游梁式抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)平衡裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用探究

安軍波

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第六采油廠，陜西 西安 710000）

當(dāng)前階段應(yīng)用最廣泛的抽油機(jī)類型是游梁式抽油機(jī)，但該種抽油機(jī)在長(zhǎng)久應(yīng)用時(shí)卻會(huì)油井過度開采造成地層條件改變，使得抽油機(jī)處于不平衡狀態(tài)，不但影響了油田正式開采過程，還會(huì)引發(fā)比較嚴(yán)重的安全問題，針對(duì)該種情況，長(zhǎng)慶油田技術(shù)部門開始基于當(dāng)前的游梁式抽油機(jī)應(yīng)用狀況，探索自動(dòng)調(diào)平衡裝置設(shè)計(jì)方式，以期徹底解決因不平衡問題而引發(fā)的諸多弊端，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 游梁式抽油機(jī)簡(jiǎn)述

1.1 原理

游梁式抽油機(jī)工作原理為：點(diǎn)擊抽油機(jī)啟動(dòng)按鈕，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)變速箱、曲柄連桿機(jī)構(gòu)，開始驢頭運(yùn)動(dòng)，驢頭會(huì)在抽油桿、光桿帶動(dòng)井下抽油泵柱塞進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，將井中原油抽出井筒，而抽油機(jī)配置與對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)多是大馬拉小車，運(yùn)動(dòng)模式是重復(fù)性的上下提升，一個(gè)沖程提升一次，動(dòng)力來源是電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的兩個(gè)鋼質(zhì)滑塊，在滑塊提升時(shí)，如同杠桿作用原理，直接將采油機(jī)桿通到井中。

1.2 特點(diǎn)

分析游梁式抽油機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)，包括操作簡(jiǎn)單、工作階段噪音小，不會(huì)對(duì)周邊施工人員造成較大的影響，維護(hù)簡(jiǎn)單，只需按照說明書完成常規(guī)維護(hù)即可；承載力打、強(qiáng)度高、適用范圍廣，能應(yīng)用在比較惡劣的環(huán)境下；驢頭包括側(cè)轉(zhuǎn)、上掛、上翻三種類型；剎車設(shè)計(jì)為外抱式結(jié)構(gòu)，安裝保險(xiǎn)，在緊急狀況下用于制動(dòng)安全性較高。

2 游梁式抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)平衡裝置的設(shè)計(jì)

2.1 制定設(shè)計(jì)方案

進(jìn)行游梁式抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)平衡裝置設(shè)計(jì)，首要步驟是設(shè)計(jì)方案、確定設(shè)計(jì)思路，具體如下：參考力矩平衡原理，在抽油機(jī)游梁臂上增加配重，與執(zhí)行部分對(duì)接，如此在執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)依靠起帶動(dòng)作用而活動(dòng)，調(diào)整配重各個(gè)階段的位置，以此達(dá)到平衡抽油機(jī)的目的；為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平，引入智能控制系統(tǒng)，與電氣控制裝置聯(lián)動(dòng)完成自動(dòng)平衡診斷、平衡調(diào)節(jié)控制，后續(xù)只需依次完成機(jī)械部分、電氣部分設(shè)計(jì)即可，后續(xù)再進(jìn)行電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、整合、運(yùn)算、分析、判斷，得出可靠結(jié)論，指導(dǎo)機(jī)械模塊按照預(yù)設(shè)流程完成自動(dòng)調(diào)平工作。

