數字化抽油機電動平衡裝置結構分析及改進

白文雄，姚　鵬，李玉生，丁友林，唐道臨，鐘有學

(1.長慶油田分公司 機械制造總廠，西安710201；2.延長油田股份有限公司，陜西 延安 716000；

3.南陽二機集團南陽華美石油設備有限公司，河南 南陽 473000；4.南陽石油機械廠 退休辦，河南 南陽 473000)①

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數字化抽油機電動平衡裝置結構分析及改進

白文雄1，姚鵬1，李玉生2，丁友林3，唐道臨2，鐘有學4

(1.長慶油田分公司 機械制造總廠，西安710201；2.延長油田股份有限公司，陜西 延安 716000；

3.南陽二機集團南陽華美石油設備有限公司，河南 南陽 473000；4.南陽石油機械廠 退休辦，河南 南陽 473000)①

摘要：針對油田在用數字化抽油機存在自平衡范圍小，手動補充平衡塊調整不及時，造成抽油機經常處于不平衡狀態，以及游梁尾部太長引起的整機穩定性較差和故障多等缺陷。研制了一種新型電動平衡調節裝置，其安裝在數字化抽油機不受平衡重沖擊力的部位，僅傳遞轉矩，且結構簡單、工作可靠、無易損件。該裝置的內部設有調節平衡范圍的放大機構，避免了人工手動調整的弊端，可滿足抽油機額定載荷50%～100%的平衡能力。經過近2 a的運轉試驗，抽油機的平衡度始終保持在90%～110%，工作可靠。應用該裝置設計的大擺角抽油機結構緊湊、后臂短、穩定性好、可靠性高；還可對油田在用常規抽油機進行數字化改造，使其實現數字化抽油機的功能，具有較好的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：數字化抽油機；平衡度；結構；技術改造

文獻[1]介紹了一種帶有擺動平衡調節機構的數字化抽油機，是長慶油田分公司機械制造總廠率先自主研發成功的國內第1臺數字化抽油機，該類型數字化抽油機在長慶油田得到推廣應用；文獻[2]介紹了一種帶有移動平衡調節機構的數字化抽油機，是新疆第三機床廠在擺動平衡數字化抽油機的基礎上，參照彎梁變矩抽油機的結構，將擺動平衡機構改進為移動平衡機構，該類型數字化抽油機在長慶油田也得到了推廣應用；文獻[3]介紹的自平衡智能抽油機，其結構型式與移動平衡數字化抽油機的結構基本一致，是中石油渤海裝備制造有限公司研發成功的一種數字化抽油機，該類型數字化抽油機在長慶油田也得到了應用。

上述3種數字化抽油機均為純游梁平衡的抽油機，也是長慶油田產能建設及抽油機選型的主要設備。由于長慶油田位于鄂爾多斯盆地，是典型的“三低”油田，為了提高采油系統效率，油田開發部門通過不斷降低抽油機工作沖次，收到了比較好的效果。近幾年來，抽油機的工作沖次通常設定在1.5～5.0 min-1，使純游梁平衡的抽油機得到了較好的應用。為了滿足平衡能力為抽油機額定載荷的50%～100%，上述3種抽油機必須通過人工手動調節平衡塊加電動平衡調節機構滿足抽油機載荷平衡范圍。人工手動增減平衡塊的數量，給數字化抽油機的投產及日常應用管理使用帶來了較多不便。因此，研制一種結構簡單、工作可靠，自平衡范圍大，不需要人工增減平衡塊的電動平衡裝置，進一步完善數字化抽油機就顯得尤為重要。

