抽油機智能調平衡裝置的研制

馮靜 陳雷 杜廣純 劉春雨 劉春紅

（1.大慶油田有限責任公司第三采油廠；2.大慶油田有限責任公司第七采油廠；3.大慶油田裝備制造集團；4.大慶油田有限責任公司井下作業(yè)分公司；5.大慶油田有限責任公司第二采油廠）

1 實施背景

游梁式抽油機具有結構簡單、操作維修方便以及使用壽命長的特點，是目前主要采用的舉升裝置[1]。由于抽油機懸點在運動時，上下沖程中受到載荷不均勻，通常采用調平衡[2-4]的方法來減小對抽油裝置的影響，同時可以提高抽油機的系統(tǒng)效率。

抽油機運轉不平衡可導致抽油機運行過程中耗電量增加、減速箱磨損加快等問題，因此抽油機平衡調整工作尤為重要。目前，某采油廠年抽油機平衡調整工作量達到800 井次以上，該項工作均由人工完成，勞動強度大，且存在操作安全隱患問題。受油井結蠟、泵效等因素的影響，部分井平衡率變化頻繁，1 個月內需調整3～4 次，重復工作量較大。

為解決上述問題，開展了抽油機智能調平衡自動控制技術試驗，實現了抽油機平衡自動調整，以減輕員工勞動強度，降低抽油機能耗，消除人為調平衡工作帶來的安全隱患。

2 國內外研究現狀

目前，國內外油田機械采油系統(tǒng)普遍采用游梁式抽油機，其裝配的電動機以Y 型異步電動機為主。游梁式抽油機平衡度是抽油機運行狀態(tài)的一個重要參數之一，也是評價油井設備運行管理的一項技術指標。抽油機調平衡主要有四種方式：游梁平衡、曲柄平衡、復合平衡、氣動平衡。

長慶油田目前應用的數字化抽油機具備自動調平衡的功能。該裝置以電流平衡率作為調節(jié)的依據，調整方式分為兩種方式：①擺動平衡，在抽油機尾部增加了可進行擺動運行的配重裝置，通過對該裝置的擺角控制，實現平衡自動調節(jié)；②移動平衡，在游梁上增加了可移動的平衡配重裝置，通過改變該裝置在游梁上的位置，實現平衡自動調節(jié)。

在國際上影響力較大的美國石油學會標準API11E 中，沒有抽油機平衡的內容，但國外油田對抽油機平衡的管理同樣重視，各個油田早已把平衡的測試和調整納入了油田的日常工作。

在美國最具代表性的LUFKN 公司，其抽油機產品是世界公認的抽油機工業(yè)標準，LUFKN 公司采用的是上、下沖程最大扭矩值等作為平衡標準；拉夫金自動化公司有一個專門計算平衡的軟件CBLANCE，這個軟件從油井診斷和預測程序得到一個最大平衡塊扭矩（MCM）值，再根據當前的抽油機型號、曲柄型號、平衡塊型號和平衡塊位置，計算出當前的曲柄和平衡塊扭矩，通過比較計算出平衡塊的移動調整量。

創(chuàng)建于1989 年的美國THETA 公司，為國外引領有桿抽油機系統(tǒng)優(yōu)化軟件開發(fā)，咨詢和培訓潮流的主要公司，其開發(fā)推廣應用了CBALANCE 抽油機平衡軟件。該軟件無需現場反復測量就可得到系統(tǒng)平衡數據，節(jié)省時間和人力。其主要功能有：可一次性計算平衡點位置，計算機就可計算扭矩并分析，以決定抽油機是否系統(tǒng)平衡，齒輪箱是否過載，是否需要平衡動量。

隨著自動化水平的不斷提高，美國的BAKER公司、DELTA-X 公司等均研發(fā)了新型自動化可調平衡抽油機，這種類型的抽油機有耗能低、效率高、安全可靠等優(yōu)點。

3 抽油機游梁移動平衡微調裝置

3.1 工作原理

齒輪齒條式抽油機游梁移動平衡微調裝置見圖1。

圖1 齒輪齒條式抽油機游梁移動平衡微調裝置Fig.1 Fine-tuning device of beam moving balance with gear and rack pumping unit

