天平式節能抽油機適用性探討

秦殿花（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

抽油機作為目前主要的機械采油設備，為油田的發展作出了巨大貢獻，但由于游梁式抽油機必須通過減速和傳動機構才能實現抽油桿的上下往復運動，因此，傳動效率較低，制約了抽油機系統效率的提高。天平式節能抽油機作為新型的游梁式抽油機，打破了傳統的設計理念，采用了機電一體化智能自動控制技術，與常規游梁式抽油機相比，取消了四連桿機構及齒輪減速箱，不僅提高了傳動效率，而且提高了零部件的耐用性；同時，永磁同步電動機在電腦控制下實現正、反換向，通過固定在前、后兩端驢頭上的驅動實現抽油機的運轉。另外，電氣系統適配無線遠程操作裝置，可遠程對系統進行監視，通過遙控器的簡單操作即可實現沖程、沖速的隨意設定；同時，動力傳輸采用柔性傳動，減小了抽油機井的換向沖擊載荷、交變載荷、慣性載荷，可大幅度降低桿管和脫接器等部件的損壞概率[1]。

1 天平式游梁抽油機結構

天平式游梁抽油機主要由前驢頭、游梁、后驢頭、支架、底座、驅動輪總成、張緊輪總成、導向輪總成、增角輪總成、電動機、導向支架、配重箱等部分組成，取消減速器和四連桿機構，采用底座連接支架作為支撐，支承軸連接游梁及前后驢頭，通過永磁同步電動機實現正、反換向，通過固定在前、后兩端驢頭上的驅動實現抽油機的運轉（圖1）。

圖1 天平式游梁式抽油機結構示意圖

2 天平式游梁抽油機工作原理

天平式游梁抽油機采用變頻永磁同步電動機代替普通異步電動機，通過膠帶導輪組來驅動天平式游梁抽油機的工作驢頭和配重驢頭。

上沖程時，工作驢頭懸點需提起桿柱和液柱，此時配重驢頭和配重箱從勢能相對較高位置下行，對工作驢頭懸點做功，幫助電動機提升桿柱和液柱。在天平式抽油機未平衡的情況下，變頻電動機正轉提供所需要的能量幫助抽油桿柱上行。

下沖程時，抽油桿柱轉而對配重驢頭和配重箱做功，把驢頭和配重箱拉到一個相對高的勢能位置，為下一沖程儲蓄能量，此時變頻電動機反轉處于發電機的運行狀態，其所產生的電能回饋到電網。

天平式抽油機采用對稱平衡方式，運用柔性連接的方式進行傳動，代替了普通抽油機曲柄回轉離心力平衡方式，可使平衡度更高。

3 天平式游梁抽油機設計

常規游梁式抽油機必須通過減速器和傳動機構才能實現抽油桿的上下往復運動，傳動效率低、能耗高，制約了常規游梁式抽油機系統效率的提高。因此，引入了機電一體化智能控制技術，在常規游梁式抽油機的基礎上，對天平式游梁抽油機進行了設計。

3.1 系統結構

1）設計一種將制動器安裝在電動機上的電動剎車裝置，其剎車扭矩大于電動機額定扭矩的2 倍以上，以便剎車能夠更加安全、可靠。以型號TCYJ14-5.4 型天平式游梁抽油機為例（表1），進行設計。

表1 TCYJ14-5.4 型天平式游梁抽油機油井工況

2）電動機功率設計。抽油機沖程S =5.4 m，設定時間分段：加速區t1=0.5 s，勻速區t2=6.2 s，減速區t3=0.5 s，停頓時間t4=0.3 s。按電動機功率標準系列選擇25 kW 電動機。

3）驅動繩強度設計。驅動繩最大工作靜拉力是抽油桿斷裂時鋼絲繩受的拉力。驅動繩采用4 根12-6×7-1960 的鋼絲繩。鋼絲繩破斷拉力F0=101 kN 以及鋼絲繩工作的安全系數n =7，所以鋼絲繩的強度條件為4F0=404 kN，驅動繩可滿足強度需求[2]。