1電動平衡調節裝置驅動方式選擇

數字化抽油機常年在野外工作，無人值守，油田對數字化抽油機的要求是結構簡單、工作可靠。抽油機的功能再先進，工作不可靠也是沒有生命力的。因此，要求電動平衡裝置的結構也必須操作簡單、工作可靠，在無人值守的情況下，任何工況下都能夠保證抽油機處于平衡狀態。游梁平衡抽油機的電動平衡裝置中，調節平衡的方法是改變平衡重的平衡力臂。改變平衡重平衡力臂的方式有2種：一是把平衡重懸掛在游梁的尾部用驅動裝置推動平衡重前后移動；二是用驅動裝置推動平衡重前后擺動。推動平衡重前后移動或擺動的驅動裝置有液壓驅動裝置、齒輪驅動裝置和絲杠驅動裝置3種結構。液壓驅動裝置結構復雜，對環境和管理水平要求高，不適宜在無人值守的情況下野外工作。齒輪驅動裝置，由于平衡重在每一個沖程循環過程中都在起升和下降，必然給齒輪傳動造成沖擊，不具備可靠性。絲杠驅動裝置工作平穩，可以達到很大的降速傳動比，用較小的轉矩轉動絲杠能夠獲得較大的軸向驅動力。因此絲杠驅動裝置是最可靠的，筆者2007年起，就開始對絲杠驅動裝置的電動平衡器進行試驗研究。據統計，具有絲杠驅動裝置的電動平衡裝置應用已超過2萬臺。

2油田在用數字化抽油機的電動平衡裝置結構分析

2.1擺動平衡調節裝置

圖1所示為擺動平衡調節裝置結構圖，該裝置由平衡梁、絲杠傳動裝置和平衡重總成等組成。平衡調節裝置通過平衡梁前端與數字化抽油機游梁后端懸掛固定，與游梁基本平齊。為了滿足數字化抽油機的平衡范圍，平衡重采用了人工手動增減平衡塊和通過絲杠傳動裝置改變平衡重與數字化抽油機支架軸承座中心的力臂大小，滿足平衡范圍為抽油機額定載荷50%～100%。主要問題表現為：

1)平衡梁長度較大，安裝后數字化抽油機整體中心較高，造成工作穩定性較差。

2)絲杠為單向單頭螺旋結構，絲杠長度較長，工作可靠性降低。

3)數字化抽油機上下沖程工作時，對絲杠傳動裝置造成循環沖擊載荷，降低了絲杠傳動裝置的工作壽命。

4)人工增減平衡塊以滿足數字化抽油機的平衡載荷范圍，給數字化抽油機的投產及日常管理帶來較大難度。

1—平衡梁；2—絲杠護管；3—固定支座；4—活動支座；

2.2移動平衡調節裝置

圖2所示為移動平衡調節裝置結構圖，該裝置由吊臂、移動配重箱、絲杠、平衡調節機和配重箱等組成。平衡調節裝置通過吊臂前端與數字化抽油機游梁后端懸掛固定，與游梁成一固定夾角，如同彎梁變矩抽油機型式。因配重箱的位置固定不便，為了滿足數字化抽油機的平衡范圍，采用了人工手動增減固定配重箱內平衡塊數量和移動式配重箱的數量，并通過絲杠平衡調節機改變移動式配重箱在吊臂上的位置與數字化抽油機支架軸承座中心的力臂大小，滿足平衡范圍為抽油機額定載荷的50%～100%。主要問題表現為：

