游梁式抽油機自動調平衡裝置的設計及應用探究

安軍波

（中國石油長慶油田分公司第六采油廠，陜西 西安 710000）

當前階段應用最廣泛的抽油機類型是游梁式抽油機，但該種抽油機在長久應用時卻會油井過度開采造成地層條件改變，使得抽油機處于不平衡狀態，不但影響了油田正式開采過程，還會引發比較嚴重的安全問題，針對該種情況，長慶油田技術部門開始基于當前的游梁式抽油機應用狀況，探索自動調平衡裝置設計方式，以期徹底解決因不平衡問題而引發的諸多弊端，從而創造更大的經濟效益。

1 游梁式抽油機簡述

1.1 原理

游梁式抽油機工作原理為：點擊抽油機啟動按鈕，電動機轉動，經變速箱、曲柄連桿機構，開始驢頭運動，驢頭會在抽油桿、光桿帶動井下抽油泵柱塞進行上下運動，將井中原油抽出井筒，而抽油機配置與對應的工作狀態多是大馬拉小車，運動模式是重復性的上下提升，一個沖程提升一次，動力來源是電動機帶動的兩個鋼質滑塊，在滑塊提升時，如同杠桿作用原理，直接將采油機桿通到井中。

1.2 特點

分析游梁式抽油機應用特點，包括操作簡單、工作階段噪音小，不會對周邊施工人員造成較大的影響，維護簡單，只需按照說明書完成常規維護即可；承載力打、強度高、適用范圍廣，能應用在比較惡劣的環境下；驢頭包括側轉、上掛、上翻三種類型；剎車設計為外抱式結構，安裝保險，在緊急狀況下用于制動安全性較高。

2 游梁式抽油機自動調平衡裝置的設計

2.1 制定設計方案

進行游梁式抽油機自動調平衡裝置設計，首要步驟是設計方案、確定設計思路，具體如下：參考力矩平衡原理，在抽油機游梁臂上增加配重，與執行部分對接，如此在執行機構工作時依靠起帶動作用而活動，調整配重各個階段的位置，以此達到平衡抽油機的目的；為實現自動調平，引入智能控制系統，與電氣控制裝置聯動完成自動平衡診斷、平衡調節控制，后續只需依次完成機械部分、電氣部分設計即可，后續再進行電氣系統數據采集、整合、運算、分析、判斷，得出可靠結論，指導機械模塊按照預設流程完成自動調平工作。

2.2 平衡判斷方法選擇

游梁式抽油機自動調平衡判斷方法，當前應用較多的是扭矩法、電流法、功率法，但具體哪種方法適用度最高，需依據實際情況而定，以下進行具體分析：（1）扭矩法。扭矩法指的是綜合分析平衡設備、懸點載荷產生的扭矩，獲取電動機輸入給曲柄軸的扭矩相平衡程度，結合凈扭矩曲線，分析抽油機是否處于平衡狀況。（2）電流法。利用專業設備測量電動機、上下沖程時的電流值，重復測量5 ～8 次，通過下沖程、上沖程電流峰值比值得出電流平衡度，比值處于80%～110%，代表處于平衡狀態。（3）功率法。功率法，顧名思義，即通過功率測量來判斷其是否處于平衡狀態，測量原理如上，重復測量上、下沖程功率，得出峰值功率，再通過上下沖程功率比值來求解其是否保持平衡狀態，比值處于80%～110%，代表在平衡狀態，反之，則不平衡。對比3 種判斷方法，電流法檢測時可能面臨的影響因素最多、誤差最大，扭矩法未直接測試設備，難以對抽油機在現場的實際平衡狀況做出正確診斷，實用性不高，參考自動調平衡裝置的實際所需，從實用性、準確性層面考慮，選擇功率法判斷平衡度，其可比較全面地展示抽油機平衡狀態各項參數指標大小，確定平衡真實狀態。

