智能吊重平衡游梁式抽油機(jī)在采油企業(yè)的應(yīng)用

劉 濤，徐古林，汪耘舟，劉渭乾

（1.長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

采油三廠共有抽油機(jī)7484 臺(tái)，其中立式抽油機(jī)7 臺(tái)，數(shù)字化抽油機(jī)3448 臺(tái)，常規(guī)抽油機(jī)4029 臺(tái)。采油三廠2018 年11 月在紅井子作業(yè)區(qū)池187-1 擴(kuò)井組安裝4 臺(tái)寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的10 型智能吊重平衡游梁式抽油機(jī)，分別于12月投產(chǎn)。

1 主要技術(shù)特點(diǎn)

本機(jī)由底座、支架、托架、前置式游梁、橫梁、驢頭、吊滑輪組機(jī)構(gòu)、曲柄連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及動(dòng)力裝置、剎車裝置等零部件組成。游梁以鉸鏈支座固定在支架上，可上下往復(fù)擺動(dòng)。平衡吊坨的鋼絲繩一端固定在托架上，經(jīng)一組滑輪對(duì)游梁前端總是施加一與負(fù)載力矩反向的平衡力矩。曲柄輪安裝在減速機(jī)輸出軸上，連桿（一組）下端與曲柄輪用曲柄銷裝置聯(lián)接，上端與橫梁以軸承鉸鏈方式聯(lián)接。

1.1 前驅(qū)動(dòng)式吊重平衡抽油機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)

（1）將杠桿式游梁改為前置式游梁。在沖程相同時(shí)，前置式游梁擺角小，使得負(fù)載變化率小，機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)相對(duì)平穩(wěn)，毛辮子繩對(duì)中性好，從而提高抽油泵的使用壽命，同時(shí)改善了驢頭受力狀況和整機(jī)運(yùn)行安全性。

（2）將曲柄平衡改為吊重平衡。①解除了原機(jī)構(gòu)減速機(jī)的沉重負(fù)載，使整體驅(qū)動(dòng)機(jī)件受力小，壽命長(zhǎng)，大幅提高了關(guān)鍵部件減速機(jī)的使用壽命，節(jié)約了維護(hù)費(fèi)用；②起動(dòng)慣量極小，配套電機(jī)容量大幅度下降，節(jié)約動(dòng)力。同時(shí)可以做到隨啟隨停，為檢修維護(hù)和應(yīng)急停機(jī)奠定良好的基礎(chǔ)；③可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整平衡狀態(tài)，調(diào)整速度快、精度高，有效提高節(jié)能效果。

（3）吊重平衡中采用滑輪組增力方案。通過(guò)滑輪組機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，以較少的吊砣產(chǎn)生成倍的吊重平衡力矩，從而減少配重，節(jié)約材料，同時(shí)減輕吊重鋼絲橡膠帶的負(fù)荷，延長(zhǎng)其使用壽命。

（4）吊重平衡中采用強(qiáng)力鋼絲繩芯橡膠帶方案。這是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)使用多根強(qiáng)力鋼絲繩作為帶芯，大幅度提高鋼絲繩彎曲疲勞強(qiáng)度。同時(shí)外包耐候性優(yōu)良的橡膠，具有免維護(hù)功能，進(jìn)而制成性能可靠的橡膠帶。

（5）采用智能控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)合。通過(guò)智能控制模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)運(yùn)行情況，分析8 種傳感器數(shù)據(jù)，將懸點(diǎn)載荷、驢頭角位移、游梁扭矩等運(yùn)行參數(shù)收集并傳輸?shù)街悄芸刂颇K，自動(dòng)調(diào)節(jié)沖次和電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)沖次和電機(jī)運(yùn)行參數(shù)最優(yōu)，并且故障自停并上報(bào)故障碼，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可在遠(yuǎn)端監(jiān)控中心、用戶客戶端和手機(jī)移動(dòng)客戶端實(shí)時(shí)接收運(yùn)行數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制啟停、讀取故障碼、分析運(yùn)行參數(shù)等功能。

1.2 節(jié)電技術(shù)特點(diǎn)

