游梁式抽油機的自動平衡調整裝置改進方案

劉一山，薛建強，王林平，程　灝，馮建設

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710021)①

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游梁式抽油機的自動平衡調整裝置改進方案

劉一山1，2，薛建強1，2，王林平1，2，程灝1，2，馮建設1，2

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安 710021)①

摘要：人工進行游梁式抽油機的平衡度調節(jié)，存在費時費力、工作效率低、安全風險高等問題，并且無法根據(jù)油井載荷變化情況及時進行平衡度調整。以前針對游梁式抽油機研制的某型號游梁平衡自動調整裝置解決了這些問題。但是，該裝置在現(xiàn)場使用過程中出現(xiàn)了集成化程度不高，調節(jié)精度不夠等問題。因此對該裝置進行改進，將原來的鋼絲繩傳動改進為齒條和齒輪傳動，并對電氣控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計?，F(xiàn)場試驗結果表明，改進的游梁式抽油機自動平衡調整裝置的工作性能穩(wěn)定，調節(jié)精度大幅提高，安全可靠，更加符合油田現(xiàn)場需要，達到了工業(yè)化推廣的要求。

關鍵詞：游梁式抽油機；平衡調節(jié)；自動化

3)搭建了氣液分離裝置試驗平臺，模擬油井氣液分離過程。對單級、雙級氣液分離裝置進行了不同沖次、氣液比條件下的產液量及容積效率測試試驗，得出：在相同沖次條件下，隨著氣液比的增加，抽油泵的產液量逐漸降低，容積效率也逐漸減小。氣液比較小時下降速度較大，氣液比較大時下降速度較??；在相同氣液比條件下，隨著沖次的增大抽油泵的產液量雖然增大，但容積效率逐漸減小，沖次越小產液量和容積效率變化越?。浑p級氣液分離裝置與單級氣液分離裝置相比分離效果明顯提高，產液量和容積效率曲線拐點后移，對應的氣液比是單級的1.7～3.5倍。

參考文獻：

[1]吝擁軍，侯淑玲，程戈奇，等.高效氣錨分氣裝置的研制[J].石油礦場機械，2004，33(2)：90-91．

[2]韓洪升，張艷娟，孫曉寶，等.多杯等流型氣錨對氣液分離的效果[J].大慶石油學院學報，2006，30(5)：31-34．

[3]楊樹人，汪巖，王春生，等.多杯等流型氣錨的水力設計[J].大慶石油學院學報，2006，30(3)：34-36．

[4]馮躍忠，郭呈柱.采用高效氣錨可優(yōu)化采油[J].國外石油機械，1995，6(2)：57-61．

adjustment device were solved.However，the device in the field of the use of the process of integration is not high，and the accuracy is not enough，and so on.Therefore，the device is improved，and the original wire rope transmission is improved to the rack and gear transmission，and the electric control system is optimized.Field test results show that the improved walking beam type oil pumping machine automatic balance adjustment device's performance is stable，greatly improve the adjustment precision，safe and reliable，more in line with the oilfield needs，in order to meet the requirement of industrialization.

迄今為止，常規(guī)游梁式抽油機仍然是油田進行有桿泵采油作業(yè)的主要抽油裝置，其數(shù)量約占抽油機總數(shù)的50%以上[1]。為了降低采油成本，必須在加強新型抽油機研發(fā)的同時，開展常規(guī)游梁式抽油機的節(jié)能改造，以提高抽油機井的系統(tǒng)效率和油田的經濟效益。由于地層供液情況改變，造成原來處于平衡狀況的抽油機將會失去平衡，讓抽油機處于非平衡狀況下運行[2]。為了降低抽油機的能耗，需要研制新型節(jié)能抽油機，但對常規(guī)的游梁式抽油機進行節(jié)能改造也是必要的。2011年，筆者研制了一種游梁式抽油機自動平衡調整裝置，解決常規(guī)游梁式抽油機調平衡工作的多種問題。經過現(xiàn)場應用，該裝置對游梁式抽油機具有比較好的平衡度調節(jié)效果，但是，在使用過程中仍然出現(xiàn)了一定的弊端，例如機械系統(tǒng)的集成化程度不夠，導致裝置長時間使用后容易松動。電氣系統(tǒng)運算過程不夠完善，導致裝置調節(jié)時不夠精細等。因此，在以前的基礎之上對機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計。

1優(yōu)化思路

從機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩個方面進行了優(yōu)化設計，讓整個裝置的集成化程度和調節(jié)精密度更高，運行更加穩(wěn)定可靠。機械系統(tǒng)主要是將原有裝置分散的模塊式安裝優(yōu)化為整體式安裝，讓機械系統(tǒng)在運行時更加安全、穩(wěn)定。電氣系統(tǒng)主要是在運算過程增加運算細節(jié)，延長運算周期，確保平衡診斷的可靠性和平衡調節(jié)的精細度。通過兩方面的優(yōu)化設計，讓裝置使用效果在很大程度上得到提高，達到工業(yè)化推廣的要求。