1)吊臂長度很長，安裝后數字化抽油機整體中心較高，造成工作穩定性較差。

2)絲杠為單向單頭螺旋結構，絲杠長度長，加工難度大，工作可靠性降低。

3)結構復雜，平衡范圍較小。

4)二次人工增減固定配重箱和移動式配重箱內平衡塊數量，滿足數字化抽油機的平衡載荷范圍，給數字化抽油機的投產及日常管理帶來較大難度。

1—吊臂；2—支座；3—上行程開關；4—擋板；5—感應板；6—螺母盒；7—移動式配重箱；8—滾輪；

2.3自平衡智能抽油機平衡調節裝置

圖3所示為自平衡智能抽油機平衡調節裝置結構圖，該裝置由平衡梁、平衡車、絲杠和升降機等組成。平衡調節裝置通過平衡梁前端與數字化抽油機游梁后端懸掛固定，與游梁成一固定夾角，如同彎梁變矩抽油機型式。該裝置與移動式平衡調節裝置工作原理相同，沒有固定配重箱，將平衡重全部集中在平衡車上，為了滿足數字化抽油機的平衡范圍，采用了人工手動增減平衡車上配重塊的數量，并通過絲杠升降機改變平衡車在平衡梁上的位置與數字化抽油機支架軸承座中心的力臂大小，滿足平衡范圍為抽油機額定載荷的50%～100%。該結構將二次手動調節改為一次手動調節，主要問題表現為：

1)平衡梁長度很長，安裝后數字化抽油機整體中心較高，造成工作穩定性較差。

2)絲杠為單向單頭螺旋結構，絲杠長度很長，加工難度大，工作可靠性降低。

3)一次人工調節平衡重，平衡范圍較小。

4)人工手動增減平衡車配重箱內平衡塊數量以滿足數字化抽油機的平衡載荷范圍，給數字化抽油機的投產及日常管理帶來較多難度。

5)升降機的工作可靠性有待進一步驗證。

1—平衡車；2—銷軸；3—絲杠；4—升降機；

3新型電動平衡調節裝置研制

針對油田在用數字化抽油機平衡調節裝置自平衡范圍較小，可靠性較差的問題。研制出了一種新型電動平衡調節裝置[4]，并獲得了國家發明專利，其結構原理如圖4所示。該裝置由平衡重、平衡梁、伸縮桿組成。伸縮桿的一端與平衡重鉸接，另一端通過鉸鏈與平衡梁鉸接，在伸縮桿的中部裝有一根雙頭螺紋旋向相反的螺桿，螺桿下部伸出十字頭的端部用套筒聯軸節與減速機連接，減速機僅傳遞轉矩，不受平衡重沖擊力的影響。當減速機帶動螺桿轉動時，伸縮桿就會伸長或縮短，帶動平衡重前后擺動，從而完成了平衡力矩的調整工作。為使減速機與螺桿一起同步前后移動，又能傳遞轉矩，在減速機底座上裝有一根導向梁，導向梁的另一端可在鉸鏈中移動。為了擴大平衡調節裝置的平衡范圍，裝置內加入了一個調節平衡范圍的放大機構，可滿足數字化抽油機額定載荷50%～100%的平衡范圍，并能適應不同井深和工況的要求，不用人工增減調整平衡塊，使數字化抽油機實現了真正的自平衡。

圖4　新型電動平衡調節裝置結構原理

4大擺角數字化抽油機研制

現有的數字化游梁平衡抽油機，由于自平衡范圍較小，必須用人工手動向平衡重上加減調整平衡塊。為了便于向平衡重上加減調整平衡塊，需將后臂加長，使平衡重在最低點時距地面的距離在1 200 mm左右，由于后臂太長，穩定性差，不適宜高沖次運轉，安全性差，僅適用低滲透油田的開發。新型電動平衡調節裝置，簡單、結實、可靠、自平衡范圍大，不用調整平衡塊，平衡重的最低點遠離地面。用該裝置設計的大擺角10型數字化抽油機如圖5所示。大擺角數字化抽油機結構緊湊、美觀、運轉平穩、安全性能好、質量輕、制造成本低、結實可靠，符合一般機械產品設計的實用、美觀、經濟、尺度、比例、穩定的藝術造型的六原則，而且能和常規抽油機一樣適用高沖次，適合多水井開采的需要，是數字化抽油機全面推廣應用和打開國際市場的一種新舉措。

