游梁式抽油機平衡達標檢測及自動調整

高玉森，張愛華，季峰，初波，陳勝利，季芳，王樹學，周景林

1.大安鴻源管業有限公司（吉林 大安131300）

2.中國石油吉林油田分公司 扶余采油廠（吉林 松原138000）

3.丹東源興科技有限公司（遼寧 丹東118002）

4.戈壁能源公司（吉林 白城131300）

5.大安木林森石油設備制造研發有限公司（吉林 白城131300）

0 引言

我國目前在采油系統中大部分還是在采用游梁式抽油機［1］，在游梁式抽油機行業標準中對平衡的要求是應使上、下沖程的最大電流差值小于最大電流的15%。抽油機在一定的生產條件下調整好平衡后，隨著排采抽吸的進行，油井本身地層供液和含水、含氣等工況的變化使懸點負荷不斷的變化，使游梁式抽油機平衡偏離行業標準。由于人工調整既費時又費力，還達不到適時調整，并且在調整時需要停抽，影響原油產量。所以有些資料表明50%以上的抽油機大部分時間工作在欠平衡的狀況［2］，達不到行業標準。

抽油機的平衡與否，對其故障率、壽命能耗、噪音有很大影響［3］。游梁式抽油機的節能技術就是平衡技術［2］，平衡系統的性能，平衡效果的優劣，直接影響抽油機的節能、壽命和應用方便程度［4］。實時自動檢測游梁式抽油機平衡是否達到行業標準，并指令伺服系統自動調整達到或優于行業標準，實現懸點載荷有多大其配重就自動調整到多大，這樣就能降低能耗、增加產量。

近些年，在抽油機自動控制方面，一些油田做了嘗試，主要功能有：自動調平衡、自動調沖次［5］等。由于是“嘗試”，早期研發費用較高，使產品成本偏高。另外由于沒有形成統一標準，給設備管理帶來難度，造成這些功能的使用率只有10%左右［5］。隨著電子行業的快速發展，機械結構的優選定型，成本的大幅度降低，自動調整平衡是采油設備的必然趨勢。

1 技術方案

1.1 微電腦控制部分

1.1.1 數據采集

監測平衡是否達到標準采用自動測量驅動電動機電流強度［6］的方式。微電腦在設定監測時間段內通過電流互感器和游梁位置傳感器儲存上沖程和下沖程的最大電流，通過比較程序得知電流偏差和較大電流是處于上沖程或者下沖程。

1.1.2 數據處理及指令

微電腦通過數據采集、儲存、比較得知抽油機平衡偏差，同時得知配重過大或者偏小。需要調整時指令伺服電動機運轉，拖動可調整配重塊向內或向外運動。

伺服電動機每次運轉時間決定每次可調整配重塊運動距離，微電腦根據平衡偏差大小自動指令伺服電動機每次運轉時間。一個調整程序終結，微電腦重新開始采集數據，不理想再次調整，直至平衡達到94%以上。

1.1.3 定時檢測、報警和手動

調整平衡達到標準以上時，在24 h內不會有太大的變化，為了延長系統服役期，節省系統耗電，微電腦可以由管理者任意設定連續檢測或定時檢測，任意設定定時檢測開始時間和每次檢測時長。

當系統自動調整達到極限仍然達不到標準要求時，微電腦觸發報警功能，及時告知管理者安排處理。

系統設置手動功能，在安裝完成第一次調試和其它需要的情況下，可以手動開啟伺服電動機正、反運轉，達到調整平衡的目的。

1.1.4 軟件開發原理框圖

圖1 是STM32F105RBT6 單片機軟件開發原理框圖。單片機軟件開發要達到抗干擾性強，安裝簡便，人機交互界面友好，調用方便［7］。

1.2 機械部分

1.2.1 機械結構

在游梁尾部安裝可自動調整配重塊，形成下偏杠鈴復合平衡。下偏杠鈴和曲柄一起平衡井口載荷，能夠降低減速器峰值扭矩［8］。

圖1 軟件開發原理

圖2 是可自動調整配重塊機械結構圖。機械傳動采用絲杠、絲母結構。圖中可自動調整配重塊黑色位置為重力最大極限，紅色位置為重力最小極限。

1.2.2 機械參數

1）伺服電動機在需要的時候開始向左或者向右旋轉，伺服電動機經減速后帶動絲杠運轉，絲杠運轉使絲母產生位移，絲母位移使擺臂帶動可自動調整配重塊圍繞搖臂支撐軸旋轉，旋轉最大角度設定為120°。

2）可自動調整配重塊質心和搖臂支撐軸中心長度設定為游梁最尾端到中軸承中心距離的52%。

3）可自動調整配重塊質心最大向外極限位置在中軸承中心與擺臂支撐軸中心的延長線上。這樣在中軸承中心與擺臂支撐軸中心的延長線是水平的時候，配重塊質心最大極限與最小極限的投影距離為：