2.2 平衡判斷方法選擇

游梁式抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)平衡判斷方法，當(dāng)前應(yīng)用較多的是扭矩法、電流法、功率法，但具體哪種方法適用度最高，需依據(jù)實(shí)際情況而定，以下進(jìn)行具體分析：（1）扭矩法。扭矩法指的是綜合分析平衡設(shè)備、懸點(diǎn)載荷產(chǎn)生的扭矩，獲取電動(dòng)機(jī)輸入給曲柄軸的扭矩相平衡程度，結(jié)合凈扭矩曲線，分析抽油機(jī)是否處于平衡狀況。（2）電流法。利用專業(yè)設(shè)備測(cè)量電動(dòng)機(jī)、上下沖程時(shí)的電流值，重復(fù)測(cè)量5 ～8 次，通過下沖程、上沖程電流峰值比值得出電流平衡度，比值處于80%～110%，代表處于平衡狀態(tài)。（3）功率法。功率法，顧名思義，即通過功率測(cè)量來判斷其是否處于平衡狀態(tài)，測(cè)量原理如上，重復(fù)測(cè)量上、下沖程功率，得出峰值功率，再通過上下沖程功率比值來求解其是否保持平衡狀態(tài)，比值處于80%～110%，代表在平衡狀態(tài)，反之，則不平衡。對(duì)比3 種判斷方法，電流法檢測(cè)時(shí)可能面臨的影響因素最多、誤差最大，扭矩法未直接測(cè)試設(shè)備，難以對(duì)抽油機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際平衡狀況做出正確診斷，實(shí)用性不高，參考自動(dòng)調(diào)平衡裝置的實(shí)際所需，從實(shí)用性、準(zhǔn)確性層面考慮，選擇功率法判斷平衡度，其可比較全面地展示抽油機(jī)平衡狀態(tài)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)大小，確定平衡真實(shí)狀態(tài)。

2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)

為保證抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)平衡裝置應(yīng)用效果，在機(jī)械部分設(shè)計(jì)時(shí)，需滿足以下功能：結(jié)合抽油機(jī)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)制完成平衡調(diào)節(jié)，具體要點(diǎn)如下所示：

（1）通過絲桿旋轉(zhuǎn)推動(dòng)配重作徑向運(yùn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)，靈活地將滾珠絲桿、平衡塊連接，形成聯(lián)動(dòng)作用，并可保持雙方平衡，根據(jù)絲桿、平衡塊等的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)方式選怎相應(yīng)重量的機(jī)械裝置，選定抽油機(jī)支架材料，通過異相游梁平衡抽油機(jī)支架展開后續(xù)的有限元分析，保證各項(xiàng)設(shè)備在后續(xù)使用時(shí)能夠發(fā)揮正常作用，若是出現(xiàn)相關(guān)問題，需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。（2）自動(dòng)調(diào)平機(jī)械系統(tǒng)部件包括一塊平衡板、一根絲桿、兩根光桿、左右支撐座，通過螺母、螺絲將左右支撐座緊固在游梁臂上，在支撐座上中間位置打上絲桿穿孔，讓絲桿在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)始終圍繞穿孔旋轉(zhuǎn)，后續(xù)安排在絲桿穿孔兩側(cè)對(duì)稱布置光桿穿孔，如此光桿能夠在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡塊也能局限在一條直線上；平衡塊在光桿支撐下一直保持直線運(yùn)動(dòng)，為保證整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的順暢性，可以底座位置裝設(shè)相應(yīng)大小的軸承，絲桿對(duì)接軸承內(nèi)環(huán)，用電機(jī)來操作絲桿運(yùn)動(dòng)，因電桿能起到對(duì)平衡塊的限制作用，可預(yù)設(shè)電桿運(yùn)動(dòng)軌跡，調(diào)整各個(gè)階段平衡抽油機(jī)的力臂、力矩，穩(wěn)定開展后續(xù)的平衡運(yùn)動(dòng)。（3）在平衡塊核心位置挖出絲桿穿孔，絲桿穿孔兩側(cè)對(duì)稱開挖出光桿穿孔，其中絲桿穿孔可以讓供絲桿穿過，推動(dòng)平衡塊沿光桿滑動(dòng)；確定絲桿穿孔大小，在其中鑲嵌環(huán)形銅套，用緊固裝置保證銅套不會(huì)左右搖擺，影響絲桿的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，后續(xù)需要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其做出調(diào)整；按照如圖1 所示的方式布置螺紋內(nèi)壁，在平衡塊光桿穿孔中鑲嵌同種類型的環(huán)形銅套，卡死銅套，避免其隨意擺動(dòng)，讓光桿能夠按照預(yù)設(shè)程序隨意滑動(dòng)；按照如圖2 所示布置光滑內(nèi)壁，讓絲桿、光桿在各自的孔洞內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)相互干涉，隨意滑動(dòng)，連接絲桿、電機(jī)轉(zhuǎn)軸，如此能夠用電機(jī)來帶動(dòng)絲桿滑動(dòng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿在平衡塊嵌入銅套中轉(zhuǎn)動(dòng)，后續(xù)平衡桿在絲桿直線方向運(yùn)動(dòng)，隨時(shí)進(jìn)行力矩調(diào)整。

