秦殿花（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

抽油機作為目前主要的機械采油設(shè)備，為油田的發(fā)展作出了巨大貢獻，但由于游梁式抽油機必須通過減速和傳動機構(gòu)才能實現(xiàn)抽油桿的上下往復(fù)運動，因此，傳動效率較低，制約了抽油機系統(tǒng)效率的提高。天平式節(jié)能抽油機作為新型的游梁式抽油機，打破了傳統(tǒng)的設(shè)計理念，采用了機電一體化智能自動控制技術(shù)，與常規(guī)游梁式抽油機相比，取消了四連桿機構(gòu)及齒輪減速箱，不僅提高了傳動效率，而且提高了零部件的耐用性；同時，永磁同步電動機在電腦控制下實現(xiàn)正、反換向，通過固定在前、后兩端驢頭上的驅(qū)動實現(xiàn)抽油機的運轉(zhuǎn)。另外，電氣系統(tǒng)適配無線遠程操作裝置，可遠程對系統(tǒng)進行監(jiān)視，通過遙控器的簡單操作即可實現(xiàn)沖程、沖速的隨意設(shè)定；同時，動力傳輸采用柔性傳動，減小了抽油機井的換向沖擊載荷、交變載荷、慣性載荷，可大幅度降低桿管和脫接器等部件的損壞概率[1]。

1 天平式游梁抽油機結(jié)構(gòu)

天平式游梁抽油機主要由前驢頭、游梁、后驢頭、支架、底座、驅(qū)動輪總成、張緊輪總成、導(dǎo)向輪總成、增角輪總成、電動機、導(dǎo)向支架、配重箱等部分組成，取消減速器和四連桿機構(gòu)，采用底座連接支架作為支撐，支承軸連接游梁及前后驢頭，通過永磁同步電動機實現(xiàn)正、反換向，通過固定在前、后兩端驢頭上的驅(qū)動實現(xiàn)抽油機的運轉(zhuǎn)（圖1）。

圖1 天平式游梁式抽油機結(jié)構(gòu)示意圖

2 天平式游梁抽油機工作原理

天平式游梁抽油機采用變頻永磁同步電動機代替普通異步電動機，通過膠帶導(dǎo)輪組來驅(qū)動天平式游梁抽油機的工作驢頭和配重驢頭。

上沖程時，工作驢頭懸點需提起桿柱和液柱，此時配重驢頭和配重箱從勢能相對較高位置下行，對工作驢頭懸點做功，幫助電動機提升桿柱和液柱。在天平式抽油機未平衡的情況下，變頻電動機正轉(zhuǎn)提供所需要的能量幫助抽油桿柱上行。

下沖程時，抽油桿柱轉(zhuǎn)而對配重驢頭和配重箱做功，把驢頭和配重箱拉到一個相對高的勢能位置，為下一沖程儲蓄能量，此時變頻電動機反轉(zhuǎn)處于發(fā)電機的運行狀態(tài)，其所產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)。

天平式抽油機采用對稱平衡方式，運用柔性連接的方式進行傳動，代替了普通抽油機曲柄回轉(zhuǎn)離心力平衡方式，可使平衡度更高。

3 天平式游梁抽油機設(shè)計

常規(guī)游梁式抽油機必須通過減速器和傳動機構(gòu)才能實現(xiàn)抽油桿的上下往復(fù)運動，傳動效率低、能耗高，制約了常規(guī)游梁式抽油機系統(tǒng)效率的提高。因此，引入了機電一體化智能控制技術(shù)，在常規(guī)游梁式抽油機的基礎(chǔ)上，對天平式游梁抽油機進行了設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）設(shè)計一種將制動器安裝在電動機上的電動剎車裝置，其剎車扭矩大于電動機額定扭矩的2 倍以上，以便剎車能夠更加安全、可靠。以型號TCYJ14-5.4 型天平式游梁抽油機為例（表1），進行設(shè)計。

表1 TCYJ14-5.4 型天平式游梁抽油機油井工況

2）電動機功率設(shè)計。抽油機沖程S =5.4 m，設(shè)定時間分段：加速區(qū)t1=0.5 s，勻速區(qū)t2=6.2 s，減速區(qū)t3=0.5 s，停頓時間t4=0.3 s。按電動機功率標準系列選擇25 kW 電動機。

3）驅(qū)動繩強度設(shè)計。驅(qū)動繩最大工作靜拉力是抽油桿斷裂時鋼絲繩受的拉力。驅(qū)動繩采用4 根12-6×7-1960 的鋼絲繩。鋼絲繩破斷拉力F0=101 kN 以及鋼絲繩工作的安全系數(shù)n =7，所以鋼絲繩的強度條件為4F0=404 kN，驅(qū)動繩可滿足強度需求[2]。

4）懸繩強度設(shè)計。抽油機額定懸點載荷P ，由2 根懸繩承擔(dān)，單根受力P/2 。根據(jù)懸繩單根受拉破斷拉力F0，當(dāng)F0＞P/2 時懸繩可達到設(shè)計要求。