2.3 機械設計

為保證抽油機自動調平衡裝置應用效果，在機械部分設計時，需滿足以下功能：結合抽油機控制系統執行機制完成平衡調節，具體要點如下所示：

（1）通過絲桿旋轉推動配重作徑向運動，在設計時，靈活地將滾珠絲桿、平衡塊連接，形成聯動作用，并可保持雙方平衡，根據絲桿、平衡塊等的質量與運動方式選怎相應重量的機械裝置，選定抽油機支架材料，通過異相游梁平衡抽油機支架展開后續的有限元分析，保證各項設備在后續使用時能夠發揮正常作用，若是出現相關問題，需要對其進行及時調整。（2）自動調平機械系統部件包括一塊平衡板、一根絲桿、兩根光桿、左右支撐座，通過螺母、螺絲將左右支撐座緊固在游梁臂上，在支撐座上中間位置打上絲桿穿孔，讓絲桿在轉動時始終圍繞穿孔旋轉，后續安排在絲桿穿孔兩側對稱布置光桿穿孔，如此光桿能夠在相應區間內轉動，平衡塊也能局限在一條直線上；平衡塊在光桿支撐下一直保持直線運動，為保證整個運動過程的順暢性，可以底座位置裝設相應大小的軸承，絲桿對接軸承內環，用電機來操作絲桿運動，因電桿能起到對平衡塊的限制作用，可預設電桿運動軌跡，調整各個階段平衡抽油機的力臂、力矩，穩定開展后續的平衡運動。（3）在平衡塊核心位置挖出絲桿穿孔，絲桿穿孔兩側對稱開挖出光桿穿孔，其中絲桿穿孔可以讓供絲桿穿過，推動平衡塊沿光桿滑動；確定絲桿穿孔大小，在其中鑲嵌環形銅套，用緊固裝置保證銅套不會左右搖擺，影響絲桿的自由轉動，后續需要結合實際情況對其做出調整；按照如圖1 所示的方式布置螺紋內壁，在平衡塊光桿穿孔中鑲嵌同種類型的環形銅套，卡死銅套，避免其隨意擺動，讓光桿能夠按照預設程序隨意滑動；按照如圖2 所示布置光滑內壁，讓絲桿、光桿在各自的孔洞內不會出現相互干涉，隨意滑動，連接絲桿、電機轉軸，如此能夠用電機來帶動絲桿滑動，電機旋轉帶動絲桿在平衡塊嵌入銅套中轉動，后續平衡桿在絲桿直線方向運動，隨時進行力矩調整。

圖1 螺紋內壁銅套剖面圖

圖2 光滑內壁銅套剖面圖

2.4 電氣設計

電氣設計包括以下部分。

（1）控制系統設計。系統主控芯片選擇片機dsPIC 30F6014A 系列，單位重量513.6mg、數據RAM 大小8kb、最小工作溫度-40℃，主要用于數據收集、信號接收、整理抽油機電參數、平衡度計算、平衡重移動調節等，具體的智能控制流程如下所示：開始→CPU 端口、RS485 串口、定時器初始化→電功率參數采集→電功率平衡度→結合電功率完成調平衡指導→結束。

（2）功率平衡度監測。選定電功率采樣測量方法，采集抽油機上多個位移電功率，求出平均值，獲取裝置功率平衡度；計算上沖程、下沖程平均功率，再通過下沖程平均功率/上沖程平均功率，獲取功率平衡度，在此過程中的關鍵步驟是在上沖程、下沖程各選擇最具代表性的50 個位移點，采集到實時功率后輸送到PLC 分類存儲，再求取平均功率，計算實時功率平衡度。

（3）平衡判斷。通過PLC 測量抽油機各個階段的平衡值，根據平衡值變化曲線，判斷抽油機在工作時是否處于平衡狀態，如果平衡度超過0.8，表示抽油機過平衡，應著力于降低平衡力矩；如果平衡度在0.8 ～1.1，代表處于正常狀態；如果平衡度超過1.1，抽油機欠平衡，需增加平衡力矩，分析不同階段的平衡度，操控PLC 設備發出不同的信號對其加以調整，維持其正常運轉。

（4）電機運轉控制。若是抽油機處于不平衡狀態，不論是過平衡還是欠平衡，都會讓電機反向運轉，為保證平衡性，需要電機能雙向轉動，必要時，為提升抽油機的穩定性、安全性，應操控平衡塊以較慢的速度沿著游梁移動，比如，在動力系統選擇與裝設時，可選擇能正反向寸動、電機轉速自由調控的伺服電機，因普通的伺服系統即有著可正反轉、可頻繁起制動、響應速度快、低速大轉矩、穩定性好、精度高等優點，并借助PLC 可編程模塊實現信號智能化控制，適用于游梁平衡式抽油機在各種環境下的應用。

3 游梁式抽油機自動調平衡裝置應用

在長慶油田隨意選擇8 口油井進行現場試驗，對比自動調平衡裝置安裝前后平衡參數的變化情況，具體如表1 所示，從表1 展示的測試結果來說，8 臺抽油機平衡性得到不同程度的提升，平均平衡度91.37%，有7口井在欠平衡狀態，在安裝自動調平衡裝置后平衡度提升超過95%，5 號井在過平衡狀態，在調節后平衡度為107.77%，不但平衡度得以改善，還可有效節能，這對于長慶油田的長遠發展來說至關重要。

表1 調平衡裝置裝載前后對比測試表

4 結語

綜上所述，本文就游梁式抽油機自動調平衡裝置的設計及應用進行了論述與分析，建議給予其足夠的重視，分析所設計自動調平衡裝置在實際應用中的優勢與不足，發揚優勢、彌補不足，收集應用反饋，對調平衡裝置進行定向調整、優化，以期達到更好的調平衡效果，并為后續的相關研究累積經驗。