在常規(guī)游梁式抽油機基礎上，增加尾平衡梁，變原來的曲柄平衡方式改為曲柄與尾平衡梁[5]的復合平衡方式，通過傳感器監(jiān)測抽油機平衡率，控制系統(tǒng)[6]根據平衡率給出平衡調整信號，控制驅動機構帶動尾平衡梁向平衡塊移動，從而實現抽油機平衡自動調節(jié)功能。

移動配重通過齒輪齒條傳動方式在平衡尾梁上做往復運動，采用三相異步電動機驅動、渦輪蝸桿減速器，充分利用渦輪蝸桿[7]傳動自鎖特性，保證移動配重安全；同時在移動配重底部增加移動輔助轉軸，確保嚙合齒輪、齒條不發(fā)生脫離。移動配重行程3 m，移動速度2 m/min。電動機接線采用拖鏈防護，確保線路安全。

與絲杠、絲母傳動相比，齒輪齒條傳動行程更大，平衡調節(jié)范圍大，對防腐、防塵、防銹蝕要求較低，對于野外工作環(huán)境有更強的適應性。

3.2 關鍵技術

1）利用復合平衡技術，既可人工大范圍調整抽油機平衡，也可小范圍內自動調整抽油機平衡，保證抽油機平衡度在合理區(qū)間內。

尾平衡梁（圖2） 主要由驅動裝置、聯軸器、鍵、傳動絲杠、移動配重、外球面軸承座和平衡梁組成。采用驅動裝置作為動力源，固定在平衡梁與游梁安裝側，動力輸出端通過聯軸器與傳動絲杠直接連接，傳動絲杠的另一端與固定在平衡梁上的具有可調心功能外球面軸承座連接，在傳動絲杠上安裝有絲母。平衡梁主體采用H 型結構，移動配重設計為馬鞍形，整體扣座在平衡梁上。移動配重為板式組合結構，傳動絲杠安裝后裝配，配重板數量可調，可實現不同工況條件下移動配重重量調整。絲母直接嵌入在移動配重內，無需其他方式限位，移動配重內側對稱安裝3 組滾輪，分別位于平衡梁上翼板上、下兩側，確保移動配重在平衡梁上正常滾動行走，同時在任何角度下移動配重不發(fā)生傾覆。平衡梁上移動配重上、下行程極限位置裝有安全限位裝置，保證移動配重在規(guī)定行程內移動，與聯軸器及軸承座不發(fā)生干涉。在平衡梁尾板上配有安裝孔，如有需要，可在尾部通過螺栓連接增加平衡塊，以增加平衡尾梁平衡的效果[8]。

圖2 尾平衡梁各部件組成Fig.2 Components of tail balance beam

2） 編寫RTU 程序，根據采集參數進行計算，計算出電流平衡度及功率平衡度，并根據計算結果與設定值進行比對，控制尾平衡塊移動，并將采集數據傳回至服務器。

選擇傳感器：傳感器包括電流互感器、載荷傳感器、角位移傳感器，利用傳感器可計算抽油機功圖、功率、電流等參數信息，將采集結果傳輸至RTU 進行計算。

選擇RTU：通過RTU 對各傳感器測量數據按照軟件編寫程序進行計算并輸出，輸出結果可控制傳動機構工作，保證抽油機平衡系統(tǒng)穩(wěn)定，達到設定值。

控制系統(tǒng)軟件方面具備采集、分析、控制功能，其中采集功能可采集抽油機三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率等參數；分析功能可通過采集參數分析抽油機電流平衡度、功率平衡度、曲柄平衡塊需移動距離等參數；控制功能分為工程師干預調節(jié)和自動控制調節(jié)兩種模式，工程師干預調節(jié)模式下可自行調節(jié)尾平衡塊到達指定位置，自動控制調節(jié)模式下尾平衡塊自動根據分析結果進行移動。