同等機(jī)型，比常規(guī)抽油機(jī)配套動(dòng)力降低50%，比尾部移動(dòng)平衡抽油機(jī)配套動(dòng)力降低1/3。節(jié)電技術(shù)特點(diǎn)：①采用吊重平衡方式，合理利用下沖程時(shí)的重力功；②吊重力矩直接跟蹤平衡負(fù)載力矩，大幅降低驅(qū)動(dòng)力；③停機(jī)時(shí)，機(jī)構(gòu)自動(dòng)處于平衡位置，啟動(dòng)慣量??；④可不停機(jī)調(diào)整平衡且調(diào)整精度高，大幅降低無(wú)功損耗；⑤采用智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“油多快抽，油少慢抽”；⑥自動(dòng)加載平衡系統(tǒng)主要由智能控制柜、地面水箱、水泵及換向系統(tǒng)、膠管和吊重水箱組成。通過(guò)測(cè)得抽油機(jī)運(yùn)行中的平衡度，智能控制柜將周期性計(jì)算出吊重需要增加或減少的重量，并計(jì)算水泵及換向系統(tǒng)工作時(shí)長(zhǎng)。需要增加吊重重量時(shí)，水泵從地面水箱將液體抽入吊重水箱，反之同理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)吊重重量線性調(diào)節(jié)。改造后的抽油機(jī)外觀如圖1 所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)使用效果

選取同井況同機(jī)型抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能測(cè)試，對(duì)比抽油機(jī)耗電量。2019 年12 月27 日對(duì)池187-1 擴(kuò)井組3 口井進(jìn)行節(jié)能監(jiān)測(cè)（報(bào)告編號(hào)JCPJ-025-2019），對(duì)比新疆10 型數(shù)字化抽油機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果，2012 年11 月15 日對(duì)采油六廠池59-131 和采油三廠紅井子作業(yè)區(qū)坊72-122 井進(jìn)行節(jié)能監(jiān)測(cè)（報(bào)告編號(hào)JN2012-033）。

2.1 裝機(jī)功率對(duì)比（表1）

通過(guò)裝機(jī)功率對(duì)比，吊重平衡游梁式抽油機(jī)電機(jī)功率較新疆10 型數(shù)字化抽油機(jī)電機(jī)功率降低26%，減速箱扭矩由37 kN·m 降低到18 kN·m。

2.2 耗電量對(duì)比

從報(bào)告上看：79-190 噸液百米耗電0.795 kW·h，72-122噸液百米耗電1.714 kW·h；按每日5 方計(jì)算，用79-190 的參數(shù)（密度0.987，動(dòng)液面1286）；79-190 耗電：0.795×5×0.987×1286/100=50.45 kW·h；72-122 耗 電：1.714×5×0.987×1286/100=108.78 kW·h；年節(jié)電費(fèi)=（108.78-50.45）×365×0.62=1.32 萬(wàn)元。主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2，紅井子現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖1 抽油機(jī)外觀圖

結(jié)合泵掛深度2200 m，對(duì)比坊79-190 和其他3 口游梁式抽油機(jī)的電費(fèi)差分別為：13125 元，9278 元，22856 元。結(jié)合報(bào)告數(shù)據(jù)1.32 萬(wàn)元，按照紅井子作業(yè)區(qū)5 m3/d 的平均日產(chǎn)，單臺(tái)對(duì)比節(jié)電量約為1.32 萬(wàn)元。

2.3 系統(tǒng)效率對(duì)比

吊重平衡游梁式抽油機(jī)50 Hz 系統(tǒng)效率為39.32%，新疆10 型數(shù)字化抽油機(jī)50 Hz 系統(tǒng)效率為29.29%，系統(tǒng)效率提高10.03%。

2.4 對(duì)比常規(guī)機(jī)型技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）根據(jù)整機(jī)平衡原理吊重可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載進(jìn)行大幅調(diào)節(jié)，結(jié)合自動(dòng)平衡系統(tǒng)，能夠達(dá)到精確平衡。目前CYJW10-3-37HY（S2K）抽油機(jī)可實(shí)現(xiàn)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)范圍為80～100 kN，CYJ10-11-18 吊重有效預(yù)加載為0.482 t，可以實(shí)現(xiàn)30～100 kN 寬范圍平衡調(diào)節(jié)，吊重平衡游梁式抽油機(jī)可以大大改善因油井管柱配比、泵掛深度變化造成的低負(fù)載不平衡情況。

（2）結(jié)構(gòu)上繼承了游梁式抽油機(jī)曲柄連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正弦運(yùn)動(dòng)曲線優(yōu)點(diǎn)，克服了游梁式抽油機(jī)曲柄平衡的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了游梁式結(jié)構(gòu)與吊重平衡方式的有效結(jié)合。

