抽油機不平衡治理技術研究

柳清華 張剛（大慶油田海拉爾石油勘探開發指揮部開發技術中心）

抽油機不平衡治理技術研究

柳清華 張剛（大慶油田海拉爾石油勘探開發指揮部開發技術中心）

抽油機是油田的主要能耗設備，其不平衡狀況可直接導致能耗增加15%～25%，因此，抽油機調平衡是節能降耗、延長設備使用壽命的一項重要的技術措施。以貝中作業區的CYJ12-3-53HB型抽油機為例，對海拉爾油田深井抽油機不平衡的原因進行了分析，提出了不平衡抽油機的整改方案，并對方案的可行性進行了分析。該方法的研究對提高抽油機的平衡率，延長設備使用壽命，提高油田經濟效益，具有深遠的現實意義。

平衡率 深井 抽油機 整改

海拉爾油田部分深井抽油機在運行過程中產生的扭矩值與懸點載荷值均在抽油機的設計要求范圍內，但抽油機實際處于不平衡狀態運行，導致系統能耗增加15%～25%，系統效率降低直接影響抽油機連桿機構、減速箱和電動機的效率與壽命。

1 抽油機不平衡原因分析

抽油機的平衡機理：抽油機平衡運行時，電動機在上下沖程過程中所做功相等[1]。因此，要使抽油機在平衡條件下運轉，應使電動機在上下沖程中都做正功且功值相等，在下沖程把多余的能量儲存到平衡重上，在上沖程中利用儲存的能量來協助電動機做功。

按照大慶油田公司抽油機的管理標準，即抽油機的平衡率在85%～100%之間抽油機視為平衡，耗電量最低。根據這一標準，抽油機的平衡率可表示為：

式中：

Aw——下沖程中抽油桿自重和電動機對平衡重所做的功，即重物儲存的能量，kN·m；

Ad——抽油桿柱對平衡重所做的功，即懸點在下沖程中做的功，kN·m；

Amd——電動機在下沖程中對重物做的功，即電動機在下沖程中做的功，kN·m；

Au——上沖程懸點做的功，kN·m；

Amu——上沖程電動機做的功，kN·m。

將（1）式展開可得：

當抽油機機械重儲存的能量滿足式（2）時，抽油機可在平衡狀態下運行。

根據公式（2），利用抽油機的實測示功圖對抽油機平衡時的平衡塊的儲能條件進行了計算，計算結果見表1、表2。從表中可以看出，海塔深井抽油機懸點實測最大載荷及最大扭矩值均小于CYJ12-3-53HB型抽油機的設計額定值，滿足傳統抽油機載荷及扭矩選型原則。雖然載荷和扭矩在抽油機的強度允許范圍內，但根據抽油機的平衡條件，平衡重所能儲存的最大能量卻滿足不了抽油機達到平衡的要求，抽油機平衡重的質量偏低。

2 抽油機平衡理論分析

抽油機平衡時，在一個抽汲循環的過程中，平衡重在下沖程中儲存的能量或上沖程中協助電動機所做的功，應等于上沖程和下沖程懸點做功之和的一半[2]。懸點采用多大的平衡載荷才能使下沖程中存儲的能量等于平衡塊儲存的能量，通過分析建立了抽油機平衡配重及曲柄平衡半徑的計算模型：

