抽油機不平衡成因分析及治理配套措施

李悅+孫永偉+馮雪峰

摘 要：目前部分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。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。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。

關鍵詞：抽油機；不平衡狀態；系統效率；整改方案

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。抽油機平衡運行時，電動機在上下沖程過程中所做功相等。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。

本文對油田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。

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。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。按照抽油機管理標準，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。抽油機懸點實測最大載荷及最大扭矩值均小于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

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，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。

3 不平衡抽油機整改方案

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。

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），模擬抽油機整改后達到平衡時不同泵徑下的最大下泵深度，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。

4 不平衡井治理技術

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。

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。安裝抽油機減載器，與相鄰井對比，減載效果明顯，平均最大載荷下降 21.1%，能耗降低了10.4%，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。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257.11kN·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，安裝抽油機二次減速裝置沖速由原來的 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，泵效提高2.35個百分點，綜合節電率達到20.05%，節能效果明顯。

參考文獻：

[1] 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.endprint