圖1 螺紋內(nèi)壁銅套剖面圖

圖2 光滑內(nèi)壁銅套剖面圖

2.4 電氣設(shè)計(jì)

電氣設(shè)計(jì)包括以下部分。

（1）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主控芯片選擇片機(jī)dsPIC 30F6014A 系列，單位重量513.6mg、數(shù)據(jù)RAM 大小8kb、最小工作溫度-40℃，主要用于數(shù)據(jù)收集、信號(hào)接收、整理抽油機(jī)電參數(shù)、平衡度計(jì)算、平衡重移動(dòng)調(diào)節(jié)等，具體的智能控制流程如下所示：開始→CPU 端口、RS485 串口、定時(shí)器初始化→電功率參數(shù)采集→電功率平衡度→結(jié)合電功率完成調(diào)平衡指導(dǎo)→結(jié)束。

（2）功率平衡度監(jiān)測(cè)。選定電功率采樣測(cè)量方法，采集抽油機(jī)上多個(gè)位移電功率，求出平均值，獲取裝置功率平衡度；計(jì)算上沖程、下沖程平均功率，再通過下沖程平均功率/上沖程平均功率，獲取功率平衡度，在此過程中的關(guān)鍵步驟是在上沖程、下沖程各選擇最具代表性的50 個(gè)位移點(diǎn)，采集到實(shí)時(shí)功率后輸送到PLC 分類存儲(chǔ)，再求取平均功率，計(jì)算實(shí)時(shí)功率平衡度。

（3）平衡判斷。通過PLC 測(cè)量抽油機(jī)各個(gè)階段的平衡值，根據(jù)平衡值變化曲線，判斷抽油機(jī)在工作時(shí)是否處于平衡狀態(tài)，如果平衡度超過0.8，表示抽油機(jī)過平衡，應(yīng)著力于降低平衡力矩；如果平衡度在0.8 ～1.1，代表處于正常狀態(tài)；如果平衡度超過1.1，抽油機(jī)欠平衡，需增加平衡力矩，分析不同階段的平衡度，操控PLC 設(shè)備發(fā)出不同的信號(hào)對(duì)其加以調(diào)整，維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)控制。若是抽油機(jī)處于不平衡狀態(tài)，不論是過平衡還是欠平衡，都會(huì)讓電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，為保證平衡性，需要電機(jī)能雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，必要時(shí)，為提升抽油機(jī)的穩(wěn)定性、安全性，應(yīng)操控平衡塊以較慢的速度沿著游梁移動(dòng)，比如，在動(dòng)力系統(tǒng)選擇與裝設(shè)時(shí)，可選擇能正反向寸動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)速自由調(diào)控的伺服電機(jī)，因普通的伺服系統(tǒng)即有著可正反轉(zhuǎn)、可頻繁起制動(dòng)、響應(yīng)速度快、低速大轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，并借助PLC 可編程模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)智能化控制，適用于游梁平衡式抽油機(jī)在各種環(huán)境下的應(yīng)用。

3 游梁式抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)平衡裝置應(yīng)用

在長(zhǎng)慶油田隨意選擇8 口油井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)比自動(dòng)調(diào)平衡裝置安裝前后平衡參數(shù)的變化情況，具體如表1 所示，從表1 展示的測(cè)試結(jié)果來說，8 臺(tái)抽油機(jī)平衡性得到不同程度的提升，平均平衡度91.37%，有7口井在欠平衡狀態(tài)，在安裝自動(dòng)調(diào)平衡裝置后平衡度提升超過95%，5 號(hào)井在過平衡狀態(tài)，在調(diào)節(jié)后平衡度為107.77%，不但平衡度得以改善，還可有效節(jié)能，這對(duì)于長(zhǎng)慶油田的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來說至關(guān)重要。

表1 調(diào)平衡裝置裝載前后對(duì)比測(cè)試表

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文就游梁式抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)平衡裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行了論述與分析，建議給予其足夠的重視，分析所設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)平衡裝置在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與不足，發(fā)揚(yáng)優(yōu)勢(shì)、彌補(bǔ)不足，收集應(yīng)用反饋，對(duì)調(diào)平衡裝置進(jìn)行定向調(diào)整、優(yōu)化，以期達(dá)到更好的調(diào)平衡效果，并為后續(xù)的相關(guān)研究累積經(jīng)驗(yàn)。