上沖程懸點做功

表1 不平衡油井載荷扭矩對比

表2 平衡塊儲能情況分析

下沖程懸點做功

由于慣性載荷在上沖程和下沖程中所做的總功等于零，所以在Au和Ad的計算中沒有考慮慣性力的影響。

將Au及Ad代入式（5）中，可得：

復合平衡游梁式抽油機在下沖程過程中，平衡重釋放出來的能量主要由游梁平衡重儲存的能量、曲柄平衡塊儲存的能量、游梁部件自重儲存的能量、曲柄自重儲存的能量四部分組成。

曲柄平衡游梁式抽油機下沖過程平衡重釋放出來的能量主要由曲柄平衡塊儲存的能量、游梁部件自重儲存的能量、曲柄自重儲存的能量三部分組成。

通過分析抽油機各部件上、下沖程所儲存的能量變化，直接給出了抽油機達到平衡時，復合平衡游梁式抽油機及曲柄平衡游梁式抽油機的配重及曲柄平衡半徑計算方法。

復合平衡時，機械平衡重及平衡半徑的計算公式：

曲柄平衡時，機械平衡重及平衡半徑的計算公式：

式中：

Q游——游梁平衡重，kN；

R游——平衡重心，m；

Q曲——曲柄平衡重，kN；

q游——游梁部件（包括驢頭、游梁、橫梁和連桿）的重力，kN；——下死點理論靜載荷，kN；——抽油桿柱在液體中的載荷，kN；

l游——q曲的重心離曲柄旋轉中心的距離，m；

KC——游梁平衡重離游梁支點的距離，m；

K1——游梁前臂長，m；

K——游梁后臂長，m；

R——曲柄重重心離曲柄旋轉中心的距離，m。

3 不平衡抽油機整改方案研究

3.1 整改方案

根據以上對抽油機平衡重儲能的分析，增加平衡塊的質量是不平衡抽油機整改的最有效方法，因此，可以采取兩種平衡整改方法。

方法1：保持原來的曲柄平衡方式，增加曲柄長度，更換較大配重。

方法2：改曲柄平衡為復合平衡，在游梁尾部焊接工字梁，增加尾部配重的質量。

根據抽油機平衡半徑及配重的計算公式對12型抽油機達到平衡時的平衡半徑及配重進行了計算。

抽油機達到平衡時對曲柄平衡塊的質量需求，與目前平衡塊的質量數值相差較大。

采用方法1，整改難度較大，主要基于以下兩方面原因：

1）若更換平衡塊，目前的平衡塊將被閑置下來，造成資源浪費；若增加平衡塊數量，由于只能安裝在原有平衡塊的里側，平衡塊的利用率較低；

2）若更換曲柄，增加曲柄長度，工作量較大，成本較高，更換后，曲柄將會超出抽油機基礎的頂面，每口井抽油機底座埋深不一樣，該方法局限性較大。

采用方法2，制定了兩種整改方案：

方案1：焊接工字梁。對于游梁尾部已有配重的，在原游梁尾部與尾部平衡重間增加1200 mm×600 mm工字梁，見圖1。

方案2：加焊工字梁，增加配重。對于游梁尾部無配重的，焊接1200 mm×600 mm工字梁，同時增加580 kg配重，見圖2。

3.2 可行性分析

為評價整改方案的可行性，采用數值模擬技術，在沉沒度200 m，桿組合比4（22 mm桿）：6（19 mm桿），模擬了CYJY12-3-53HB型抽油機整改后達到平衡時不同泵徑下的最大下泵深度，見表3。經過對比可以看出，模擬不同泵徑的最大下泵深度大于目前相應泵徑的最大下泵深度。方案1、方案2理論上可以達到平衡整改效果。

表3 12型抽油機達到平衡時最大下泵深度隨泵徑的變化

3.3 整改效果

方案1整改效果：共整改不平衡抽油機32臺，整改后，平均平衡率由原來的72.0%提高至目前的92.0%，提高了20.0個百分點。

方案2整改效果：整改不平衡抽油機19臺，整改后，平均平衡率由原來的70.5%提高至目前的92.0%，提高了21.5個百分點。

4 低產井不平衡治理技術探討

抽油機不平衡的主要原因是由于目前曲柄平衡塊的最大儲能不能滿足抽油機的平衡要求。根據抽油機的平衡機理，若平衡重提供的最大儲能可以達到抽油機上、下沖程的懸點做功和的一半，抽油機即可達到平衡。因此，在目前平衡重質量不夠的情況下，可以通過安裝輔助設備的方式，降低上、下沖程懸點做功，使平衡重的儲能滿足抽油機達到平衡時的儲能需求，進而使抽油機達到平衡。在低產井上同時安裝抽油機減載器及二次減速裝置，可以減少懸點做功，改善抽油機平衡狀態。

表4 深井減載器減載效果對比

4.1 抽油機減載器

抽油機減載器是一種深井舉升配套設備，通過減載器減載活塞的助推作用降低驢頭的懸點載荷，在增產和節能方面有較顯著的效果。

2008年，貝38區塊投產時，在兩口新井上安裝了抽油機減載器，與同區塊相鄰井對比，減載效果明顯，平均最大載荷下降21.1%，能耗降低了10.4%，見表4。該裝置的應用可有效減少抽油機的懸點做功。

4.2 抽油機二次減速裝置

針對抽油機參數已調至最小，供排關系仍不協調的低產井，為提高抽油效率，可在低產井上安裝抽油機二次減速裝置，進一步降低沖速，改善低產井的供液狀況，提高抽油機的系統效率，達到節能降耗的目的[3]。

安裝二次減速裝置后油井的供液情況得到了明顯的改善，下沖程抽油機懸點做功由原來的257.11 kN·m下降到232.28 kN·m，下降了24.83 kN·m，占抽油機平衡重儲能的14.81%。因此，低產井安裝抽油機二次減速裝置有助于改善油井的供液情況，降低下沖程懸點做功，增加電動機做功，改善抽油機的平衡狀況，見表5。

表5 抽油機二次減速裝置安裝前后效果對比

2011年，海拉爾油田共安裝抽油機二次減速裝置39臺，沖速由原來的3.5 min-1降低到2.4 min-1，安裝后產液量下降了6.01%，產油量基本保持不變，泵效由原來的7.92%提高至10.27%，提高了2.35個百分點，綜合節電率達到20.05%，節能效果明顯。

5 結論及建議

1）不平衡抽油機懸點載荷及扭矩均低于CYJ12-3-53HB型抽油機設計的額定值，平衡塊質量不夠，平衡重儲能不能滿足抽油機的平衡需要,導致抽油機不平衡。

2）對已出現的不平衡抽油機，可將曲柄平衡改為復合平衡，采取游梁尾部焊接工字梁，增加尾部平衡塊的不平衡整改方案。

3）通過安裝抽油機減載器及抽油機二次減速裝置，可有效改善低產井抽油機的平衡狀況。

4）針對海拉爾油田抽油機出現的平衡問題，建議對未出廠抽油機做如下改進：

◇若采取曲柄平衡方式，需更改抽油機的結構尺寸，增加曲柄長度及曲柄平衡塊的質量；

◇改曲柄平衡為復合平衡。

[1]陳濤平,胡靖邦.石油工程[M].北京：石油工業出版社,2000：275-276.

[2]姚春冬.石油鉆采機械[M].北京：石油工業出版社,1999：249-255.

[3]王瑋.抽油機二次節能減速器的應用[J].石油石化節能,2011,1(3):29-30.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.01.007

柳清華，2007年畢業于大慶石油學院，從事機采管理工作，E-mail：xin-er2008@163.com，地址：黑龍江省大慶油田海拉爾石油勘探開發指揮部開發技術中心，021000。

2011-11-23）