（3）整機(jī)采用框架式結(jié)構(gòu)，通過(guò)主體支架和前后立柱作為主要受力部位，同時(shí)采用有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了整機(jī)穩(wěn)定性。相比數(shù)字化無(wú)基礎(chǔ)抽油機(jī)和傳統(tǒng)曲柄平衡抽油機(jī)穩(wěn)定性大大提高，同時(shí)由于采用吊重平衡方式，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程對(duì)整機(jī)的沖擊載荷較小。

（4）該新型抽油機(jī)可以通過(guò)配重塊實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，平衡度可控制在85%以上。通過(guò)自動(dòng)平衡系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)配重質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，平衡度控制在95%以上。

（5）該新型抽油機(jī)通過(guò)吊重與配重相互平衡，運(yùn)轉(zhuǎn)中需要的驅(qū)動(dòng)力大大減少，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)承受沖擊載荷較低，主體支架、減速器等部件負(fù)擔(dān)較輕。

（6）采用吊重平衡方式，回收利用了光桿下行時(shí)的全部重力功。光桿下行的重力功轉(zhuǎn)化為吊砣位能，上沖程時(shí)再釋放吊砣位能而抽油，也就必然減少動(dòng)力做功而節(jié)能。同時(shí)連桿主要受到向下的拉力，且力矩較小，對(duì)連桿銷子組合部件影響較小，對(duì)比游梁平衡抽油機(jī)連桿銷子異響情況將大大減少。

（7）采用前置式游梁和直接平衡負(fù)載的方式，實(shí)現(xiàn)全程跟蹤平衡的效果。該機(jī)構(gòu)使平衡力矩與負(fù)載力矩為同一矩心，可根據(jù)實(shí)際抽油工況變化規(guī)律，設(shè)計(jì)平衡力矩隨抽油工況而變化，即上沖程時(shí)由大變小，利于抽油；下沖程時(shí)由小變大，利于光桿回落，實(shí)現(xiàn)了跟蹤平衡的效果，減少了電機(jī)作功。

（8）該機(jī)構(gòu)停機(jī)時(shí)，會(huì)自動(dòng)處于平衡位置，啟動(dòng)慣量小，電機(jī)啟動(dòng)功率小，裝機(jī)功率低，大幅度減少了大功率配置動(dòng)力的無(wú)功損耗。

表1 裝機(jī)功率數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 主要參數(shù)對(duì)比

表3 紅井子現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

（9）該機(jī)有兩種調(diào)整吊重平衡的方式：①自動(dòng)加減載荷和人員配合的調(diào)整方式。井況負(fù)載變化在600 kg 內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加減吊重載荷，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)平衡。載荷變化超過(guò)600 kg 時(shí)，需要人工配合調(diào)整吊重，在人工調(diào)整后，仍然在600 kg 載荷變化內(nèi)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡，平衡度可以調(diào)整到最好；②人工加減載平衡方式?？刹煌C(jī)完成加載調(diào)整平衡，調(diào)整精度較高，大幅度減少殘余不平衡量造成的無(wú)功機(jī)械損耗。

2.5 其他方面

①抽油機(jī)驢頭屬于側(cè)翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)不影響正常修井作業(yè)。②吊重通過(guò)導(dǎo)桿及導(dǎo)向輪控制，避免吊重對(duì)導(dǎo)桿的磨損；能夠降低風(fēng)力對(duì)吊重以及整機(jī)的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

智能吊重平衡游梁式抽油機(jī)結(jié)合傳統(tǒng)游梁機(jī)和立式皮帶機(jī)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)皮帶與動(dòng)滑輪系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)了“動(dòng)態(tài)跟蹤平衡”。采用變頻電機(jī)，實(shí)現(xiàn)柔性啟動(dòng)與線性調(diào)速，裝機(jī)功率較低。配備智能控制柜，實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)控制，具有自適應(yīng)能力，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)調(diào)節(jié)、故障預(yù)警等功能。

經(jīng)過(guò)超過(guò)500 d 的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，整機(jī)運(yùn)行正常，通過(guò)將杠桿式游梁改為前置式游梁，曲柄平衡改為吊重平衡，采用滑輪組增力，強(qiáng)力鋼絲繩芯橡膠帶，智能控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)合，整機(jī)采用框架結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。整機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng)，適用負(fù)載范圍更寬。裝機(jī)功率較同機(jī)型游梁式抽油機(jī)降低26%，減速箱扭矩由37 kN·m 降低到18 kN·m。下一步建議優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，增加安裝、移機(jī)、維修的便利性，向免維護(hù)方向發(fā)展，同時(shí)不建議采用大減速比減速箱。