4）懸繩強度設計。抽油機額定懸點載荷P ，由2 根懸繩承擔，單根受力P/2 。根據懸繩單根受拉破斷拉力F0，當F0＞P/2 時懸繩可達到設計要求。

TCYJ14-5.4 型抽油機額定懸點載荷140 kN，由2 根懸繩承擔，單根受力70 kN。懸繩單根最小破斷拉力440 kN，其強度可滿足要求。

3.2 關鍵技術

1）設計調壓節能技術。抽油機的功率檔次有限，且每口井的參數不盡相同，在選配抽油機時，不可能剛好和抽油機的功率檔次相匹配。各型號抽油機在配用電動機時，為了保證在各種工況下能夠正常運行，留有一定的功率余量。當油井產液量下降時，載荷相應減小，就造成了負載率偏低，導致其效率和功率因數都較低。因此，設計控制變頻永磁同步電動機控制柜實現自動調壓的功能，適當調節電動機定子的端電壓，使之與電動機的負載率合理匹配，這樣就降低電動機的鐵耗和無功功率，可以提高電動機的運行效率和功率因數，達到節能的目的。天平式游梁抽油機安裝前后應用效果見表2。

表2 天平式游梁抽油機安裝前后應用效果對比

2）設計長沖程、低沖速。長沖程、低沖速的設計使抽油桿在運行時，只在上、下死點附近存在加、減速度，其余行程是勻速運動，可以保證抽油桿震動更小、沖程損失更小，泵充滿程度更高。

3）控制系統單片機設計及變頻控制技術。天平式游梁抽油機的最大沖程可達6～8 m，沖速范圍達0.15～6min-1。通過單片機及變頻控制裝置的設計，使其沖程與沖速可無級調節，抽油桿的上、下速度可分別獨立調節，以便滿足油井出現產量下降時的適應性[3]。

4）設計遠程無線操作方式。設計采用高可靠的軟件診斷，達到全程監控運行參數，對抽油機運行曲線進行監控、過載過沖保護、抽油桿斷脫保護、智能故障檢測。在出現無法避免的故障時，主動停機報警并記錄故障，具備完善的安全保護功能。

5）設計智能間抽技術。在油井產液量逐漸下降的情況下，沉沒度也會逐漸降低，導致泵的充滿度越來越低；在地層能量不足或抽汲參數不能繼續下調的情況下，會浪費大量的電能。為解決上述問題，設計安裝了能夠精確感知油井載荷動態變化的傳感器，通過與變頻永磁同步電動機的控制柜實現自動對話，以達到滿足智能間抽、節約電能的要求。

3.3 主要型號及對應參數

天平式節能抽油機主要有7 種型號，最大沖程范圍為0～5.4 m，最大沖速范圍為0～6 min-1（表3）。

表3 規格型號和技術參數

4 在喇嘛甸油田適應性分析

1）低產液情況下適應范圍廣。統計分析喇嘛甸油田近3年來投產的二類油層聚合物驅區塊，采油井的產液量變化范圍為5～95 t/d，變化范圍較大。天平式節能抽油機可以任意調低沖程、沖速，因此，在油井出現產量下降時具有很好的適應性[4]。

2）有利于延緩偏磨延長檢泵周期。天平式節能抽油機運行時具有長沖程、低沖速的特點，與喇嘛甸油田聚驅抽油機井防偏磨措施相一致；同時，柔性傳動能減小交變載荷、慣性載荷，可大幅度降低桿管和脫接器等部件的損壞概率。

3）提高遙控器性能。為更方便操控該抽油機，應配備高性能遙控器，保證其遠程控制距離以及在惡劣天氣條件下的正常使用。

4）加大鋼絲繩強度。鋼絲繩是天平式節能抽油機的主要傳動部件，同時也是易損部件，而喇嘛甸油田的單井產液量大，載荷高，將會加劇鋼絲繩的磨損，因此需優化并加強鋼絲繩強度。

5 結論與認識

1）天平式游梁抽油機從改變抽油機的結構和電動機結構入手，使抽油系統達到結構最簡化、效率最大化目的。

2）天平式游梁抽油機運行時具有長沖程、低沖速的特點，與聚驅抽油機井防偏磨措施相一致，有利于延長偏磨檢泵周期。

3）針對控制系統設計了單片機及采用了變頻控制技術，在油井出現產量下降時具有適應性。另外，通過遙控器的簡單操作即可實現沖程、沖速的隨意設定，可遠離抽油機，降低工人勞動強度的同時消除了安全隱患。

[1]張琪.采油工程原理與設計[M].石油大學出版社,2000:21-22.

[2]郭秀英,趙偉民.永磁電機在抽油機中的應用[J].科技創新導報,2010(5):53-55.

[3]董世紅.游梁式抽油機變頻調速技術改造及應用[J].長江大學學報,2010(7):15-17.

[4]劉群杰.天平式節能抽油機現場試驗效果分析[J].勘探開發,2011(9):41-43.