圖5　10型大擺角數字化抽油機

技術參數：額定懸點載荷100 kN；減速機額定轉矩37 kN·m； 沖程1.8、2.4、3.0 m； 沖次1.4～8.0 min-1；電動機功率15 kW；平衡調節范圍是抽油機額定載荷的50%～100%。用這種電動平衡調節裝置構成的數字化抽油機在延長油田股份有限公司杏子川采油廠一大隊九區隊301井的試驗獲得成功，如圖6所示。該數字化抽油機在無人看管的條件下已運行2 a多，抽油機的平衡度始終保持在90%～110%。

圖6　新型電動平衡調節裝置構成的

5油田在用常規抽油機的數字化改造

新型電動平衡調節裝置結構簡單緊湊，最易實現工廠化生產，便于油田在用常規抽油機、下偏杠鈴抽油機和彎梁變矩抽油機的數字化改造，改造時只要在游梁的尾部掛上電動平衡裝置，配上數字化智能控制柜即可。

5.1改造的必要性

隨著油田大力推行數字化管理，常規抽油機不具備數字化控制，不能夠根據油井負荷及產液量適時調整抽油機的平衡及工作沖次，與油井實現“供排協調”和數據上傳及遠程控制等數字化管理的弊病不斷顯現。但油田有數十萬臺在用的常規抽油機，如何將在用常規抽油機改造為數字化抽油機，滿足油田數字化管理需要，已成為油田關注的熱點。

5.2改造的安全要求

油田在用常規抽油機改造時，只對尾部平衡及控制系統進行改造，即在游梁的尾部掛上電動平衡調節裝置，并增加數字化部分結構，使其實現數字化抽油機的功能，達到數字抽油機要求。為減少改造工作量，所有改造工作需在抽油機現場一次改造完成。由于抽油機井場存在較多不安全隱患，不能進行電焊等動火作業，給改造工作帶來了較大的難度。這就要求將改造部件實行工廠化制造，現場改造采用掛接和螺栓連接等不動火作業，并確保改造后的機型能夠達到長期可靠工作的要求。

由于要改造的抽油機已在井場應用，為使改造工作有效進行，需要對在用的抽油機進行全面的檢測，根據檢測情況確定改造的必要性，對服役較長的抽油機需要進行必要的維修，以保證改造有效性[5]。

5.3改造的平衡重設計

油田在用常規抽油機和下偏杠鈴抽油機曲柄上雖都能調整平衡，為了使改造成的數字化抽油機滿足平衡范圍，在不影響生產成本和運轉的條件下適當加大自平衡范圍；對于常規彎梁變矩抽油機曲柄上不能調整平衡，根據測得的抽油機上下沖程的實際載荷，并將其放大15%～20%，即可滿足抽油機額定載荷的50%～100%的平衡調節范圍，平衡重采用圓柱結構，內部灌裝密度為3.7 g/cm3的混凝土，混凝土的骨料采用金剛砂，這樣的設計不僅可大幅降低了制造成本，而且還使改造成的數字化抽油機造型美觀，并具有一定的防盜功能。

5.4改造實例

根據以上原則，筆者完成了2種油田在用常規抽油機的數字化改造設計、制造和應用，如圖7～8所示。

圖7　常規曲柄平衡抽油機的數字化改造

圖8　常規彎梁變矩抽油機的數字化改造

根據這2種常規抽油機的數字化改造方法，分別在延長油田杏子川采油廠現場改造3臺，均得到了較好的應用。從現場改造到目前歷時近2 a，抽油機各結構運行良好，展現了較好的運行狀況，發揮了數字化抽油機的各項功能。不難看出，數字化抽油機的設計采用純游梁平衡的設計方法，只能適應低沖次、載荷偏小的工況。對于較高沖次的抽油機運行工況，筆者認為，將抽油機平衡的60%～80%采用曲柄固定平衡，剩余的20%～40%采用新型電動平衡調節裝置的游梁平衡方式實現數字化抽油機的平衡調節。這樣的平衡結構設計，適應范圍更廣，數字化抽油機整體中心相對較低，工作可靠性更高，可滿足更多區域的采油工藝需要。

