抽油機平衡裝置的研究

蔡鵬飛，劉 釗，高嗣土，喬 陽

（西安石油大學，陜西 西安 710000）

近年來，油田勘探開發過程中大斜度井、低產井、稠油井、出砂井的數量逐年上升，對抽油機的平衡裝置的自適應能力要求越來越高。目前通用的抽油機平衡方式為機械平衡和氣動平衡，其根據相應的工況均有一定的優缺點。抽油機在工作過程中不平衡主要是因為在其工作過程中，上下行程做功不相等造成的，會降低電動機使用效率，縮短抽油機使用壽命，影響抽油泵正常工作。

1 抽油機平衡的基本原理

抽油機平衡的基本原理是抽油機在上、下沖程中做功相等。上沖程時，抽油機帶動抽油桿和抽油泵向上運動，此時的交變載荷主要有抽油泵活塞截面上的液拄重量和抽油桿柱在液體中的重量以及摩擦、慣性、振動等負荷[1]。下沖程時，抽油機帶動抽油桿和抽油泵向下運動，抽油機驢頭只承受抽油桿柱在液體的重量，此時平衡重存儲能量。在抽油機正常工作時，改變抽油參數或抽油泵深度以及井中含水量都可能使抽油機不平衡。此外，由抽油機平衡的基本原理推導出兩種平衡判斷方式:抽油機驢頭懸點上下沖程中減速箱的曲柄扭矩峰值相等；抽油機驢頭前點運動時上下沖程中減速箱的曲柄扭矩均方根值最小。

2 抽油機現有平衡裝置

2.1 機械平衡裝置

抽油機的機械平衡主要是油田開發的前期和中期，此時油井出油率高，對抽油機效率和能耗方面基本沒有要求。其主要是通過在抽油機的游梁或者曲柄中加入平衡重來實現的，在下沖程中，曲柄帶動平衡重由最低點向最高點運動，過程中，除驢頭和抽油桿柱自由下落產生的重力勢能，同時平衡重也在儲存勢能，這些勢能在上沖程中被釋放出來，減少電動機做功，從而緩解電動機載荷不均所產生的磨損。

機械平衡根據平衡重的位置可分為游梁平衡裝置、曲柄平衡裝置以及復合平衡裝置。根據抽油柱載荷的不同，可以對曲柄平衡重和游梁平衡重的位置進行調整。除了常規抽油機的曲柄搖桿機構的曲柄、游梁平衡裝置外，在塔式抽油機以及叢式抽油機中，采用曲柄滑塊機構達到平衡（滑塊裝置與常規游梁式抽油機中的曲柄、游梁的平衡中作用相同），且相比于傳統的平衡裝置，其達到的平衡效果更好。

2.2 液壓和氣動平衡裝置

隨著油氣田開發進入中后期，原油出油率低，抽油機長時間的不平衡造成其磨損越來越嚴重，能耗嚴重增大，采油成本逐步上升。抽油機的平衡性要求越來越高，此時科研人員對抽油機的平衡裝置進行了改進與創新，更多類型的抽油機平衡裝置出現在各大油田。

液壓平衡雙向液壓馬達可換向實現能量的儲存與釋放，實現抽油機上、下沖程的轉換。

液壓平衡裝置首先將平衡塊重力勢能轉化為液壓能，然后再利用馬達將液壓能轉化為機械能，與電機一起對上沖程的懸點做功。

氣動平衡裝置其工作原理:利用氣體的可壓縮性來儲存和釋放能量達到平衡。適用于負載較重的抽油機，可以根據油井情況不停機調節平衡。氣缸裝置呈對稱分布，其氣壓主要影響因素有氣壓波動系數、壓縮比等等。

2.3 其他平衡裝置

2.3.1 自調節平衡裝置

自調節平衡裝置一般安裝在游梁上或者游梁，主要由平衡重，伺服電機，支撐座，平衡導軌組成。依據接近開關組檢測沖程位置變化時所傳遞的信號，由控制系統發出指令，電動機驅動減速箱將平衡裝置迅速調整到極限平衡位置，此外伺服電機帶動平衡導軌上的絲杠運動，從而使平衡重運動到平衡位置。電機轉動經過絲杠變成螺母的直線運動，螺母又帶動平衡裝置在滑道上移動，控制其到游梁回轉中心的距離，從而達到調節平衡作用[2]。因為游梁平衡裝置是對曲柄平衡的一種補充，起平衡輔助調節作用，主要的平衡調節還要依靠曲柄平衡實現。