2原有平衡調節(jié)裝置的原理和不足

2.1機械系統(tǒng)

原有裝置的機械系統(tǒng)基本部件有：帶滑輪的平衡塊、滾筒支撐座、滑輪支撐座、伺服電機、鋼絲繩、光桿。結構如圖1所示。

圖1　原有的游梁平衡自動調節(jié)裝置的機械結構

機械系統(tǒng)運算過程是：伺服電機按照電氣系統(tǒng)的運算結果按一個方向旋轉，從而帶動滾筒支撐座中的滾筒旋轉。滾筒通過摩擦帶動纏繞在其上的鋼絲繩運動，鋼絲繩整個形成一個閉環(huán)，兩頭分別固定在平衡塊的兩側，這樣就可以拉動平衡塊朝預定的方向運動來調節(jié)抽油機的平衡度[3]。

該游梁平衡自動調節(jié)裝置的機械系統(tǒng)把游梁作為平衡塊的運行軌道，在設計上比較新穎。但是，該裝置的集成化程度不高，光桿導軌懸空安裝，在長時間使用過程中可能會存在螺紋和鋼絲繩較快松動、光桿彎曲的問題，影響平衡塊移動。另外，該機械系統(tǒng)的平衡塊需要加重時，需要拆開裝置在光桿軌道中加平衡塊，程序較為復雜。

2.2電氣系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集模塊、伺服系統(tǒng)和自主研發(fā)的控制電路板構成了電氣系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊采集一個沖程周期的上、下沖程各50個點的功率數(shù)據(jù)，經過控制模塊計算處理后得到平衡度，從而判斷是否需要進行平衡調節(jié)。當需要調節(jié)時，比較上、下沖程的平均功率，判斷平衡塊需要調節(jié)的方向，而后開啟電源、關閉伺服剎車系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)供給動力驅動平衡塊移動。2～5 s后，通過軟件控制開啟伺服剎車系統(tǒng)、關閉電源，數(shù)據(jù)采集模塊再次進行功率采集，經由控制模塊重新進行數(shù)據(jù)處理和平衡判斷后來指導伺服系統(tǒng)的運轉。如此循環(huán)直至抽油機的平衡度調節(jié)到0.5～1.0后停止平衡調節(jié)，控制流程圖如圖3所示。

圖2　原有的電氣控制流程

電氣系統(tǒng)在運算過程采集的功率數(shù)據(jù)僅是一個沖程周期的，如果地層狀況變化速度較快，一個周期的平衡度可能不能真實地反應抽油機的平衡狀況。按照這個平衡度調節(jié)抽油機的平衡，可能無法使抽油機的平衡狀況得到根本上的改善。

3機械系統(tǒng)的改進

對抽油機的游梁平衡自動調節(jié)裝置的機械系統(tǒng)進行改進，將以前的鋼絲繩傳動改為齒輪齒條傳動。改進后的機械系統(tǒng)主要部件有：齒條、槽鋼導軌、錐形轉子電機、平衡箱、減速器等，結構如圖2所示。

1—齒條；2—槽鋼；3—錐形轉子電機；4—平衡箱；5—齒條；6—減速器輸出軸齒輪；7—軸承；8—控制柜；9—減速器；10—固定螺栓。

整個機械系統(tǒng)通過螺栓固定在抽油機的游梁之上。采用齒輪齒條傳動平衡箱。平衡箱內安裝有錐形轉子電機和LDAM型驅動裝置。LDAM型驅動裝置輸出軸的齒輪穿過平衡箱底部的孔，與軌道中一側固定的齒條咬合，如圖4所示。電機運轉，經過LDAM型驅動裝置減速，其輸出軸上的齒輪在齒條上運動，從而帶動平衡箱沿軌道來回移動，起到平衡調節(jié)的作用。

平衡箱的重力由4個高強度的軸承承載，如圖4所示。軸承在槽鋼中滾動，槽鋼、軸承之間的軸共同對軸承起到限位作用，使整個平衡箱固定在軌道中而不會上下、左右晃動。

圖4　軌道截面結構

為了便于安裝，整個軌道由長度相等的兩部分拼接而成。首先將其中一段軌道固定在游梁待安裝位置，將平衡箱安裝到軌道之中。把電機與LDAM型驅動裝置組裝好，將驅動裝置輸出軸穿過平衡箱底部的孔，并使齒輪與軌道一側的齒條嚙合。然后將另一段軌道與固定好的軌道對接好，用螺拴將兩段軌道鎖緊。最后用固定螺栓連接好，這就完成了整個機械系統(tǒng)的安裝。

錐形轉子電機帶有磁剎，當電機斷電時，電機的輸出軸不會轉動，驅動裝置上的齒輪就會固定在齒條上，平衡箱也不會有任何的移動。在這種情況下，即使抽油機處于工作狀態(tài)，裝置仍然可以正常工作或停止。

