抽油機井自動平衡改造方法及效果評價

戰(zhàn)永生（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

游梁式抽油機運行過程中懸點負(fù)荷變化是不均勻的，而且懸點運動的加速度和速度變化又加劇這種不均勻性，傳統(tǒng)平衡調(diào)整方式是調(diào)整平衡塊在曲柄上的位置，消除無用功，使電動機、減速箱的負(fù)荷變化均勻[1]。但目前游梁、曲柄平衡包括下偏杠鈴平衡均屬于靜態(tài)平衡，平衡塊杠鈴位置固定不動，導(dǎo)致其力臂變化有限，平衡節(jié)能效果不足[2-3]。通過自動平衡設(shè)計，實現(xiàn)抽油機運行過程中平衡重力臂自動調(diào)節(jié)，動態(tài)平衡，使節(jié)能效果顯著增強。

1 技術(shù)原理

太陽能儲能自動平衡抽油機，采用在尾游梁上安裝游標(biāo)式配重塊，配重游標(biāo)依靠太陽能運行，太陽能電池板給蓄電池充電，蓄電池帶動直流電動機驅(qū)動配重游標(biāo)自動前后移動調(diào)節(jié)配重力臂，從而在不停機的情況下自動調(diào)整抽油機平衡度，使抽油機平衡度始終保持在較高水平[4-5]。

由游梁抽油機平衡重做功公式得：

式中：Aw為下沖程桿柱重量及電動機對懸點載荷做功；s為沖程，m；c為游梁平衡力臂長度，m；Wb為達(dá)到平衡所需平衡重，kN；Xuc為抽油機不平衡所需配重，kN；a為游梁前臂長度，m。

當(dāng)抽油機在下死點時，自動平衡塊向后移動，相當(dāng)于平衡塊力臂c加長，則電動機做功減少；同理，當(dāng)抽油機運行到上死點時，游標(biāo)平衡塊自動向內(nèi)運行，相當(dāng)于平衡塊力臂c減少，則Aw減少；由公式可知，桿柱對載荷做功不變，Aw減少，則電動機對載荷做功減小。通過以上分析可以看出，自動平衡裝置通過在抽油機運行過程中游標(biāo)自動運行，加大或減小抽油機力臂，減少電動機功率輸出，改善平衡效果，從圖1 可見，經(jīng)尾游梁平衡后，曲柄靜扭矩峰值大幅降低，波形更加平緩，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)[6-8]。

圖1 尾游梁平衡后曲柄靜扭矩情況

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

太陽能儲能自動平衡尾游梁裝置由尾游梁和地面控制系統(tǒng)組成。其中尾游梁可采取懸掛的方式固定在抽油機游梁尾部，負(fù)責(zé)實現(xiàn)自動平衡功能的太陽能游標(biāo)均安裝在尾游梁上（圖2）。

圖2 抽油機井太陽能儲能自動平衡裝置示意圖

1） 尾游梁。尾游梁由尾游梁主體和游標(biāo)組成，游標(biāo)套接在尾游梁主體的梁體上[9-10]。尾游梁尾部設(shè)置配重塊，用于調(diào)節(jié)超出游標(biāo)運行范圍以外所需的平衡塊重量及力矩。游標(biāo)式尾游梁采取掛接方式安裝在游梁尾部，不用敷設(shè)任何電線電纜和傳感器。

2）太陽能游標(biāo)。游標(biāo)控制箱及蓄電池組采用兩側(cè)模塊化安裝，自動平衡尾游梁結(jié)構(gòu)圖見圖3。太陽能游標(biāo)兩側(cè)設(shè)置太陽能電池板。蓄電池采用2塊12 V、50 Ah 串聯(lián)組成，電壓為24 V 直流電源。電動機為24 V、120 W 低速大扭矩?zé)o刷直流電動機。游標(biāo)兩端分別安裝限位開關(guān)，游標(biāo)觸發(fā)限位開關(guān)后停止動作，實現(xiàn)可靠的限位保護(hù)功能。