2.3.2 超越離合器平衡裝置

超越離合器平衡裝置與電動機輸出軸相聯結，依靠主動件和從動件的速度差或旋轉方向的變換自動接和或者脫離的裝置。抽油機在下沖程過程中，超越離合器外圈快速旋轉，其轉速高于內圈額定轉速，此時棘爪和棘齒脫離，在曲柄運行到下死點位置時產生超越現象。

抽油機在上、沖程過程中，超越離合器外圈與內圈嚙合，電動機輸出功率帶動抽油桿柱上升。

2.3.3 隨動平衡裝置

隨動平衡裝置主要裝置在游梁上，適用于常規型游梁式抽油機，裝置由平衡重、擺桿和連桿和支座等組成。上沖程時，游梁后臂向下運動，連桿與擺桿間夾角越來越小，隨動平衡裝置同步游梁后臂向下運動，其具有的重力勢能被釋放出來，協助電動機做功。下行程時，游梁后臂向上運動，連桿與擺桿間夾角越來越大，隨動平衡裝置向上運動儲存勢能。隨動平衡裝置方便對現有抽油機進行改進。

2.3.4 飛輪平衡裝置

飛輪平衡裝置主要用于帶式抽油機。當抽油桿柱下行程工作時，傳動系統帶動變直徑卷筒旋轉從而帶動飛輪卷筒軸旋轉，飛輪角速度增加，所存儲的動能越來越多。在抽油桿柱下行程過程中,抽油桿柱釋放出的全部或絕大部分重力勢能都將轉化為飛輪的轉動動能[3]。反之，飛輪平衡裝置釋放能量，以保證抽油機的平衡性。

3 平衡裝置存在的問題

抽油機平衡調整的常規方法主要采取人工調整平衡塊位置來實現。這種方法需要關停抽油機，一般依據現場經驗判斷調整位移量，需要平衡調整專用工具，移動笨重平衡塊的操作較為繁瑣，對特殊井有時還需要吊車輔助[4]；機械平衡裝置安裝的位置較高，平衡塊如果過重會產生很大的損壞力。存在較大的慣性力和離心力。這種油田前期普遍采用的調整方法并不能保證抽油機的平衡性，并且調整時需要關井，減少了經濟效益。

氣動平衡裝置，地面設備造價較高，不方便操作與維修。傳統氣動平衡器缸筒易變形、承載小、控制系統復雜、性能差。液壓平衡裝置，由于液體工作性能易受到溫度變化的影響，要求其液壓缸密封性能高、液壓元件的制造精度高，相應成本較高。

其他類型平衡裝置，包括自調節平衡裝置，隨動平衡裝置，超越離合器平衡裝置以及飛輪動力平衡裝置，其對現有的機械、液壓、氣動等平衡裝置的改進與創新，越來越多的投入到各大油田，提高了抽油機的平衡性。

4 檢驗平衡的方法

早期油田技術相對落后，多采用上下沖程做功相等的原則，其主要運用電流平衡的方法，此方法未考慮到抽油機節能和安全的要求，已不適合油田大范圍使用。在有條件測試功率的情況下盡量不要采用該方法。

相對節能效果最佳的平衡調整原則是“均方根扭矩最小”法，但對測試儀器以及測試分析軟件要求較高，并需要專業人員操作，油田還沒有大面積推廣，均方根扭矩最小法將是檢驗抽油機平衡性發展的方向。

功率法測平衡能夠不受電流方向干擾,保證了抽油機的安全運行，延長了抽油機的使用壽命，同時達到節能的目的。隨著我國各油田提高抽油機井系統效率工作的開展，油田普遍配備了系統效率測試儀，可以較方便地測試出抽油機的功率曲線[5]。功率法較電流法能清晰地反映平衡變化情況，較準確地計算真實的平衡度，可以避免因抽油機不平衡而造成不必要的設備損耗、耗電量增大、設備安全隱患等問題。

5 結語

抽油機的平衡裝置根據工況以及抽油機的性能有多種方式。近些年來，國內外對現有抽油機的平衡裝置進行改進與創新，設計出多種平衡裝置以及檢測平衡度的方法，更適合油田對抽油機節能減排的要求。此外，風能、太陽能、超級電容等也逐步運用到抽油機的平衡裝置當中，更有利于抽油機經濟效益的提升。