劉一山，薛建強(qiáng)，王林平，程　灝，馮建設(shè)

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710021)①

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游梁式抽油機(jī)的自動(dòng)平衡調(diào)整裝置改進(jìn)方案

劉一山1，2，薛建強(qiáng)1，2，王林平1，2，程灝1，2，馮建設(shè)1，2

(1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安 710021；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710021)①

摘要：人工進(jìn)行游梁式抽油機(jī)的平衡度調(diào)節(jié)，存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、工作效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，并且無法根據(jù)油井載荷變化情況及時(shí)進(jìn)行平衡度調(diào)整。以前針對游梁式抽油機(jī)研制的某型號游梁平衡自動(dòng)調(diào)整裝置解決了這些問題。但是，該裝置在現(xiàn)場使用過程中出現(xiàn)了集成化程度不高，調(diào)節(jié)精度不夠等問題。因此對該裝置進(jìn)行改進(jìn)，將原來的鋼絲繩傳動(dòng)改進(jìn)為齒條和齒輪傳動(dòng)，并對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的游梁式抽油機(jī)自動(dòng)平衡調(diào)整裝置的工作性能穩(wěn)定，調(diào)節(jié)精度大幅提高，安全可靠，更加符合油田現(xiàn)場需要，達(dá)到了工業(yè)化推廣的要求。

關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī)；平衡調(diào)節(jié)；自動(dòng)化

3)搭建了氣液分離裝置試驗(yàn)平臺(tái)，模擬油井氣液分離過程。對單級、雙級氣液分離裝置進(jìn)行了不同沖次、氣液比條件下的產(chǎn)液量及容積效率測試試驗(yàn)，得出：在相同沖次條件下，隨著氣液比的增加，抽油泵的產(chǎn)液量逐漸降低，容積效率也逐漸減小。氣液比較小時(shí)下降速度較大，氣液比較大時(shí)下降速度較??；在相同氣液比條件下，隨著沖次的增大抽油泵的產(chǎn)液量雖然增大，但容積效率逐漸減小，沖次越小產(chǎn)液量和容積效率變化越?。浑p級氣液分離裝置與單級氣液分離裝置相比分離效果明顯提高，產(chǎn)液量和容積效率曲線拐點(diǎn)后移，對應(yīng)的氣液比是單級的1.7～3.5倍。

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adjustment device were solved.However，the device in the field of the use of the process of integration is not high，and the accuracy is not enough，and so on.Therefore，the device is improved，and the original wire rope transmission is improved to the rack and gear transmission，and the electric control system is optimized.Field test results show that the improved walking beam type oil pumping machine automatic balance adjustment device's performance is stable，greatly improve the adjustment precision，safe and reliable，more in line with the oilfield needs，in order to meet the requirement of industrialization.

迄今為止，常規(guī)游梁式抽油機(jī)仍然是油田進(jìn)行有桿泵采油作業(yè)的主要抽油裝置，其數(shù)量約占抽油機(jī)總數(shù)的50%以上[1]。為了降低采油成本，必須在加強(qiáng)新型抽油機(jī)研發(fā)的同時(shí)，開展常規(guī)游梁式抽油機(jī)的節(jié)能改造，以提高抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率和油田的經(jīng)濟(jì)效益。由于地層供液情況改變，造成原來處于平衡狀況的抽油機(jī)將會(huì)失去平衡，讓抽油機(jī)處于非平衡狀況下運(yùn)行[2]。為了降低抽油機(jī)的能耗，需要研制新型節(jié)能抽油機(jī)，但對常規(guī)的游梁式抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造也是必要的。2011年，筆者研制了一種游梁式抽油機(jī)自動(dòng)平衡調(diào)整裝置，解決常規(guī)游梁式抽油機(jī)調(diào)平衡工作的多種問題。經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，該裝置對游梁式抽油機(jī)具有比較好的平衡度調(diào)節(jié)效果，但是，在使用過程中仍然出現(xiàn)了一定的弊端，例如機(jī)械系統(tǒng)的集成化程度不夠，導(dǎo)致裝置長時(shí)間使用后容易松動(dòng)。電氣系統(tǒng)運(yùn)算過程不夠完善，導(dǎo)致裝置調(diào)節(jié)時(shí)不夠精細(xì)等。因此，在以前的基礎(chǔ)之上對機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1優(yōu)化思路