TCYJ14-5.4 型抽油機額定懸點載荷140 kN，由2 根懸繩承擔(dān)，單根受力70 kN。懸繩單根最小破斷拉力440 kN，其強度可滿足要求。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）設(shè)計調(diào)壓節(jié)能技術(shù)。抽油機的功率檔次有限，且每口井的參數(shù)不盡相同，在選配抽油機時，不可能剛好和抽油機的功率檔次相匹配。各型號抽油機在配用電動機時，為了保證在各種工況下能夠正常運行，留有一定的功率余量。當(dāng)油井產(chǎn)液量下降時，載荷相應(yīng)減小，就造成了負載率偏低，導(dǎo)致其效率和功率因數(shù)都較低。因此，設(shè)計控制變頻永磁同步電動機控制柜實現(xiàn)自動調(diào)壓的功能，適當(dāng)調(diào)節(jié)電動機定子的端電壓，使之與電動機的負載率合理匹配，這樣就降低電動機的鐵耗和無功功率，可以提高電動機的運行效率和功率因數(shù)，達到節(jié)能的目的。天平式游梁抽油機安裝前后應(yīng)用效果見表2。

表2 天平式游梁抽油機安裝前后應(yīng)用效果對比

2）設(shè)計長沖程、低沖速。長沖程、低沖速的設(shè)計使抽油桿在運行時，只在上、下死點附近存在加、減速度，其余行程是勻速運動，可以保證抽油桿震動更小、沖程損失更小，泵充滿程度更高。

3）控制系統(tǒng)單片機設(shè)計及變頻控制技術(shù)。天平式游梁抽油機的最大沖程可達6～8 m，沖速范圍達0.15～6min-1。通過單片機及變頻控制裝置的設(shè)計，使其沖程與沖速可無級調(diào)節(jié)，抽油桿的上、下速度可分別獨立調(diào)節(jié)，以便滿足油井出現(xiàn)產(chǎn)量下降時的適應(yīng)性[3]。

4）設(shè)計遠程無線操作方式。設(shè)計采用高可靠的軟件診斷，達到全程監(jiān)控運行參數(shù)，對抽油機運行曲線進行監(jiān)控、過載過沖保護、抽油桿斷脫保護、智能故障檢測。在出現(xiàn)無法避免的故障時，主動停機報警并記錄故障，具備完善的安全保護功能。

5）設(shè)計智能間抽技術(shù)。在油井產(chǎn)液量逐漸下降的情況下，沉沒度也會逐漸降低，導(dǎo)致泵的充滿度越來越低；在地層能量不足或抽汲參數(shù)不能繼續(xù)下調(diào)的情況下，會浪費大量的電能。為解決上述問題，設(shè)計安裝了能夠精確感知油井載荷動態(tài)變化的傳感器，通過與變頻永磁同步電動機的控制柜實現(xiàn)自動對話，以達到滿足智能間抽、節(jié)約電能的要求。

3.3 主要型號及對應(yīng)參數(shù)

天平式節(jié)能抽油機主要有7 種型號，最大沖程范圍為0～5.4 m，最大沖速范圍為0～6 min-1（表3）。

表3 規(guī)格型號和技術(shù)參數(shù)

4 在喇嘛甸油田適應(yīng)性分析

1）低產(chǎn)液情況下適應(yīng)范圍廣。統(tǒng)計分析喇嘛甸油田近3年來投產(chǎn)的二類油層聚合物驅(qū)區(qū)塊，采油井的產(chǎn)液量變化范圍為5～95 t/d，變化范圍較大。天平式節(jié)能抽油機可以任意調(diào)低沖程、沖速，因此，在油井出現(xiàn)產(chǎn)量下降時具有很好的適應(yīng)性[4]。

2）有利于延緩偏磨延長檢泵周期。天平式節(jié)能抽油機運行時具有長沖程、低沖速的特點，與喇嘛甸油田聚驅(qū)抽油機井防偏磨措施相一致；同時，柔性傳動能減小交變載荷、慣性載荷，可大幅度降低桿管和脫接器等部件的損壞概率。

3）提高遙控器性能。為更方便操控該抽油機，應(yīng)配備高性能遙控器，保證其遠程控制距離以及在惡劣天氣條件下的正常使用。

4）加大鋼絲繩強度。鋼絲繩是天平式節(jié)能抽油機的主要傳動部件，同時也是易損部件，而喇嘛甸油田的單井產(chǎn)液量大，載荷高，將會加劇鋼絲繩的磨損，因此需優(yōu)化并加強鋼絲繩強度。

5 結(jié)論與認識

1）天平式游梁抽油機從改變抽油機的結(jié)構(gòu)和電動機結(jié)構(gòu)入手，使抽油系統(tǒng)達到結(jié)構(gòu)最簡化、效率最大化目的。

2）天平式游梁抽油機運行時具有長沖程、低沖速的特點，與聚驅(qū)抽油機井防偏磨措施相一致，有利于延長偏磨檢泵周期。

3）針對控制系統(tǒng)設(shè)計了單片機及采用了變頻控制技術(shù)，在油井出現(xiàn)產(chǎn)量下降時具有適應(yīng)性。另外，通過遙控器的簡單操作即可實現(xiàn)沖程、沖速的隨意設(shè)定，可遠離抽油機，降低工人勞動強度的同時消除了安全隱患。

[1]張琪.采油工程原理與設(shè)計[M].石油大學(xué)出版社,2000:21-22.

[2]郭秀英,趙偉民.永磁電機在抽油機中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010(5):53-55.

[3]董世紅.游梁式抽油機變頻調(diào)速技術(shù)改造及應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報,2010(7):15-17.

[4]劉群杰.天平式節(jié)能抽油機現(xiàn)場試驗效果分析[J].勘探開發(fā),2011(9):41-43.