自調(diào)平衡游梁式抽油機(jī)的研制

高章迎，卞和滿，李玲玲，高肇凌，劉長(zhǎng)青，劉凱輝，楊　俊，郭 雪，張少雷

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552；2.華北油田采油研究院，河北任丘062552）①

自調(diào)平衡游梁式抽油機(jī)的研制

高章迎1，卞和滿1，李玲玲1，高肇凌1，劉長(zhǎng)青2，劉凱輝1，楊俊1，郭 雪1，張少雷1

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘062552；2.華北油田采油研究院，河北任丘062552）①

通過(guò)接收隨機(jī)安裝的抽油機(jī)平衡監(jiān)測(cè)儀器的指令，使具有電驅(qū)動(dòng)調(diào)平衡裝置的游梁式抽油機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。自調(diào)平衡裝置采用齒輪齒條傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了游梁配重相對(duì)游梁的前后移動(dòng)，從而對(duì)井口載荷的變化進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，使抽油機(jī)達(dá)到最佳的平衡效果，達(dá)到節(jié)能的目的。

游梁式抽油機(jī)；齒輪齒條傳動(dòng)；自調(diào)平衡裝置

目前，國(guó)內(nèi)抽油機(jī)的保有量在20萬(wàn)臺(tái)以上，并且每年還以5 000臺(tái)的速度增加。在用的抽油機(jī)中大部分還采用常規(guī)游梁式抽油機(jī)，而其系統(tǒng)效率一般只有20%～30%，能耗占整個(gè)油田能耗的1/3［1］，系統(tǒng)效率低下。因此，節(jié)能成為有桿抽油系統(tǒng)的一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)節(jié)能運(yùn)行，提高效率，各類節(jié)能型游梁式抽油機(jī)層出不窮，均在一定程度上達(dá)到了節(jié)能效果［2］。但是隨著排采抽吸的進(jìn)行，井下工況會(huì)發(fā)生變化，井下載荷隨之變化，無(wú)論何種型式抽油機(jī)均無(wú)法實(shí)現(xiàn)自我平衡調(diào)節(jié)，需要人工操作。由于數(shù)量眾多，分布廣泛，油田不能及時(shí)對(duì)每臺(tái)不平衡抽油機(jī)進(jìn)行停機(jī)調(diào)平衡，只能針對(duì)個(gè)別不平衡非常嚴(yán)重的抽油機(jī)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)［3］，這就

造成抽油機(jī)大部分工作時(shí)間內(nèi)處于不平衡狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，使抽油機(jī)的受力狀況惡化，長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)還將造成抽油機(jī)的損壞。針對(duì)這一問(wèn)題，研制了一種自調(diào)平衡裝置，通過(guò)與電控監(jiān)測(cè)技術(shù)銜接，使抽油機(jī)與油氣井運(yùn)行參數(shù)有效結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的實(shí)時(shí)最佳平衡效果，既減少了抽油機(jī)運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)又提高了抽油機(jī)的使用壽命，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。該裝置已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利，專利號(hào)ZL 2012 2 0583483.9。

1　技術(shù)分析

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

游梁式抽油機(jī)通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滿足排采要求。游梁抽油機(jī)主要有游梁平衡、曲柄平衡、游梁曲柄復(fù)合平衡3種平衡方式，如圖1所示。抽油機(jī)工作時(shí)，游梁平衡重始終以中央軸承座為圓心，上下擺動(dòng)。曲柄及其平衡重以減速箱軸為圓心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。目前，游梁平衡重和曲柄平衡重都采用螺栓緊固等固定方式，不能自行移動(dòng)，平衡調(diào)整需要人工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，這正是難以及時(shí)調(diào)整的原因。由于曲柄為360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)且速度較快，不易實(shí)現(xiàn)平衡重自動(dòng)調(diào)節(jié)，所以確定將自調(diào)平衡裝置安裝在游梁上。因抽油機(jī)排采周期內(nèi)載荷變化幅度較大，若采用單一純游梁平衡方式，即使實(shí)現(xiàn)了游梁平衡自動(dòng)調(diào)整，但調(diào)整幅度難以滿足載荷的變化，仍需人工增減平衡配重質(zhì)量來(lái)滿足要求［4］。由于游梁平衡重距地面較高，操作存在困難，因此，研制的自調(diào)平衡抽油機(jī)采用游梁曲柄復(fù)合平衡方式，通過(guò)調(diào)節(jié)曲柄平衡塊來(lái)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)大載荷平衡的調(diào)整，自調(diào)平衡裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)一定區(qū)間載荷的精確平衡調(diào)整。同時(shí)，游梁采用彎游梁平衡原理［5］，使抽油機(jī)運(yùn)行規(guī)律更加符合載荷變化規(guī)律，因而抽油機(jī)的節(jié)能效果更加突出，如圖2所示。

圖1　游梁曲柄復(fù)合平衡抽油機(jī)

圖2　自調(diào)平衡式抽油機(jī)

