雙塔自平衡式抽油機的設計與研究

孟旭明　高袁麟

摘 要：本文通過對傳統(tǒng)的皮帶式、游梁式抽油機的創(chuàng)新，針對叢井采油設計出具有高效節(jié)能，電氣控制的雙塔自平衡式抽油機，其傳動方式為：智能換向電動機→減速箱→同步帶輪→同步帶→抽油桿往復運動，其中智能換向電動機能實現(xiàn)智能換向，由限位開關防止控制出現(xiàn)失靈。換向由電氣控制實現(xiàn)，使抽油機整體結構簡單；該抽油機利用對稱分布的抽油桿，平衡了自身重量，減少了能耗。

關鍵詞：抽油機；自平衡；雙井；電機換向

1.研究背景

傳統(tǒng)的抽油機主要有：游梁式抽油機、鏈條式抽油機、皮帶式抽油機等。近年來世界抽油機技術發(fā)展，其向著更好的適應性、可靠性、經濟性和先進性發(fā)展；并且提高了抽油機平衡效果，改善了抽油機的運動特性、動力特性等平衡特性；增大了抽油機的使用范圍，強化了抽油機智能化程度。

傳統(tǒng)的抽油機的換向多采用機械換向。游梁式抽油機的換向是利用曲柄帶動連桿上下往復運動，皮帶式抽油機利用單鏈條連接曲拐和滑車架在框架中上下往復運動實現(xiàn)上下抽油，鏈條式抽油機通過齒條鏈輪實現(xiàn)換向。隨著機電一體化的發(fā)展，將電氣控制技術應用于抽油機，直接利用電機實現(xiàn)上下沖程也在實際生產中得以運用。

目前，國內油田采用的抽油機多數(shù)是游梁式抽油機，游梁式抽油機—有桿抽油泵個系統(tǒng)的總效率在國內一般地區(qū)均只12%～23%，先進地區(qū)至今也小到30%美國的常規(guī)型抽油機系統(tǒng)效率較高，但也僅有46%系統(tǒng)效率低下，能耗大，耗電就多。

本文設計出一種雙塔自平衡式抽油機。利用叢式井抽油機利用兩口油井距離近的特點，用一臺抽油機同時抽油，采用雙井平衡方式，利用調節(jié)兩口油井下泵深度、抽油桿組合和抽油泵直徑大小，使兩口油井的載荷相互平衡，可取得更精確的平衡和節(jié)能效果，具有更好的經濟效益。不再利用傳統(tǒng)機械式的上下沖程換向，而是采用現(xiàn)在已在勝利油田、大港油田、大慶油田、新疆油田已實用的智能換向電動機，通過其正反轉即能實現(xiàn)雙側抽油桿同時作業(yè)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)的抽油機自動化與智能化的改進與發(fā)展。

2.結構與工作原理

2.1結構簡介

通過兩塔架1中間放置電動機2經減速箱3輸出動力到同步帶輪6，利用同步帶輪帶動同步帶8運動，而同步帶兩側連接兩個抽油桿4，即可實現(xiàn)兩口油井抽油桿自平衡運行，代替了傳統(tǒng)皮帶式抽油機的平衡塊，實現(xiàn)一個上下沖程能滿足兩口井同時完成一次作業(yè)。

而在運行過程中，采用開關磁阻調速電動機拖動，由可編程控制器進行準確的位置控制。保證了實現(xiàn)了兩側的抽油桿的上下往復抽油作業(yè)。

圖2.1 雙塔自平衡式抽油機結構圖

1-傳動塔架 2-智能換向電機 3-減速箱 4-抽油桿 5-天輪 6-同步帶輪 7-底輪

2.2 傳動皮帶（同步帶）設計

如圖2.2所示電機通過減速箱減得到軸的低速轉動，從而帶動同步帶輪的轉動。利用主動同步帶輪軸、兩個塔架底部同步帶輪軸的垂直高度不一致，其中心形成一個等腰三角形，在此基礎上將雙面同步帶輪繞過主動同步帶輪軸頂部，再從下側繞過底部的兩同步帶輪，從而實現(xiàn)了同步帶輪的張緊，能始終保持與帶輪的嚙合。

圖2.2 同步帶及同步帶輪位置設計

2.3 換向實現(xiàn)

雙塔自平衡式抽油機采用雙換向方式，保證精準換向。采用開關磁阻調速電動機拖動，由可編程控制器進行準確的位置控制。為了防止控制上偏差以及突發(fā)失靈的發(fā)生，同時還在在同步帶上，根據抽油機沖程設置撥針，從而實現(xiàn)在同步帶的極限位置撥動限位開關，電氣控制調速電機反向運轉，從而實現(xiàn)了換向的目的。

圖2.3 動力輸出

1-同步帶輪 2-動力輸出軸及齒輪

2.4剎車的實現(xiàn)

在底部兩個導輪1處同樣設置同步帶輪2，在需要臨時停止運行時，通過設置的剎車裝置2實現(xiàn)及時剎車。剎車裝置如圖2.4示，類似于普通的汽車的剎車片工作原理一樣，即內圈抱緊同步帶輪，實現(xiàn)在第一時間制動。

圖2.4 底輪傳動及剎車

1-底輪耳板 2-同步帶輪 3-剎車裝置

3.分析與討論

3.1節(jié)能分析

常規(guī)抽油機所用的電動機為鼠籠電動機，電動機在啟動時電流為額定電流的6-7倍。而電動機換向智能抽油機的電動機為先進的開關磁阻電動機，功率因數(shù)近似為1，電動機啟動電流小。

電動機換向智能抽油機機械傳動線路短，從電動機聯(lián)軸器至一級減速器聯(lián)軸器工作機構的機械傳動效率在80%以上。而常規(guī)抽油機機械傳動線路長，機械傳動效率低，僅在40%左右，該抽油機比常規(guī)抽油機機械傳動效率提高1倍。

雙塔自平衡式抽油機巧妙運用抽油桿重力自平衡，實現(xiàn)扭矩平衡，能實現(xiàn)叢井同時業(yè)，將傳統(tǒng)的配重塊設置為另一個對稱分布的抽油桿，減少了能源的損耗。

3.2智能換向分析

傳統(tǒng)的游梁式抽油機、鏈條式抽油機、皮帶式抽油機其換向均為機械換向，通過設置曲柄、鏈節(jié)帶動導向實現(xiàn)換向。雙塔自平衡式抽油機將其從機械換向方式轉換為現(xiàn)代油田中新興的電機換向方式，隨著電動機技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的伺服電機、調速電機等不再僅僅局限于高速輕載的領域中，例如包裝機械、電子機械、印刷機械，逐漸應用于石油領域中低速重載的場合。該類電機如加上微控制器單片機，通過編程即可實現(xiàn)本地或者異地控制電機的運轉，監(jiān)視實時運行的轉速、扭矩、電壓、電流等情況，實現(xiàn)自動化控制管理。

剎車系統(tǒng)能實現(xiàn)抽油機立即停轉，防止慣性繼續(xù)運轉。

四、結論

目前我國很多油田為了提高產量往往打了很多密井；一些新發(fā)現(xiàn)的大油田打了很多叢式井；海洋平臺上也有近距離油井。這些密井使得高效、節(jié)能環(huán)保的雙井抽油機有了用武之地。雙塔自平衡式抽油機，電機智能換向結構簡單，抽油效率高，節(jié)能明顯。其傳動設計突破了傳統(tǒng)抽油機的機械傳動的方式，使抽油機整體結構簡單。雙塔自平衡式抽油機還可以適用于叢式井、密井、海洋平臺油井的開采。

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