游梁式抽油機智能節(jié)能技術研究與應用

孔紅芳，周小東，尤立紅

中國石油大港油田分公司第五采油廠（天津 300283）

游梁式抽油機因其結(jié)構簡單、性能可靠、運行平穩(wěn)等優(yōu)勢，在油田生產(chǎn)中占有主導地位。但由于其自身結(jié)構的原因，普遍存在平衡效果差、能耗高、系統(tǒng)效率低等不足，特別是用在間出油井、低能油井上往往出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，游梁抽油機井的耗電量占油田總用電量的40%以上，是油田的耗能大戶。如何有效地解決游梁式抽油機平衡效果差、能耗大等難題，是應對當前低油價，實現(xiàn)提質(zhì)增效的有效途徑。

1 抽油機平衡率的概念及研究現(xiàn)狀

1.1 平衡率的概念

抽油機平衡率是抽油機井穩(wěn)定運行過程中，下沖程時的最大電流與上沖程時的最大電流比值[2]。平衡率在85%～100%合理，小于85%欠平衡，大于100%超平衡。其中平衡率=（I下行峰值/I上行峰值）×100%。

游梁抽油機井的平衡效果直接影響系統(tǒng)效率的高低[3]。抽油機不平衡時，上下沖程電機電流峰值增加，電機耗能增加，降低了機采井系統(tǒng)效率。應用表明，當抽油機平衡率在85%～100%時，能耗最低。對同一口井，平衡率在85%～100%時比平衡率小于85%的系統(tǒng)效率高1%～3%。

1.2 研究現(xiàn)狀

為實現(xiàn)抽油機節(jié)能運行，提高效率，各類節(jié)能型游梁式抽油機層出不窮，均在一定程度上達到了節(jié)能的效果。自調(diào)平衡游梁采用彎游梁平衡原理，用過齒輪齒條傳動使游梁配重相對副游梁的前后移動，實現(xiàn)了一定區(qū)間載荷的平衡調(diào)整[4]。在線平衡調(diào)整技術在游梁式抽油機游梁上安裝一個可以前后移動的配重塊[5]，利用推桿前后推動滑塊實現(xiàn)平衡調(diào)整，該技術采用在線遙控方式，信號傳輸受天氣、多臺無線設備沖突的影響，易造成調(diào)整延遲。游梁平衡自動調(diào)整裝置把游梁作為平衡塊的運行軌道，通過鋼絲繩傳動實現(xiàn)平衡塊位移[6]，但長時間使用后鋼絲繩容易松動，電氣系統(tǒng)運算過程不夠完善，導致裝置調(diào)節(jié)時不夠精細。

2 問題的提出

游梁式抽油機的工作過程是承受一個交變載荷的過程。上沖程時，抽油機驢頭承受作用在活塞截面以上的液柱重量和抽油桿在液體中的重量以及摩擦、慣性、振動等載荷；下沖程時，抽油機驢頭承受抽油桿在液體中的重量、摩擦等載荷。因此上、下沖程的載荷差別非常大時，抽油機無法正常工作，電機也容易燒壞。為了解決以上問題，通常采用平衡裝置將交變載荷減小，保證設備正常運轉(zhuǎn)。

實際生產(chǎn)中通常采用加裝平衡塊的方式確保游梁式抽油機達到平衡。平衡塊裝在抽油機游梁尾部或曲柄上，主要作用是：當抽油機上沖程時，平衡塊向下運動，幫助克服驢頭上的負荷；在下沖程時，電機使平衡塊向上運動，儲存能量。這樣在平衡塊作用下，可以減小抽油機上、下沖程的載荷差，確保設備平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

當出現(xiàn)平衡效率不合理的時候，會造成以下危害：

1）上沖程中，電機承受極大的載荷，下沖程時帶著電機運轉(zhuǎn)做功，不僅浪費電能，而且降低了電機的效率，減少使用壽命。

2）抽油機在不平衡狀態(tài)運轉(zhuǎn)時，所承受的載荷不均，易造成機身劇烈震動，影響設備的壽命。影響抽油桿和抽油泵的正常工作，進而降低油井產(chǎn)量。

因此，當抽油機平衡率不在85%～100%時，必須調(diào)整平衡度。目前國內(nèi)外絕大部分游梁式抽油機平衡度調(diào)整還停留在人工操作的水平上，普遍采用人工檢測、計算、分析，確定調(diào)整計劃后，安排3～4人在吊車配合下，停機后通過調(diào)整曲柄平衡塊的位置，使抽油機達到平衡。當抽油機平衡率>100%時，曲柄平衡塊向輸出軸的方向調(diào)整；當抽油機平衡率<85%時，曲柄平衡塊向遠離輸出軸的方向調(diào)整。

人工調(diào)平衡需要2 h 左右，勞動強度和管理難度較大，安全風險高，而且精度有限。同時長時間停抽易造成低能油井液面下降，油井出砂，砂埋油層，再次啟抽難度很大，見油時間延長。

3 解決方案

抽油機的節(jié)能在很大程度上取決于平衡率的好壞；平衡率為100%時電動機提供的動力僅有50%有效做功。平衡率越低，需要電動機提供的動力越大。因此現(xiàn)場應用中要盡量使抽油機平衡率接近100%，最大限度地發(fā)揮電機效能[7]。

根據(jù)動態(tài)平衡原理，參考天平的結(jié)構[8]，研究設計了一種智能平衡裝置，以游梁式抽油機支架座軸承為中心，前后游梁形成兩個臂，通過在后臂上安裝一個可調(diào)節(jié)的平衡配重，當油井載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致時，用很小的動力就可使抽油機連續(xù)地工作。當抽油載荷發(fā)生變化時，后臂上的平衡配重依據(jù)杠桿原理，通過位置移動自動增減配重砝碼，從而實現(xiàn)動態(tài)平衡。

