抽油機井自動平衡改造方法及效果評價

戰永生（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

游梁式抽油機運行過程中懸點負荷變化是不均勻的，而且懸點運動的加速度和速度變化又加劇這種不均勻性，傳統平衡調整方式是調整平衡塊在曲柄上的位置，消除無用功，使電動機、減速箱的負荷變化均勻[1]。但目前游梁、曲柄平衡包括下偏杠鈴平衡均屬于靜態平衡，平衡塊杠鈴位置固定不動，導致其力臂變化有限，平衡節能效果不足[2-3]。通過自動平衡設計，實現抽油機運行過程中平衡重力臂自動調節，動態平衡，使節能效果顯著增強。

1 技術原理

太陽能儲能自動平衡抽油機，采用在尾游梁上安裝游標式配重塊，配重游標依靠太陽能運行，太陽能電池板給蓄電池充電，蓄電池帶動直流電動機驅動配重游標自動前后移動調節配重力臂，從而在不停機的情況下自動調整抽油機平衡度，使抽油機平衡度始終保持在較高水平[4-5]。

由游梁抽油機平衡重做功公式得：

式中：Aw為下沖程桿柱重量及電動機對懸點載荷做功；s為沖程，m；c為游梁平衡力臂長度，m；Wb為達到平衡所需平衡重，kN；Xuc為抽油機不平衡所需配重，kN；a為游梁前臂長度，m。

當抽油機在下死點時，自動平衡塊向后移動，相當于平衡塊力臂c加長，則電動機做功減少；同理，當抽油機運行到上死點時，游標平衡塊自動向內運行，相當于平衡塊力臂c減少，則Aw減少；由公式可知，桿柱對載荷做功不變，Aw減少，則電動機對載荷做功減小。通過以上分析可以看出，自動平衡裝置通過在抽油機運行過程中游標自動運行，加大或減小抽油機力臂，減少電動機功率輸出，改善平衡效果，從圖1 可見，經尾游梁平衡后，曲柄靜扭矩峰值大幅降低，波形更加平緩，達到節能目標[6-8]。

圖1 尾游梁平衡后曲柄靜扭矩情況

2 結構設計

太陽能儲能自動平衡尾游梁裝置由尾游梁和地面控制系統組成。其中尾游梁可采取懸掛的方式固定在抽油機游梁尾部，負責實現自動平衡功能的太陽能游標均安裝在尾游梁上（圖2）。

圖2 抽油機井太陽能儲能自動平衡裝置示意圖

1） 尾游梁。尾游梁由尾游梁主體和游標組成，游標套接在尾游梁主體的梁體上[9-10]。尾游梁尾部設置配重塊，用于調節超出游標運行范圍以外所需的平衡塊重量及力矩。游標式尾游梁采取掛接方式安裝在游梁尾部，不用敷設任何電線電纜和傳感器。

2）太陽能游標。游標控制箱及蓄電池組采用兩側模塊化安裝，自動平衡尾游梁結構圖見圖3。太陽能游標兩側設置太陽能電池板。蓄電池采用2塊12 V、50 Ah 串聯組成，電壓為24 V 直流電源。電動機為24 V、120 W 低速大扭矩無刷直流電動機。游標兩端分別安裝限位開關，游標觸發限位開關后停止動作，實現可靠的限位保護功能。

圖3 自動平衡尾游梁結構圖

3）控制系統。地面控制系統采取無線通信方式發出的控制信號，控制游標配重的移動。

3 尾游梁受力分析

為保證改造尾游梁受力均勻以及改造部位強度，對尾游梁進行強度校核計算。在額定扭矩及電動機自身重力作用下，在尾游梁自身重力以及游標平衡重作用下，最大應力發生在尾游梁根部（與游梁連接處），最大應力為113.7 MPa，按照屈服強度830 計算，安全系數7.29 （830/113.7），變形量極小，滿足強度要求，改造后也不會改變常規游梁使用強度。

4 應用情況及效果

現場可采取兩種方式進行改進平衡效果達到節能目的：一是采取游標行程與抽油機井沖程同步的方式進行平衡；二是采取游標定位置的平衡方式，即游標依據抽油機井的平衡狀態采取固定任意位置的方式進行節能平衡。

為驗證抽油機井自動平衡改造的平衡效果，試驗時分別測試游標固定位置平衡以及與沖程同步行程方式兩種狀態下的能耗和載荷情況。游標平衡重固定時測量，游標位于尾游梁低端、中部及低端，分別比改造前節電33.37%、34.13%和33.95%，系統效率分別可提高6.9、7.4、7.3 個百分點，1#井游標固定不同位置平衡效果對比見表1。

表1 1#井游標固定不同位置平衡效果對比

對應抽油機每個沖程運行，通過太陽能儲能單元控制游標配重運行。游標運行的不同行程下，最大有功節電率可達到43.1%，1#井游標動態平衡狀態下平衡效果見表2。通過電流監測可見，峰值電流由最高11.2 A 下降到6.9 A，折算扭矩峰值比常規曲柄平衡下降40.7%，極大改善平衡效果，2#井太陽能儲能型自動平衡改造效果曲線見圖4。按游標行程0.5 m 運行計算，平均有功降低1.087 kW，日節電26.1 kWh，年節電9 391 kWh。

表2 1#井游標動態平衡狀態下平衡效果

圖4 2#井太陽能儲能型自動平衡改造效果曲線

5 結論

1） 抽油機太陽能儲能自動平衡尾游梁改造，依靠太陽能控制配重游標，可實現抽油機在每個沖程內的動態平衡調整，能夠極大改善無法滿足平衡條件的老舊抽油機的運行需求。改造成本低，運行可靠，可作為今后油田開展碳中和節能的有效方式之一。

2）抽油機太陽能儲能自動平衡尾游梁改造的游標有效行程長，調節平衡度范圍大。現場應用表明，能有效改善抽油機井的平衡運行狀況，有效降低峰值扭矩，折算扭矩峰值比常規曲柄平衡能下降40.7%。

3）在改善抽油機平衡效果的同時，該技術起到了較好的節能降耗效果。游標運行的不同行程下，最大有功節電率可達到43.1%。測試表明，平均有功功率降低1.087 kW，系統效率提高7.9%，日節電26.1 kWh，單井年節電9 391 kWh。