從機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓整個(gè)裝置的集成化程度和調(diào)節(jié)精密度更高，運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。機(jī)械系統(tǒng)主要是將原有裝置分散的模塊式安裝優(yōu)化為整體式安裝，讓機(jī)械系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)更加安全、穩(wěn)定。電氣系統(tǒng)主要是在運(yùn)算過程增加運(yùn)算細(xì)節(jié)，延長運(yùn)算周期，確保平衡診斷的可靠性和平衡調(diào)節(jié)的精細(xì)度。通過兩方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓裝置使用效果在很大程度上得到提高，達(dá)到工業(yè)化推廣的要求。

2原有平衡調(diào)節(jié)裝置的原理和不足

2.1機(jī)械系統(tǒng)

原有裝置的機(jī)械系統(tǒng)基本部件有：帶滑輪的平衡塊、滾筒支撐座、滑輪支撐座、伺服電機(jī)、鋼絲繩、光桿。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　原有的游梁平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)算過程是：伺服電機(jī)按照電氣系統(tǒng)的運(yùn)算結(jié)果按一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)滾筒支撐座中的滾筒旋轉(zhuǎn)。滾筒通過摩擦帶動(dòng)纏繞在其上的鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩整個(gè)形成一個(gè)閉環(huán)，兩頭分別固定在平衡塊的兩側(cè)，這樣就可以拉動(dòng)平衡塊朝預(yù)定的方向運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡度[3]。

該游梁平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的機(jī)械系統(tǒng)把游梁作為平衡塊的運(yùn)行軌道，在設(shè)計(jì)上比較新穎。但是，該裝置的集成化程度不高，光桿導(dǎo)軌懸空安裝，在長時(shí)間使用過程中可能會(huì)存在螺紋和鋼絲繩較快松動(dòng)、光桿彎曲的問題，影響平衡塊移動(dòng)。另外，該機(jī)械系統(tǒng)的平衡塊需要加重時(shí)，需要拆開裝置在光桿軌道中加平衡塊，程序較為復(fù)雜。

2.2電氣系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集模塊、伺服系統(tǒng)和自主研發(fā)的控制電路板構(gòu)成了電氣系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊采集一個(gè)沖程周期的上、下沖程各50個(gè)點(diǎn)的功率數(shù)據(jù)，經(jīng)過控制模塊計(jì)算處理后得到平衡度，從而判斷是否需要進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。當(dāng)需要調(diào)節(jié)時(shí)，比較上、下沖程的平均功率，判斷平衡塊需要調(diào)節(jié)的方向，而后開啟電源、關(guān)閉伺服剎車系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)供給動(dòng)力驅(qū)動(dòng)平衡塊移動(dòng)。2～5 s后，通過軟件控制開啟伺服剎車系統(tǒng)、關(guān)閉電源，數(shù)據(jù)采集模塊再次進(jìn)行功率采集，經(jīng)由控制模塊重新進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和平衡判斷后來指導(dǎo)伺服系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。如此循環(huán)直至抽油機(jī)的平衡度調(diào)節(jié)到0.5～1.0后停止平衡調(diào)節(jié)，控制流程圖如圖3所示。

圖2　原有的電氣控制流程

電氣系統(tǒng)在運(yùn)算過程采集的功率數(shù)據(jù)僅是一個(gè)沖程周期的，如果地層狀況變化速度較快，一個(gè)周期的平衡度可能不能真實(shí)地反應(yīng)抽油機(jī)的平衡狀況。按照這個(gè)平衡度調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡，可能無法使抽油機(jī)的平衡狀況得到根本上的改善。

