智能吊重平衡游梁式抽油機在采油企業的應用

劉 濤，徐古林，汪耘舟，劉渭乾

（1.長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

采油三廠共有抽油機7484 臺，其中立式抽油機7 臺，數字化抽油機3448 臺，常規抽油機4029 臺。采油三廠2018 年11 月在紅井子作業區池187-1 擴井組安裝4 臺寶雞石油機械有限責任公司生產的10 型智能吊重平衡游梁式抽油機，分別于12月投產。

1 主要技術特點

本機由底座、支架、托架、前置式游梁、橫梁、驢頭、吊滑輪組機構、曲柄連桿驅動機構及動力裝置、剎車裝置等零部件組成。游梁以鉸鏈支座固定在支架上，可上下往復擺動。平衡吊坨的鋼絲繩一端固定在托架上，經一組滑輪對游梁前端總是施加一與負載力矩反向的平衡力矩。曲柄輪安裝在減速機輸出軸上，連桿（一組）下端與曲柄輪用曲柄銷裝置聯接，上端與橫梁以軸承鉸鏈方式聯接。

1.1 前驅動式吊重平衡抽油機設計改進

（1）將杠桿式游梁改為前置式游梁。在沖程相同時，前置式游梁擺角小，使得負載變化率小，機構運轉相對平穩，毛辮子繩對中性好，從而提高抽油泵的使用壽命，同時改善了驢頭受力狀況和整機運行安全性。

（2）將曲柄平衡改為吊重平衡。①解除了原機構減速機的沉重負載，使整體驅動機件受力小，壽命長，大幅提高了關鍵部件減速機的使用壽命，節約了維護費用；②起動慣量極小，配套電機容量大幅度下降，節約動力。同時可以做到隨啟隨停，為檢修維護和應急停機奠定良好的基礎；③可實現動態調整平衡狀態，調整速度快、精度高，有效提高節能效果。

（3）吊重平衡中采用滑輪組增力方案。通過滑輪組機構設計，以較少的吊砣產生成倍的吊重平衡力矩，從而減少配重，節約材料，同時減輕吊重鋼絲橡膠帶的負荷，延長其使用壽命。

（4）吊重平衡中采用強力鋼絲繩芯橡膠帶方案。這是一項關鍵技術，通過使用多根強力鋼絲繩作為帶芯，大幅度提高鋼絲繩彎曲疲勞強度。同時外包耐候性優良的橡膠，具有免維護功能，進而制成性能可靠的橡膠帶。

（5）采用智能控制和遠程監控結合。通過智能控制模塊實時監測抽油機運行情況，分析8 種傳感器數據，將懸點載荷、驢頭角位移、游梁扭矩等運行參數收集并傳輸到智能控制模塊，自動調節沖次和電機運行參數，實現沖次和電機運行參數最優，并且故障自停并上報故障碼，結合物聯網技術，可在遠端監控中心、用戶客戶端和手機移動客戶端實時接收運行數據，并實現遠程控制啟停、讀取故障碼、分析運行參數等功能。

1.2 節電技術特點

同等機型，比常規抽油機配套動力降低50%，比尾部移動平衡抽油機配套動力降低1/3。節電技術特點：①采用吊重平衡方式，合理利用下沖程時的重力功；②吊重力矩直接跟蹤平衡負載力矩，大幅降低驅動力；③停機時，機構自動處于平衡位置，啟動慣量小；④可不停機調整平衡且調整精度高，大幅降低無功損耗；⑤采用智能控制系統，實現“油多快抽，油少慢抽”；⑥自動加載平衡系統主要由智能控制柜、地面水箱、水泵及換向系統、膠管和吊重水箱組成。通過測得抽油機運行中的平衡度，智能控制柜將周期性計算出吊重需要增加或減少的重量，并計算水泵及換向系統工作時長。需要增加吊重重量時，水泵從地面水箱將液體抽入吊重水箱，反之同理，進而實現對吊重重量線性調節。改造后的抽油機外觀如圖1 所示。

2 現場使用效果

選取同井況同機型抽油機進行節能測試，對比抽油機耗電量。2019 年12 月27 日對池187-1 擴井組3 口井進行節能監測（報告編號JCPJ-025-2019），對比新疆10 型數字化抽油機監測結果，2012 年11 月15 日對采油六廠池59-131 和采油三廠紅井子作業區坊72-122 井進行節能監測（報告編號JN2012-033）。

2.1 裝機功率對比（表1）

通過裝機功率對比，吊重平衡游梁式抽油機電機功率較新疆10 型數字化抽油機電機功率降低26%，減速箱扭矩由37 kN·m 降低到18 kN·m。

2.2 耗電量對比

從報告上看：79-190 噸液百米耗電0.795 kW·h，72-122噸液百米耗電1.714 kW·h；按每日5 方計算，用79-190 的參數（密度0.987，動液面1286）；79-190 耗電：0.795×5×0.987×1286/100=50.45 kW·h；72-122 耗 電：1.714×5×0.987×1286/100=108.78 kW·h；年節電費=（108.78-50.45）×365×0.62=1.32 萬元。主要參數對比見表2，紅井子現場測試數據見表3。

