游梁式抽油機(jī)智能節(jié)能技術(shù)研究與應(yīng)用

孔紅芳，周小東，尤立紅

中國(guó)石油大港油田分公司第五采油廠（天津 300283）

游梁式抽油機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì)，在油田生產(chǎn)中占有主導(dǎo)地位。但由于其自身結(jié)構(gòu)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(chē)”的情況[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，游梁抽油機(jī)井的耗電量占油田總用電量的40%以上，是油田的耗能大戶(hù)。如何有效地解決游梁式抽油機(jī)平衡效果差、能耗大等難題，是應(yīng)對(duì)當(dāng)前低油價(jià)，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的有效途徑。

1 抽油機(jī)平衡率的概念及研究現(xiàn)狀

1.1 平衡率的概念

抽油機(jī)平衡率是抽油機(jī)井穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，下沖程時(shí)的最大電流與上沖程時(shí)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(jī)井的平衡效果直接影響系統(tǒng)效率的高低[3]。抽油機(jī)不平衡時(shí)，上下沖程電機(jī)電流峰值增加，電機(jī)耗能增加，降低了機(jī)采井系統(tǒng)效率。應(yīng)用表明，當(dāng)抽油機(jī)平衡率在85%～100%時(shí)，能耗最低。對(duì)同一口井，平衡率在85%～100%時(shí)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(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能運(yùn)行，提高效率，各類(lèi)節(jié)能型游梁式抽油機(jī)層出不窮，均在一定程度上達(dá)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(guò)齒輪齒條傳動(dòng)使游梁配重相對(duì)副游梁的前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了一定區(qū)間載荷的平衡調(diào)整[4]。在線(xiàn)平衡調(diào)整技術(shù)在游梁式抽油機(jī)游梁上安裝一個(gè)可以前后移動(dòng)的配重塊[5]，利用推桿前后推動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)平衡調(diào)整，該技術(shù)采用在線(xiàn)遙控方式，信號(hào)傳輸受天氣、多臺(tái)無(wú)線(xiàn)設(shè)備沖突的影響，易造成調(diào)整延遲。游梁平衡自動(dòng)調(diào)整裝置把游梁作為平衡塊的運(yùn)行軌道，通過(guò)鋼絲繩傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)平衡塊位移[6]，但長(zhǎng)時(shí)間使用后鋼絲繩容易松動(dòng)，電氣系統(tǒng)運(yùn)算過(guò)程不夠完善，導(dǎo)致裝置調(diào)節(jié)時(shí)不夠精細(xì)。

2 問(wèn)題的提出

游梁式抽油機(jī)的工作過(guò)程是承受一個(gè)交變載荷的過(guò)程。上沖程時(shí)，抽油機(jī)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(dòng)等載荷；下沖程時(shí)，抽油機(jī)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(shí)，抽油機(jī)無(wú)法正常工作，電機(jī)也容易燒壞。為了解決以上問(wèn)題，通常采用平衡裝置將交變載荷減小，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

實(shí)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(jī)達(dá)到平衡。平衡塊裝在抽油機(jī)游梁尾部或曲柄上，主要作用是：當(dāng)抽油機(jī)上沖程時(shí)，平衡塊向下運(yùn)動(dòng)，幫助克服驢頭上的負(fù)荷；在下沖程時(shí)，電機(jī)使平衡塊向上運(yùn)動(dòng)，儲(chǔ)存能量。這樣在平衡塊作用下，可以減小抽油機(jī)上、下沖程的載荷差，確保設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)出現(xiàn)平衡效率不合理的時(shí)候，會(huì)造成以下危害：

1）上沖程中，電機(jī)承受極大的載荷，下沖程時(shí)帶著電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)做功，不僅浪費(fèi)電能，而且降低了電機(jī)的效率，減少使用壽命。

2）抽油機(jī)在不平衡狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所承受的載荷不均，易造成機(jī)身劇烈震動(dòng)，影響設(shè)備的壽命。影響抽油桿和抽油泵的正常工作，進(jìn)而降低油井產(chǎn)量。

因此，當(dāng)抽油機(jī)平衡率不在85%～100%時(shí)，必須調(diào)整平衡度。目前國(guó)內(nèi)外絕大部分游梁式抽油機(jī)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(cè)、計(jì)算、分析，確定調(diào)整計(jì)劃后，安排3～4人在吊車(chē)配合下，停機(jī)后通過(guò)調(diào)整曲柄平衡塊的位置，使抽油機(jī)達(dá)到平衡。當(dāng)抽油機(jī)平衡率>100%時(shí)，曲柄平衡塊向輸出軸的方向調(diào)整；當(dāng)抽油機(jī)平衡率<85%時(shí)，曲柄平衡塊向遠(yuǎn)離輸出軸的方向調(diào)整。

人工調(diào)平衡需要2 h 左右，勞動(dòng)強(qiáng)度和管理難度較大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，而且精度有限。同時(shí)長(zhǎng)時(shí)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(jiàn)油時(shí)間延長(zhǎng)。

3 解決方案

抽油機(jī)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(shí)電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力僅有50%有效做功。平衡率越低，需要電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力越大。因此現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中要盡量使抽油機(jī)平衡率接近100%，最大限度地發(fā)揮電機(jī)效能[7]。