3）保護系統(tǒng)，防脫型尾梁掛座示意圖見圖3。尾梁掛座設計為防脫型結構，受力面與掛座底面夾角為60°，確保游梁在任意角度時掛座受力面與水平面垂直方向存在一定夾角，無脫落可能；同時在掛座增加壓蓋裝置，進一步強化防脫功能，提高平衡尾梁連接的可靠性。

圖3 防脫型尾梁掛座示意圖Fig.3 Anti-tripping type tail beam hanger

限位裝置：在移動配重上下行程極限位置設有接觸式限位開關，當相位開關觸頭與移動配重接觸并偏移一定角度后，限位開關向控制柜反饋信號，控制驅動裝置進行制動，保證尾平衡塊移動范圍在調整區(qū)間內。

絲杠防塵罩：采用具有伸縮功能的絲桿護罩對傳動絲杠進行防護處理，有防砂塵、防卡阻功能，消除野外風沙、雨水等不良因素對傳動機構的影響，保證傳動機構可靠性。

3.3 創(chuàng)新點

1）通過設計計算確定絲杠傳動式抽油機游梁移動平衡微調裝置裝配在CYJY8- 3- 37HB、CYJY6-2.5-26HB 抽油機的主要參數，使平衡率滿足油田客戶要求。

2）設計防脫型尾梁掛座結構。提高平衡尾梁連接的可靠性。

3） 防砂防腐設計，對移動滾輪及傳動用絲杠、絲母防砂防腐處理。

4）利用載荷傳感器、角位移傳感器、電流互感器等裝置對抽油機參數進行采集，并通過RTU 進行計算，給出調整信號，實現抽油機平衡自動控制功能。

4 現場試驗

截至目前，已完成某采油廠5 臺抽油機智能調平衡自動控制技術試驗，實現了抽油機平衡自動調節(jié)或者手動定時調節(jié)，電流平衡率在85%～100%或功率平衡率達50%以上，設備運轉正常，使用期間無安全隱患。試驗井改造后電流及功率平衡率見表1。

表1 試驗井改造后電流及功率平衡率Tab.1 Current and power balance rate after the reconstruction of test well

經過測量試驗井電流及功率數據，抽油機電流平衡率為85%～100%，功率平衡率為50%以上。5口試驗井包括2 口8 型抽油機、3 口6 型抽油機，其中8 型抽油機可調整范圍平均在80%～120%左右，6 型抽油機調整范圍平均在85%～105%左右，機型越大，可調整平衡區(qū)間越大，并且改造后可節(jié)約8%～10%的能耗[9-10]。調平衡試驗井能耗數據見表2。抽油機井智能調平衡自動控制技術實施后，5 口試驗井平均綜合節(jié)電率達到8%以上，5 口試驗井平均每小時節(jié)電0.64 kWh，年可節(jié)電2.783 8×104kWh，節(jié)約費用1.76 萬元。

表2 調平衡試驗井能耗數據Tab.2 Energy consumption data of balancing test well

該裝置的使用不僅解決了抽油機平衡調整難題，同時提高了抽油機產品自動化管理水平。合同驗收時受到某采油廠高度認可。

5 結論

1）應用抽油機智能調平衡自動控制技術可實現抽油機平衡自動調控功能，保證抽油機正常運轉，有效降低崗位員工勞動強度，提高自動化水平。同時達到了節(jié)能降耗的目的，綜合節(jié)電率達到8%以上。

2）8 型抽油機可調整范圍平均在80%～120%左右，6 型抽油機調整范圍平均在85%～105%左右，機型越大，可調整平衡區(qū)間越大。

抽油機智能調平衡自動控制技術試驗實施后，將原來的曲柄平衡方式改為曲柄與尾平衡梁的復合平衡方式，通過傳感器監(jiān)測抽油機平衡率，控制系統(tǒng)根據平衡率給出平衡調整信號，實現了抽油機平衡自動調整，以減輕員工勞動強度，降低抽油機能耗，消除人為調平衡工作帶來的安全隱患。該裝置具有平衡率高、節(jié)電率高、安全可靠性高的特點。