圖3 自動平衡尾游梁結(jié)構(gòu)圖

3）控制系統(tǒng)。地面控制系統(tǒng)采取無線通信方式發(fā)出的控制信號，控制游標(biāo)配重的移動。

3 尾游梁受力分析

為保證改造尾游梁受力均勻以及改造部位強度，對尾游梁進(jìn)行強度校核計算。在額定扭矩及電動機自身重力作用下，在尾游梁自身重力以及游標(biāo)平衡重作用下，最大應(yīng)力發(fā)生在尾游梁根部（與游梁連接處），最大應(yīng)力為113.7 MPa，按照屈服強度830 計算，安全系數(shù)7.29 （830/113.7），變形量極小，滿足強度要求，改造后也不會改變常規(guī)游梁使用強度。

4 應(yīng)用情況及效果

現(xiàn)場可采取兩種方式進(jìn)行改進(jìn)平衡效果達(dá)到節(jié)能目的：一是采取游標(biāo)行程與抽油機井沖程同步的方式進(jìn)行平衡；二是采取游標(biāo)定位置的平衡方式，即游標(biāo)依據(jù)抽油機井的平衡狀態(tài)采取固定任意位置的方式進(jìn)行節(jié)能平衡。

為驗證抽油機井自動平衡改造的平衡效果，試驗時分別測試游標(biāo)固定位置平衡以及與沖程同步行程方式兩種狀態(tài)下的能耗和載荷情況。游標(biāo)平衡重固定時測量，游標(biāo)位于尾游梁低端、中部及低端，分別比改造前節(jié)電33.37%、34.13%和33.95%，系統(tǒng)效率分別可提高6.9、7.4、7.3 個百分點，1#井游標(biāo)固定不同位置平衡效果對比見表1。

表1 1#井游標(biāo)固定不同位置平衡效果對比

對應(yīng)抽油機每個沖程運行，通過太陽能儲能單元控制游標(biāo)配重運行。游標(biāo)運行的不同行程下，最大有功節(jié)電率可達(dá)到43.1%，1#井游標(biāo)動態(tài)平衡狀態(tài)下平衡效果見表2。通過電流監(jiān)測可見，峰值電流由最高11.2 A 下降到6.9 A，折算扭矩峰值比常規(guī)曲柄平衡下降40.7%，極大改善平衡效果，2#井太陽能儲能型自動平衡改造效果曲線見圖4。按游標(biāo)行程0.5 m 運行計算，平均有功降低1.087 kW，日節(jié)電26.1 kWh，年節(jié)電9 391 kWh。

表2 1#井游標(biāo)動態(tài)平衡狀態(tài)下平衡效果

圖4 2#井太陽能儲能型自動平衡改造效果曲線

5 結(jié)論

1） 抽油機太陽能儲能自動平衡尾游梁改造，依靠太陽能控制配重游標(biāo)，可實現(xiàn)抽油機在每個沖程內(nèi)的動態(tài)平衡調(diào)整，能夠極大改善無法滿足平衡條件的老舊抽油機的運行需求。改造成本低，運行可靠，可作為今后油田開展碳中和節(jié)能的有效方式之一。

2）抽油機太陽能儲能自動平衡尾游梁改造的游標(biāo)有效行程長，調(diào)節(jié)平衡度范圍大。現(xiàn)場應(yīng)用表明，能有效改善抽油機井的平衡運行狀況，有效降低峰值扭矩，折算扭矩峰值比常規(guī)曲柄平衡能下降40.7%。

3）在改善抽油機平衡效果的同時，該技術(shù)起到了較好的節(jié)能降耗效果。游標(biāo)運行的不同行程下，最大有功節(jié)電率可達(dá)到43.1%。測試表明，平均有功功率降低1.087 kW，系統(tǒng)效率提高7.9%，日節(jié)電26.1 kWh，單井年節(jié)電9 391 kWh。