根據(jù)動(dòng)態(tài)平衡原理，參考天平的結(jié)構(gòu)[8]，研究設(shè)計(jì)了一種智能平衡裝置，以游梁式抽油機(jī)支架座軸承為中心，前后游梁形成兩個(gè)臂，通過(guò)在后臂上安裝一個(gè)可調(diào)節(jié)的平衡配重，當(dāng)油井載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致時(shí)，用很小的動(dòng)力就可使抽油機(jī)連續(xù)地工作。當(dāng)抽油載荷發(fā)生變化時(shí)，后臂上的平衡配重依據(jù)杠桿原理，通過(guò)位置移動(dòng)自動(dòng)增減配重砝碼，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抽油機(jī)智能平衡裝置由游標(biāo)、齒條、減速器、電機(jī)、太陽(yáng)能板、控制系統(tǒng)、游標(biāo)式配重塊、扇形齒輪、配重?cái)[錘、地面控制器組成，如圖1所示。智能平衡裝置通過(guò)支撐板螺栓固定在游梁式抽油機(jī)尾部。游標(biāo)為工字型滑道，游標(biāo)下部為鋸齒形齒條，減速器嵌套在游標(biāo)外部，并通過(guò)傳動(dòng)件與電機(jī)連接，減速器側(cè)面安裝太陽(yáng)能板和控制系統(tǒng)，游標(biāo)式配重塊位于減速器上方，與減速器螺栓連接，配重?cái)[錘則通過(guò)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(jī)智能平衡裝置結(jié)構(gòu)示意圖

地面控制器安裝在抽油機(jī)控制柜的金屬柜體上，設(shè)計(jì)了USB接口，人工界面可手動(dòng)觸摸操作，也可使用鼠標(biāo)操作。

抽油機(jī)智能平衡裝置采用太陽(yáng)能板充電[9]，用蓄電池帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器和扇形齒輪旋轉(zhuǎn)。

該裝置安裝方式簡(jiǎn)單，只需將智能平衡裝置與抽油機(jī)尾游梁掛接好，不用敷設(shè)電線(xiàn)電纜及安裝傳感器，工作量小、維護(hù)方便。

3.2 實(shí)現(xiàn)方法

安裝于地面抽油機(jī)控制柜中的控制器設(shè)定電流區(qū)間，根據(jù)采集的抽油機(jī)游梁位置信號(hào)和電流或功率信號(hào)自動(dòng)完成抽油機(jī)平衡率分析，判斷抽油機(jī)的平衡狀態(tài)，確定游標(biāo)式配重塊的移動(dòng)方向和距離，通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)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(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、轉(zhuǎn)速及方向，電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dòng)游標(biāo)式配重塊通過(guò)齒條嚙合沿游標(biāo)上的軌道進(jìn)行前、后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)力臂調(diào)節(jié)。通過(guò)扇形齒輪與齒條嚙合帶動(dòng)配重?cái)[錘進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，其工作原理如圖2所示。

圖2 抽油機(jī)智能平衡裝置工作原理圖

當(dāng)游標(biāo)式配重塊移動(dòng)到尾游梁最前端即靠近驢頭的一端時(shí)，配重?cái)[錘達(dá)到向前的最大位置，力臂最短，尾游梁力矩最小；相反，當(dāng)游標(biāo)式配重塊移動(dòng)到尾游梁最后端即遠(yuǎn)離驢頭的一端時(shí)，配重?cái)[錘達(dá)到向后的最大位置，力臂最長(zhǎng)，尾游梁力矩最大。

地面控制器設(shè)定平衡度上、下限，在抽油機(jī)運(yùn)行的每個(gè)沖程周期對(duì)平衡度進(jìn)行檢測(cè)，直至平衡度達(dá)到地面控制器的設(shè)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(biāo)式配重塊重量910 kg，配重?cái)[錘重量1 166 kg。游標(biāo)式配重塊直線(xiàn)行程1 000 mm，配重?cái)[錘旋轉(zhuǎn)角度100°（70°+30°）。游標(biāo)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與配重?cái)[錘旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)，單程用時(shí)約14 min。

智能平衡裝置利用天平原理，采用對(duì)稱(chēng)平衡方式，運(yùn)用軌道移動(dòng)和角度變化進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)[10]，對(duì)比常規(guī)游梁式抽油機(jī)曲柄回轉(zhuǎn)離心力平衡方式，平衡精度更高。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)抽油井智能平衡技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在不停機(jī)的情況下自動(dòng)調(diào)整抽油機(jī)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(yīng)用價(jià)值。

該技術(shù)在大港油田第五采油廠西7-15-1 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井抽油機(jī)型號(hào)CYJ12-6-73HF，電動(dòng)機(jī)額定功率30 kW，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 節(jié)能數(shù)據(jù)對(duì)比

新技術(shù)也改變了傳統(tǒng)人工調(diào)平衡的方式，實(shí)現(xiàn)了不停抽作業(yè)，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了油井生產(chǎn)時(shí)率（表2）。

表2 智能平衡裝置應(yīng)用效果

從表1、表2 中可以看出，在產(chǎn)液量相當(dāng)?shù)那闆r下，新技術(shù)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(shí)實(shí)現(xiàn)了不停抽作業(yè)，油井有效抽時(shí)率由98.7%上升到100%。

5 結(jié)論

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

2）智能平衡裝置使游梁式抽油機(jī)始終保持在最佳的平衡狀態(tài)下運(yùn)行，延長(zhǎng)了抽油機(jī)的使用壽命，減輕了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。抽油機(jī)平衡區(qū)間得到優(yōu)化、平衡率接近100%，節(jié)電可達(dá)14.2%。

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