3機(jī)械系統(tǒng)的改進(jìn)

對抽油機(jī)的游梁平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，將以前的鋼絲繩傳動(dòng)改為齒輪齒條傳動(dòng)。改進(jìn)后的機(jī)械系統(tǒng)主要部件有：齒條、槽鋼導(dǎo)軌、錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)、平衡箱、減速器等，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—齒條；2—槽鋼；3—錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)；4—平衡箱；5—齒條；6—減速器輸出軸齒輪；7—軸承；8—控制柜；9—減速器；10—固定螺栓。

整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)通過螺栓固定在抽油機(jī)的游梁之上。采用齒輪齒條傳動(dòng)平衡箱。平衡箱內(nèi)安裝有錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)和LDAM型驅(qū)動(dòng)裝置。LDAM型驅(qū)動(dòng)裝置輸出軸的齒輪穿過平衡箱底部的孔，與軌道中一側(cè)固定的齒條咬合，如圖4所示。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過LDAM型驅(qū)動(dòng)裝置減速，其輸出軸上的齒輪在齒條上運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)平衡箱沿軌道來回移動(dòng)，起到平衡調(diào)節(jié)的作用。

平衡箱的重力由4個(gè)高強(qiáng)度的軸承承載，如圖4所示。軸承在槽鋼中滾動(dòng)，槽鋼、軸承之間的軸共同對軸承起到限位作用，使整個(gè)平衡箱固定在軌道中而不會(huì)上下、左右晃動(dòng)。

圖4　軌道截面結(jié)構(gòu)

為了便于安裝，整個(gè)軌道由長度相等的兩部分拼接而成。首先將其中一段軌道固定在游梁待安裝位置，將平衡箱安裝到軌道之中。把電機(jī)與LDAM型驅(qū)動(dòng)裝置組裝好，將驅(qū)動(dòng)裝置輸出軸穿過平衡箱底部的孔，并使齒輪與軌道一側(cè)的齒條嚙合。然后將另一段軌道與固定好的軌道對接好，用螺拴將兩段軌道鎖緊。最后用固定螺栓連接好，這就完成了整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的安裝。

錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)帶有磁剎，當(dāng)電機(jī)斷電時(shí)，電機(jī)的輸出軸不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置上的齒輪就會(huì)固定在齒條上，平衡箱也不會(huì)有任何的移動(dòng)。在這種情況下，即使抽油機(jī)處于工作狀態(tài)，裝置仍然可以正常工作或停止。

電機(jī)安裝在平衡箱中，使該電機(jī)既可以成為動(dòng)力機(jī)，又可以充當(dāng)平衡塊。另外，平衡箱中放置用小袋包裝好了的鉛渣，由于鉛渣的密度較大，可以很好地起到平衡塊的作用。一旦平衡質(zhì)量不夠，只需要在平衡箱中放置一定數(shù)量的鉛渣就可調(diào)節(jié)平衡度。這種設(shè)計(jì)很好地利用了電機(jī)的質(zhì)量，使增加平衡質(zhì)量的操作變得簡單、方便。

4電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化后的電氣控制流程如圖5。根據(jù)力矩平衡原理，通過電機(jī)的功率監(jiān)測模塊，檢測1個(gè)沖程周期中多個(gè)瞬時(shí)功率，計(jì)算出該周期中的平均功率[4]。以15 min為1個(gè)取值周期，計(jì)算出該周期內(nèi)上、下沖程各30個(gè)平均功率。分別取中間值作為該15 min的上、下沖程的參考功率值。若上、下沖程的參考功率值出現(xiàn)負(fù)數(shù)，控制模塊指導(dǎo)電機(jī)按一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)節(jié)平衡；否則用上、下沖程的參考功率值的較小值比較大值來得到平衡度，將其作為該取值周期的平衡度。連續(xù)求3個(gè)15 min的平衡度，若2個(gè)平衡度大于0.5，則認(rèn)為抽油機(jī)是處于平衡狀態(tài)；若2個(gè)平衡度小于0.5，則認(rèn)為抽油機(jī)處于非平衡狀態(tài)，控制模塊控制電機(jī)按一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)節(jié)平衡，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)5 s后停止。再次采集功率來判斷平衡。如此循環(huán)，其流程如圖5所示。