圖1 抽油機外觀圖

結合泵掛深度2200 m，對比坊79-190 和其他3 口游梁式抽油機的電費差分別為：13125 元，9278 元，22856 元。結合報告數據1.32 萬元，按照紅井子作業區5 m3/d 的平均日產，單臺對比節電量約為1.32 萬元。

2.3 系統效率對比

吊重平衡游梁式抽油機50 Hz 系統效率為39.32%，新疆10 型數字化抽油機50 Hz 系統效率為29.29%，系統效率提高10.03%。

2.4 對比常規機型技術優勢

（1）根據整機平衡原理吊重可以根據實際負載進行大幅調節，結合自動平衡系統，能夠達到精確平衡。目前CYJW10-3-37HY（S2K）抽油機可實現平衡運轉范圍為80～100 kN，CYJ10-11-18 吊重有效預加載為0.482 t，可以實現30～100 kN 寬范圍平衡調節，吊重平衡游梁式抽油機可以大大改善因油井管柱配比、泵掛深度變化造成的低負載不平衡情況。

（2）結構上繼承了游梁式抽油機曲柄連桿驅動機構正弦運動曲線優點，克服了游梁式抽油機曲柄平衡的缺點，實現了游梁式結構與吊重平衡方式的有效結合。

（3）整機采用框架式結構，通過主體支架和前后立柱作為主要受力部位，同時采用有基礎結構，增強了整機穩定性。相比數字化無基礎抽油機和傳統曲柄平衡抽油機穩定性大大提高，同時由于采用吊重平衡方式，運轉過程對整機的沖擊載荷較小。

（4）該新型抽油機可以通過配重塊實現粗調，平衡度可控制在85%以上。通過自動平衡系統，可實現一定范圍內線性調節配重質量，實現細調，平衡度控制在95%以上。

（5）該新型抽油機通過吊重與配重相互平衡，運轉中需要的驅動力大大減少，運動系統承受沖擊載荷較低，主體支架、減速器等部件負擔較輕。

（6）采用吊重平衡方式，回收利用了光桿下行時的全部重力功。光桿下行的重力功轉化為吊砣位能，上沖程時再釋放吊砣位能而抽油，也就必然減少動力做功而節能。同時連桿主要受到向下的拉力，且力矩較小，對連桿銷子組合部件影響較小，對比游梁平衡抽油機連桿銷子異響情況將大大減少。

（7）采用前置式游梁和直接平衡負載的方式，實現全程跟蹤平衡的效果。該機構使平衡力矩與負載力矩為同一矩心，可根據實際抽油工況變化規律，設計平衡力矩隨抽油工況而變化，即上沖程時由大變小，利于抽油；下沖程時由小變大，利于光桿回落，實現了跟蹤平衡的效果，減少了電機作功。

（8）該機構停機時，會自動處于平衡位置，啟動慣量小，電機啟動功率小，裝機功率低，大幅度減少了大功率配置動力的無功損耗。

表1 裝機功率數據對比

表2 主要參數對比

表3 紅井子現場測試數據

（9）該機有兩種調整吊重平衡的方式：①自動加減載荷和人員配合的調整方式。井況負載變化在600 kg 內，可實現自動加減吊重載荷，實現智能自動平衡。載荷變化超過600 kg 時，需要人工配合調整吊重，在人工調整后，仍然在600 kg 載荷變化內可實現自動平衡，平衡度可以調整到最好；②人工加減載平衡方式。可不停機完成加載調整平衡，調整精度較高，大幅度減少殘余不平衡量造成的無功機械損耗。

2.5 其他方面

①抽油機驢頭屬于側翻轉結構，現場不影響正常修井作業。②吊重通過導桿及導向輪控制，避免吊重對導桿的磨損；能夠降低風力對吊重以及整機的影響。

3 結束語

智能吊重平衡游梁式抽油機結合傳統游梁機和立式皮帶機的優勢，通過皮帶與動滑輪系統，有效地實現了“動態跟蹤平衡”。采用變頻電機，實現柔性啟動與線性調速，裝機功率較低。配備智能控制柜，實現智能化自動控制，具有自適應能力，可實現遠程監控、自動調節、故障預警等功能。

經過超過500 d 的現場應用，整機運行正常，通過將杠桿式游梁改為前置式游梁，曲柄平衡改為吊重平衡，采用滑輪組增力，強力鋼絲繩芯橡膠帶，智能控制和遠程監控結合，整機采用框架結構和基礎結構。整機穩定性強，適用負載范圍更寬。裝機功率較同機型游梁式抽油機降低26%，減速箱扭矩由37 kN·m 降低到18 kN·m。下一步建議優化整體結構，增加安裝、移機、維修的便利性，向免維護方向發展，同時不建議采用大減速比減速箱。