6結論

1)新型電動平衡調節裝置結構簡單、結實可靠、驅動動力小、無噪聲，克服了現有平衡裝置可靠性較差的缺點。且自平衡范圍大，不需向平衡重上人工增減調整平衡塊，就能保證抽油機始終維持在平衡狀態。而且平衡重可遠離地面，地面上只有一個小曲柄，安全性好。

2)應用新型電動平衡調節裝置，采用大擺角結構，設計出的數字化抽油機同常規曲柄平衡的抽油機一樣結構緊湊美觀，穩定性好，適用較高速運轉，制造成本低于常規曲柄平衡抽油機。

3)新型電動平衡調節裝置結構緊湊，最易實現工廠化生產，便于油田在用抽油機的數字化改造；現場改造便于采用掛接和螺栓連接等不動火作業，避免了抽油機井場作業的不安全隱患；改造容易，成本較低，經測算，一臺現場在用抽油機的改造費用約￥4.3萬元，當年可收回改造成本；經數字化改造后的抽油機，由于平衡好，還可提高抽油機的使用壽命，綜合效益不低于20%。

4)新型電動平衡調節裝置輔以曲柄平衡的數字化抽油機，避免了目前純游梁平衡數字化抽油機的重心較高，穩定性較差的問題，可使數字化抽油機獲得更廣范圍的應用。

參考文獻：

[1]白文雄，白青，李茂，等.數字化抽油機的研制與應用[J].油氣田地面工程，2013，32(12)：149-151.

[2]馬述劍，于勝存，高長樂.數字化抽油機研制與應用[J].石油礦場機械，2013，42(11)：97-100.

[3]王雪玲，薛自建，蔣幽君，等.自平衡智能抽油機的研發與應用[J]．石油機械，2014，42(10)：82-85．

[4]鐘新，鐘南芳，鐘南惠，等.游梁式抽油機的電動平衡器：中國，ZL201210378596.X[P].2012-09-20.

[5]姚鵬，白文雄，樊勇，等.常規彎梁變矩抽油機的數字化改造技術與應用[J].石油礦場機械，2014，43(7)：95-98.

Structure Analysis and Improvement of Digital Pumping Unit’s Electric Balance Adjusting Device

BAI Wenxiong1，YAO Peng1，LI Yusheng2，DING Youlin3，TANG Daolin2，ZHONG Youxue4

(1.MachineryManufacturingPlant，ChangqingOilfieldCompany，Xi’an710201，China；

2.YanchangOilfieldCo.，Ltd.，Yan’an716000，China；.RGGroupNanyangHuameiPetroleumEquipmentCo.，Ltd.，Nanyang47300，China；4.DepartmentforRetirement，NanyangPetroleumMachineryPlant，Nanyang473000，China)

Abstract：There are some problems of digital pumping unit serving in oilfield such as small auto-balance scale，frequently in the state of imbalance if manually adjusting balance block not in time，poor stability and many faults caused by long walking beam end.A type of new electric balance adjusting device is developed to solve these problems.The device is installed on the part which does not take the impact force of balance weight，only transmits torque，has the advantage of simple-structure，high-reliability and no wear parts.The amplifying mechanism for adjusting balance scale is set in this device to avoid the disadvantage of manual operation，can achieve balance at 50%～100% of pumping unit’s rated load.After nearly 2a’s running test，the balance percentage is always maintained in 90%～110%.The big pivot-angle pumping unit applying this device has a compact-size，short rear beam and good stability.The device can be also applied to digital reform of conventional pumping unit to get the function of digital pumping unit and will bring good economic and social benefits.

Keywords：digital pumping unit；balance degree；structure；technique reform

中圖分類號：TE933.1

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.015

作者簡介：白文雄(1964-)，男，陜西清澗人，高級工程師，主要從事石油機械、一體化集成裝置設計研究和管理工作，E-mail：bwx_cq@petrochina.com.cn。

收稿日期：①2015-08-11

文章編號：1001-3482(2016)02-0067-05