圖5　優(yōu)化后電氣控制流程

在電氣保護(hù)方面，軌道兩端都安裝有限位傳感器，當(dāng)平衡箱運(yùn)動(dòng)至傳感器的傳感范圍內(nèi)時(shí)，電機(jī)立即斷電，平衡箱停止運(yùn)動(dòng)。此后控制電機(jī)回轉(zhuǎn)5 s，確保平衡箱在安全范圍內(nèi)而不會(huì)移動(dòng)出軌道，使裝置一直在安全范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

5現(xiàn)場試驗(yàn)

改進(jìn)后的游梁平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置安裝在某6型游梁式抽油機(jī)上，在油田現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)。表1是該平衡調(diào)節(jié)裝置安裝前后測試數(shù)據(jù)的對比，從表中可以看出，開始處于非平衡狀態(tài)的抽油機(jī)在安裝了自動(dòng)調(diào)平衡裝置之后平衡度由141%調(diào)節(jié)到了106%，達(dá)到了預(yù)期效果。另外，在安裝了該裝置之后，抽油機(jī)的綜合節(jié)電率達(dá)到了8.5%。

表1　游梁平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置安裝前后測試數(shù)據(jù)對比

6結(jié)論

1)分析了原有游梁平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的不足。將機(jī)械傳動(dòng)方式由鋼絲繩傳動(dòng)改進(jìn)為齒條和齒輪傳動(dòng)，提高了平衡配重箱的傳動(dòng)定位準(zhǔn)確度及可靠性。

2)電機(jī)和配重塊集成為一體，使整個(gè)裝置的穩(wěn)定性更好，安全性更高，平衡調(diào)節(jié)方便。

3)優(yōu)化后的電氣控制系統(tǒng)在抽油機(jī)的平衡診斷和平衡調(diào)整上更能反映抽油機(jī)真實(shí)的平衡狀況，調(diào)整的效果更好。

4)可以在游梁式抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)平衡技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用條件，實(shí)現(xiàn)彎梁變矩和調(diào)徑變矩抽油機(jī)的平衡自動(dòng)調(diào)整。

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文章編號：1001-3482(2016)07-0052-07

收稿日期：①2016-01-19

基金項(xiàng)目：國土資源部礦產(chǎn)資源節(jié)約與綜合利用示范項(xiàng)目“長慶姬塬油田特低滲透油藏綜合利用示范基地建設(shè)”(國土資源部財(cái)政部2011年第23號公告)

作者簡介：劉一山(1975-)，男，陜西西安人，工程師，碩士研究生，從事油氣田節(jié)能方面的生產(chǎn)管理和科研工作，E-mail：liuyishan_cq@petrochina.com.cn。

中圖分類號：TE933.103

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.011

Optimal Design of Beam Pumping Unit Balancing Adjustment Device

LIU Yishan1，2，XUE Jianqiang1，2，WANG Linping1，2，CHENG Hao1，2，F(xiàn)ENG Jianshe1，2

(1.Oil&GasTechnologyResearchInstitute，ChangqingOilfieldCompany，Xi’an710021，China；2.NationalEngineeringLaboratoryforLow-permeabilityOil/GasExplorationandDevelopment，Xi’an710021，China)

Abstract：The balance adjustment of the beam pumping unit is time-consuming，low efficiency，and high safety risk，and cannot be adjusted according to the change of oil well load.Before，aiming at the beam pumping unit for the development of a model，these problems of beam balance automatic

Keywords：beam pumping unit；balancing adjustment；automation