1.2 工作原理

自調(diào)平衡游梁式抽油機(jī)是在普通游梁抽油機(jī)上增加自調(diào)節(jié)平衡裝置，從而控制游梁平衡重在副游梁上前后移動(dòng)來(lái)平衡井口載荷的變化。使用中，控制系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)井下載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，判斷抽油機(jī)的平衡狀況，從而控制自調(diào)平衡裝置電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)游梁配重的移動(dòng)，將抽油機(jī)調(diào)整到最佳的平衡狀況。

1.3 自調(diào)平衡裝置的設(shè)計(jì)

自調(diào)平衡裝置將游梁平衡重、齒輪機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等有機(jī)結(jié)合為一體，安裝于副游梁上。在副游梁上表面固定有齒條，齒輪與齒條嚙合，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)游梁平衡重在副游梁上的水平移動(dòng)，如圖3所示。電機(jī)的正、反旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)游梁平衡重的前、后移動(dòng)。在游梁的前后極限位置分別安裝有限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)游梁平衡重接觸到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)斷電停機(jī)，從而保證游梁平衡重在可控區(qū)間移動(dòng)。為了保證自調(diào)平衡裝置的安全運(yùn)行，該機(jī)構(gòu)配有防脫和自鎖機(jī)構(gòu)。齒輪齒條傳動(dòng)方式受雨、雪、風(fēng)沙等惡劣天氣影響小，適于長(zhǎng)期在室外環(huán)境使用，且具有運(yùn)行平穩(wěn)準(zhǔn)確、制造成本低、移動(dòng)距離大的優(yōu)點(diǎn)。該裝置皮實(shí)耐用，符合抽油機(jī)每天24 h不停運(yùn)轉(zhuǎn)的工況要求。

圖3　自調(diào)平衡裝置

2　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，齒輪齒條自調(diào)平衡系列抽油機(jī)已經(jīng)在山西煤層氣開(kāi)采中批量使用，現(xiàn)已在華北油田安裝了200臺(tái)，最長(zhǎng)已經(jīng)使用3 a多時(shí)間，運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，減少了因人工調(diào)節(jié)平衡而造成的停機(jī)次數(shù)，大幅提高了生產(chǎn)效率。

經(jīng)山西煤層氣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，其節(jié)能效果顯著，系統(tǒng)效率提高5%，平均節(jié)電率約20%。

3　結(jié)論

1） 自調(diào)平衡裝置能夠?qū)崿F(xiàn)抽油機(jī)的自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)，運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，能夠滿足井場(chǎng)對(duì)抽油機(jī)的精確平衡調(diào)整要求，大幅降低了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2） 其傳動(dòng)形式為齒輪齒條傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)合理，制造成本低，運(yùn)行平穩(wěn)，而且齒輪齒條受環(huán)境的影響較小，能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的野外惡劣環(huán)境。

3） 自調(diào)平衡游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)兼顧老抽油機(jī)的智能化改造，滿足油田智能化建設(shè)和油井生產(chǎn)運(yùn)行的需要。

4） 將自調(diào)平衡裝置的抽油機(jī)與控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合為一體，可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程平衡調(diào)節(jié)，提升了井場(chǎng)自動(dòng)化管理水平。

［1］ 孫延安.游梁式抽油機(jī)合理平衡判別方法研究［J］.石油機(jī)械，2014，42（3）：72-75.

［2］ 張學(xué)魯，季祥云，羅仁全.游梁式抽油機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2001：85-132.

［3］ 趙亞杰，黃華，王衛(wèi)剛，等.抽油機(jī)游梁平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（11）：38-41.

［4］ 戴志宏.數(shù)字化抽油機(jī)在長(zhǎng)慶油田采油六廠的應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（9）：94-97.

［5］ 章敬，李偉，李紹奇，等.CYJ5-1.8-18 HY型整體彎游梁式抽油機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（9）：82-85.

development of Beam Pumping Unit for Automatic Balance Adjustment

GAO Zhangying1，BIANHeman1，LI Lingling1，GAO Zhaoling1，LIU Changging2LIU Kaihui1，YANG Jun1，GUO Xue1，ZHANG Shaolei1
（1.Rongsheng Machinery Manufacture Ltd.of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China；2.Oil Research Institute of Huabei Oilfield，Renqiu 062552，China）

Through the instruction of instrument which is monitoring the balance of pumping unit，the beam pumping unit achieved the automatic balance adjustment，which has a balance device driven by a motor.The device uses the gear and rack to realize the beam counterweight to move forward and backward compared with the beam，then to balance the change of the well-load，so the pumping unit realized the best balance effect and achieved energy saving.

the beam pumping unit；rack and gear drive；automatic balancing device

TE933.1

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.021

1001-3482（2015）07-0086-03

①2015-01-19

中石油華北油田科技基金項(xiàng)目“抽油機(jī)智能化技術(shù)研究”（2012-HB-B32）

高章迎（1983-），男，河北滄州人，工程師，碩士，主要從事采油機(jī)械設(shè)計(jì)工作，E-mail：gaozhangying＠163.com。