3.1 結(jié)構設計

抽油機智能平衡裝置由游標、齒條、減速器、電機、太陽能板、控制系統(tǒng)、游標式配重塊、扇形齒輪、配重擺錘、地面控制器組成，如圖1所示。智能平衡裝置通過支撐板螺栓固定在游梁式抽油機尾部。游標為工字型滑道，游標下部為鋸齒形齒條，減速器嵌套在游標外部，并通過傳動件與電機連接，減速器側(cè)面安裝太陽能板和控制系統(tǒng)，游標式配重塊位于減速器上方，與減速器螺栓連接，配重擺錘則通過扇形齒輪與減速器螺栓連接并與齒條嚙合（圖1）。

圖1 抽油機智能平衡裝置結(jié)構示意圖

地面控制器安裝在抽油機控制柜的金屬柜體上，設計了USB接口，人工界面可手動觸摸操作，也可使用鼠標操作。

抽油機智能平衡裝置采用太陽能板充電[9]，用蓄電池帶動電機驅(qū)動減速器和扇形齒輪旋轉(zhuǎn)。

該裝置安裝方式簡單，只需將智能平衡裝置與抽油機尾游梁掛接好，不用敷設電線電纜及安裝傳感器，工作量小、維護方便。

3.2 實現(xiàn)方法

安裝于地面抽油機控制柜中的控制器設定電流區(qū)間，根據(jù)采集的抽油機游梁位置信號和電流或功率信號自動完成抽油機平衡率分析，判斷抽油機的平衡狀態(tài)，確定游標式配重塊的移動方向和距離，通過無線信號向控制系統(tǒng)發(fā)出指令，接到指令的控制系統(tǒng)控制電機的運動狀態(tài)、轉(zhuǎn)速及方向，電機通過傳動機構將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向(正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn))、扭矩傳給減速器，減速器帶動游標式配重塊通過齒條嚙合沿游標上的軌道進行前、后移動實現(xiàn)力臂調(diào)節(jié)。通過扇形齒輪與齒條嚙合帶動配重擺錘進行角度旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)角度調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)動態(tài)平衡，其工作原理如圖2所示。

圖2 抽油機智能平衡裝置工作原理圖

當游標式配重塊移動到尾游梁最前端即靠近驢頭的一端時，配重擺錘達到向前的最大位置，力臂最短，尾游梁力矩最??；相反，當游標式配重塊移動到尾游梁最后端即遠離驢頭的一端時，配重擺錘達到向后的最大位置，力臂最長，尾游梁力矩最大。

地面控制器設定平衡度上、下限，在抽油機運行的每個沖程周期對平衡度進行檢測，直至平衡度達到地面控制器的設定值后，向控制系統(tǒng)發(fā)送停止指令，并利用控制系統(tǒng)內(nèi)的自鎖裝置保持定位，完成平衡度的調(diào)整。

智能平衡裝置總重量3 020 kg，其中，固定重量944 kg，游標式配重塊重量910 kg，配重擺錘重量1 166 kg。游標式配重塊直線行程1 000 mm，配重擺錘旋轉(zhuǎn)角度100°（70°+30°）。游標直線運動與配重擺錘旋轉(zhuǎn)運動聯(lián)動，單程用時約14 min。

智能平衡裝置利用天平原理，采用對稱平衡方式，運用軌道移動和角度變化進行平衡調(diào)節(jié)[10]，對比常規(guī)游梁式抽油機曲柄回轉(zhuǎn)離心力平衡方式，平衡精度更高。

4 現(xiàn)場試驗

經(jīng)過現(xiàn)場試驗抽油井智能平衡技術，可以實現(xiàn)在不停機的情況下自動調(diào)整抽油機平衡率，其性能穩(wěn)定，平衡度高，節(jié)能效果顯著，具有推廣應用價值。

該技術在大港油田第五采油廠西7-15-1 井進行了現(xiàn)場試驗。該井抽油機型號CYJ12-6-73HF，電動機額定功率30 kW，測試結(jié)果見表1。

表1 節(jié)能數(shù)據(jù)對比

新技術也改變了傳統(tǒng)人工調(diào)平衡的方式，實現(xiàn)了不停抽作業(yè)，減輕了工人勞動強度，提高了油井生產(chǎn)時率（表2）。

表2 智能平衡裝置應用效果

從表1、表2 中可以看出，在產(chǎn)液量相當?shù)那闆r下，新技術與傳統(tǒng)方法相比，平衡率由75%提升到97%，日耗電由84 kW·h 下降到72 kW·h，節(jié)電14.2%。同時實現(xiàn)了不停抽作業(yè)，油井有效抽時率由98.7%上升到100%。

5 結(jié)論

1）抽油井智能平衡技術智能化程度高，提高了抽油機平衡工作效率和調(diào)整精度，增強了平衡調(diào)節(jié)安全性。

2）智能平衡裝置使游梁式抽油機始終保持在最佳的平衡狀態(tài)下運行，延長了抽油機的使用壽命，減輕了電動機的負載，達到了節(jié)能降耗的目的。抽油機平衡區(qū)間得到優(yōu)化、平衡率接近100%，節(jié)電可達14.2%。

3）改變了傳統(tǒng)人工調(diào)平衡的方式，實現(xiàn)了不停抽作業(yè)，規(guī)避了安全風險，改善了勞動條件，優(yōu)化了操作方法。