力离心沉没泵和振动泵、电动潜油离心泵、液压驱动类和气举采油设备。作为井下主要工作设备、能量传递装置与地面驱动设备结合形成完整的各种机械。

二、抽油机毛辫子绳头工艺

1、绳头组成及加工原理。抽油机毛辫子绳头，主要是由钢丝绳和绳套组成；原理是通过冷压设备工作的压力使得钢套产生形变，并牢固扣压在钢丝绳上形成绳头。工艺中主要存在钢丝绳规格的选择、绳套材料选择和尺寸计算设计及冷压设备选择。

2、钢丝绳的选择。油田以往在选择制作抽油机毛辫子的钢丝绳绳径为φ26，绳芯为纤维芯，防打扭；经过试压效果分析，在绳径不变的情况下，选择绳芯为钢芯的钢丝绳压制后更为密实和牢固。

3、绳套材料选择和尺寸计算设计

（1）绳套材料选择。铝、45# 碳素钢、20#G 钢物理性能比较见表。

从表看出，由于抽油机毛辫子绳头长期处在交变载荷下工作，铝的硬度小，容易变形，故不适用；45# 钢含碳量较20#G钢高，相对较脆，不适用于冷压绳套。故根据物理性能，综合评 价后，选择20#G 钢为抽油机毛辫子绳套材料。

（2）尺寸计算设计。钢丝绳的直径为φ26mm，绳套内径为便于施工操作，从φ28～φ30mm 分别试用后，选择较为理想的φ30mm；绳套的壁厚设计，从4、5、6、8、10mm 分别现场测试，从密实度和设备能力方面考量，最终选择6mm 壁厚较理想。壁厚太小，密实度不够；壁厚太大，需要的设备能力越大，设备造价愈高。长度设计方面，绳套内壁和钢丝绳接触易长，附着力愈大，考虑绳头长度在现场使用的影响，则为易短易为方便施工，但会易脱。通过现场测试压制长度为80mm、100mm、120mm 的绳套，附着力从小到大，操作影响愈为明显。最终设计为100mm 的压制长度( 图1)。

4、冷压设备的选择。设备选型主要从设备的扣压力、最大扣制绳径、扣压长度等各个方面，设备选用GT-650T、GT-800T、RT180 三种设备，扣压力分别为650T、800T、1000T。冷压设备的挤压力是选择设备和设计模具的依据，挤压力与挤压温度、零件的复杂程度、模具的结构形式、毛坯的性能、变形程度以及润滑条件等因素有关。考虑所有的影响因素精确计算压力是困难的。通常采用经验公式。挤压力公式所选设备吨位P 可按以下公式计算：

式中：p 为单位挤压力(MPa)；A 为凸模工作部分的投影面积(mm2)；C 为安全系数，一般取1.3。冷压设备从结构分为框架式和笼式，笼式( 如RT180) 后期维护费用较高，压制长度50mm，100mm 长度需要分次压制；框架式使用性能稳定，后期维护使用费用低，压制长度100mm，可一次性压制成型。从设备压制能力上，性能、维护等各方面，选择GT800T 冷压抽油机毛辫子绳头，性价比更高。

5、毛辫子绳头压制。根据需要，截取一根合适长度的φ26 钢芯钢丝绳，在钢丝绳二头套上加工好的绳套，选择GT800T 冷压设备，选择φ35 的模具，检查设备运行正常后，在绳套φ42 段进行冷压作业，压至上、下模具贴合，形成绳头。现场压制非常容易和简单，制作抽油机毛辫子绳效率高效果好。

结论

基于合金法制作抽油机毛辫子绳头，一是热损伤钢丝绳，二是制作人工劳动强度大。冷压法主要是无热损伤，同时提高了制作效率高，降低了人工强度。冷压工艺技术在采油设备上得到应用。

试验结果显示，冷压工艺制作抽油机毛辫子绳头，达到了设计的要求，性能可靠，现场可推广应用。

参考文献：

[1] 钱华明,周旭南,王保卫.钢丝绳弯曲疲劳试验机设计及应用[J]. 机电工程技术,2019,48(2):19.

[2] 于占军，刘国辉，蓝宗军．柔性抽油杆断损故障的处理方法[J]．设备管理与维修，2019(5)：21—22．

[3] 潘志勇，邱煌明，张刚．抽油机悬绳器钢丝绳尺寸精度的控制[J]．石油矿场机械2019(5)：38—39．