式中：Smax為可自動調整配重塊移動最大投影距離m；L為抽油機中軸承中心與游梁最尾端的距離，m。

圖2 可自動調整配重塊機械結構

4）在游梁尾部加裝平衡塊質量一般以占原機總平衡量的40%～50%為宜[9-10]，可自動調整配重塊質量設定為原抽油機平衡塊總質量的45%。

1.2.3 可自動調整配重塊在調整范圍內與中軸承中心距離

1）抽油機中軸承中心與游梁最尾端的距離設定為L,游梁最尾端與搖臂支撐軸中心長度為便于計算忽略不計，因為可自動調整配重塊質心和搖臂支撐軸中心長度為0.52L,并且可自動調整配重塊質心向外最大極限位置在中軸承中心與擺臂支撐軸中心的延長線上，那么可自動調整配重塊質心與中軸承中心的最大距離是：

式中：Lmax為可自動調整配重塊質心與中軸承中心最大投影距離，m。

2）根據公式（1），可自動調整配重塊質心與中軸承最近的投影距離是：

式中：Lmin為可自動調整配重塊質心與中軸承最小的投影距離，m。

3）可自動調整配重塊質心在調整范圍內處于正中間投影位置時，距離中軸承中心的投影距離是：

式中：Lmid為可自動調整配重塊質心在調整范圍內處于正中間投影位置時，距離中軸承中心的投影距離，m；Lmax為可自動調整配重塊質心與中軸承中心最大投影距離，m；Lmin為可自動調整配重塊質心與中軸承最小的投影距離，m。

2 可自動調整配重塊在調整范圍內重力變化范圍

2.1 可自動調整配重塊的三個典型位置

圖3 是根據公式（2）、公式（3）、公式（4）繪制的安裝有可自動調整配重塊抽油機示意圖。為便于計算，以驢頭最前沿到中軸承中心距離和中軸承中心到游梁最尾端距離相等抽油機為例。黑色為可自動調整配重塊處于最大重力位置，紅色處于最小重力位置，藍色處于可自動調整配重塊最大可調整投影距離（Smax）正中間位置。

圖3 安裝有可自動調整配重塊抽油機示意圖

2.2 可自動調整配重塊不同位置的重力變化

1）當抽油機原始狀態，并達到平衡標準，驢頭端載荷等于全部平衡塊的重力，并設定為1W。加裝可自動調整配重塊并處于藍色位置，可自動調整配重塊所另外產生的重力為：

式中：0.45W 為設定的可自動調整配重塊的質量占原機總平衡量的45%所產生的重力，kN；1.13 為可自動調整配重塊處于藍色位置時的力臂長度，m。

2）為了加裝可自動調整配重塊后仍然達到平衡，需要調整原平衡塊位置，或者減少原平衡塊質量，調整后重力為：

3）可自動調整配重塊處于最大重力位置和原機調整后平衡塊總重力為：

式中：1.52為力臂長度，m。

4）可自動調整配重塊處于最小重力位置和原機調整后平衡塊總重力為：

式中：0.74為力臂長度，m。

5）從公式（7）和（8）可以得知，游梁式抽油機加裝可自動調整配重塊，自動調整范圍是82.45%到117.55%，調整幅度是35.1%。

3 現場應用測試

3.1 實驗井可自動調整配重塊加裝前后測試數據

1）加裝前后測試曲線加裝前測試曲線如圖4所示，加裝后測試曲線如圖5所示。

圖4 加裝前測試曲線

圖5 加裝后測試曲線

2）加裝前后測試數據加裝前后測試數據對比數據見表1。

表1 可自動調整配重塊加裝前后測試數據

3.2 加裝可自動調整配重塊前后日耗電量對比

加裝可自動調整配重塊前后節電率為：

從公式（9）得知實驗井加裝可自動調整配重塊有著明顯節電效果。

3.3 運行安全

1）加裝可自動調整配重塊后運動軌跡線在減速器上部的空間大，距離地面較高的采油井，一般不需采用專門的安全防護[11]。

2）加裝可自動調整配重塊后，如果在減速器上部的空間小，存在安全隱患，抽油機游梁后端需有防護欄[12]。

4 結語

1）游梁式抽油機加裝可自動調整平衡系統，實時自動檢測抽油機平衡狀況，自動調整平衡，可以滿足抽油機達到標準要求。

2）可自動調整配重塊質量設定為原抽油機平衡塊總質量的45%，可以滿足系統要求。

3）可自動調整配重塊調整幅度達到35.1%，可以基本滿足系統要求。

4）可自動調整配重塊質心和搖臂支撐軸中心長度設定為游梁最尾端到中軸承中心距離的52%，可以基本系統要求。

5）加裝可自動調整配重塊，使抽油機運行狀態得到改善，節電效果顯著。