電機安裝在平衡箱中，使該電機既可以成為動力機，又可以充當平衡塊。另外，平衡箱中放置用小袋包裝好了的鉛渣，由于鉛渣的密度較大，可以很好地起到平衡塊的作用。一旦平衡質量不夠，只需要在平衡箱中放置一定數(shù)量的鉛渣就可調節(jié)平衡度。這種設計很好地利用了電機的質量，使增加平衡質量的操作變得簡單、方便。

4電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計

優(yōu)化后的電氣控制流程如圖5。根據(jù)力矩平衡原理，通過電機的功率監(jiān)測模塊，檢測1個沖程周期中多個瞬時功率，計算出該周期中的平均功率[4]。以15 min為1個取值周期，計算出該周期內上、下沖程各30個平均功率。分別取中間值作為該15 min的上、下沖程的參考功率值。若上、下沖程的參考功率值出現(xiàn)負數(shù)，控制模塊指導電機按一定方向轉動來調節(jié)平衡；否則用上、下沖程的參考功率值的較小值比較大值來得到平衡度，將其作為該取值周期的平衡度。連續(xù)求3個15 min的平衡度，若2個平衡度大于0.5，則認為抽油機是處于平衡狀態(tài)；若2個平衡度小于0.5，則認為抽油機處于非平衡狀態(tài)，控制模塊控制電機按一定方向轉動來調節(jié)平衡，電機運轉5 s后停止。再次采集功率來判斷平衡。如此循環(huán)，其流程如圖5所示。

圖5　優(yōu)化后電氣控制流程

在電氣保護方面，軌道兩端都安裝有限位傳感器，當平衡箱運動至傳感器的傳感范圍內時，電機立即斷電，平衡箱停止運動。此后控制電機回轉5 s，確保平衡箱在安全范圍內而不會移動出軌道，使裝置一直在安全范圍內運動。

5現(xiàn)場試驗

改進后的游梁平衡自動調節(jié)裝置安裝在某6型游梁式抽油機上，在油田現(xiàn)場進行了試驗。表1是該平衡調節(jié)裝置安裝前后測試數(shù)據(jù)的對比，從表中可以看出，開始處于非平衡狀態(tài)的抽油機在安裝了自動調平衡裝置之后平衡度由141%調節(jié)到了106%，達到了預期效果。另外，在安裝了該裝置之后，抽油機的綜合節(jié)電率達到了8.5%。

表1　游梁平衡自動調節(jié)裝置安裝前后測試數(shù)據(jù)對比

6結論

1)分析了原有游梁平衡自動調節(jié)裝置的不足。將機械傳動方式由鋼絲繩傳動改進為齒條和齒輪傳動，提高了平衡配重箱的傳動定位準確度及可靠性。

2)電機和配重塊集成為一體，使整個裝置的穩(wěn)定性更好，安全性更高，平衡調節(jié)方便。

3)優(yōu)化后的電氣控制系統(tǒng)在抽油機的平衡診斷和平衡調整上更能反映抽油機真實的平衡狀況，調整的效果更好。

4)可以在游梁式抽油機自動調平衡技術的基礎上，進一步拓展數(shù)學模型和應用條件，實現(xiàn)彎梁變矩和調徑變矩抽油機的平衡自動調整。

[1]方仁杰，朱維兵.抽油機歷史現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J].鉆采工藝，2011，34(2)：61-63.

[2]趙亞杰，黃華，王衛(wèi)剛，等.抽油機游梁平衡自動調節(jié)機構設計[J].石油礦場機械，2013，42(11)：38-41.

[3]曾亞勤，王林平，劉一山，等.QSY型抽油機智能平衡調整裝置的設計[J].石油天然氣學報，2012，34(7)：153-156.

[4]王偉，檀朝東，王辛涵，等.抽油機井平衡設計及調整技術綜述[J].中國石油與化工，2011 (2)：59-61.

文章編號：1001-3482(2016)07-0052-07

收稿日期：①2016-01-19

基金項目：國土資源部礦產資源節(jié)約與綜合利用示范項目“長慶姬塬油田特低滲透油藏綜合利用示范基地建設”(國土資源部財政部2011年第23號公告)

作者簡介：劉一山(1975-)，男，陜西西安人，工程師，碩士研究生，從事油氣田節(jié)能方面的生產管理和科研工作，E-mail：liuyishan_cq@petrochina.com.cn。

中圖分類號：TE933.103

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.011

Optimal Design of Beam Pumping Unit Balancing Adjustment Device

LIU Yishan1，2，XUE Jianqiang1，2，WANG Linping1，2，CHENG Hao1，2，F(xiàn)ENG Jianshe1，2

(1.Oil&GasTechnologyResearchInstitute，ChangqingOilfieldCompany，Xi’an710021，China；2.NationalEngineeringLaboratoryforLow-permeabilityOil/GasExplorationandDevelopment，Xi’an710021，China)

Abstract：The balance adjustment of the beam pumping unit is time-consuming，low efficiency，and high safety risk，and cannot be adjusted according to the change of oil well load.Before，aiming at the beam pumping unit for the development of a model，these problems of beam balance automatic

Keywords：beam pumping unit；balancing adjustment；automation