馮靜 陳雷 杜廣純 劉春雨 劉春紅

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠；3.大慶油田裝備制造集團(tuán)；4.大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司；5.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

1 實施背景

游梁式抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作維修方便以及使用壽命長的特點，是目前主要采用的舉升裝置[1]。由于抽油機(jī)懸點在運動時，上下沖程中受到載荷不均勻，通常采用調(diào)平衡[2-4]的方法來減小對抽油裝置的影響，同時可以提高抽油機(jī)的系統(tǒng)效率。

抽油機(jī)運轉(zhuǎn)不平衡可導(dǎo)致抽油機(jī)運行過程中耗電量增加、減速箱磨損加快等問題，因此抽油機(jī)平衡調(diào)整工作尤為重要。目前，某采油廠年抽油機(jī)平衡調(diào)整工作量達(dá)到800 井次以上，該項工作均由人工完成，勞動強度大，且存在操作安全隱患問題。受油井結(jié)蠟、泵效等因素的影響，部分井平衡率變化頻繁，1 個月內(nèi)需調(diào)整3～4 次，重復(fù)工作量較大。

為解決上述問題，開展了抽油機(jī)智能調(diào)平衡自動控制技術(shù)試驗，實現(xiàn)了抽油機(jī)平衡自動調(diào)整，以減輕員工勞動強度，降低抽油機(jī)能耗，消除人為調(diào)平衡工作帶來的安全隱患。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外油田機(jī)械采油系統(tǒng)普遍采用游梁式抽油機(jī)，其裝配的電動機(jī)以Y 型異步電動機(jī)為主。游梁式抽油機(jī)平衡度是抽油機(jī)運行狀態(tài)的一個重要參數(shù)之一，也是評價油井設(shè)備運行管理的一項技術(shù)指標(biāo)。抽油機(jī)調(diào)平衡主要有四種方式：游梁平衡、曲柄平衡、復(fù)合平衡、氣動平衡。

長慶油田目前應(yīng)用的數(shù)字化抽油機(jī)具備自動調(diào)平衡的功能。該裝置以電流平衡率作為調(diào)節(jié)的依據(jù)，調(diào)整方式分為兩種方式：①擺動平衡，在抽油機(jī)尾部增加了可進(jìn)行擺動運行的配重裝置，通過對該裝置的擺角控制，實現(xiàn)平衡自動調(diào)節(jié)；②移動平衡，在游梁上增加了可移動的平衡配重裝置，通過改變該裝置在游梁上的位置，實現(xiàn)平衡自動調(diào)節(jié)。

在國際上影響力較大的美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API11E 中，沒有抽油機(jī)平衡的內(nèi)容，但國外油田對抽油機(jī)平衡的管理同樣重視，各個油田早已把平衡的測試和調(diào)整納入了油田的日常工作。

在美國最具代表性的LUFKN 公司，其抽油機(jī)產(chǎn)品是世界公認(rèn)的抽油機(jī)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，LUFKN 公司采用的是上、下沖程最大扭矩值等作為平衡標(biāo)準(zhǔn)；拉夫金自動化公司有一個專門計算平衡的軟件CBLANCE，這個軟件從油井診斷和預(yù)測程序得到一個最大平衡塊扭矩（MCM）值，再根據(jù)當(dāng)前的抽油機(jī)型號、曲柄型號、平衡塊型號和平衡塊位置，計算出當(dāng)前的曲柄和平衡塊扭矩，通過比較計算出平衡塊的移動調(diào)整量。

創(chuàng)建于1989 年的美國THETA 公司，為國外引領(lǐng)有桿抽油機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化軟件開發(fā)，咨詢和培訓(xùn)潮流的主要公司，其開發(fā)推廣應(yīng)用了CBALANCE 抽油機(jī)平衡軟件。該軟件無需現(xiàn)場反復(fù)測量就可得到系統(tǒng)平衡數(shù)據(jù)，節(jié)省時間和人力。其主要功能有：可一次性計算平衡點位置，計算機(jī)就可計算扭矩并分析，以決定抽油機(jī)是否系統(tǒng)平衡，齒輪箱是否過載，是否需要平衡動量。

隨著自動化水平的不斷提高，美國的BAKER公司、DELTA-X 公司等均研發(fā)了新型自動化可調(diào)平衡抽油機(jī)，這種類型的抽油機(jī)有耗能低、效率高、安全可靠等優(yōu)點。

3 抽油機(jī)游梁移動平衡微調(diào)裝置

3.1 工作原理

齒輪齒條式抽油機(jī)游梁移動平衡微調(diào)裝置見圖1。

圖1 齒輪齒條式抽油機(jī)游梁移動平衡微調(diào)裝置Fig.1 Fine-tuning device of beam moving balance with gear and rack pumping unit

在常規(guī)游梁式抽油機(jī)基礎(chǔ)上，增加尾平衡梁，變原來的曲柄平衡方式改為曲柄與尾平衡梁[5]的復(fù)合平衡方式，通過傳感器監(jiān)測抽油機(jī)平衡率，控制系統(tǒng)[6]根據(jù)平衡率給出平衡調(diào)整信號，控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶動尾平衡梁向平衡塊移動，從而實現(xiàn)抽油機(jī)平衡自動調(diào)節(jié)功能。

移動配重通過齒輪齒條傳動方式在平衡尾梁上做往復(fù)運動，采用三相異步電動機(jī)驅(qū)動、渦輪蝸桿減速器，充分利用渦輪蝸桿[7]傳動自鎖特性，保證移動配重安全；同時在移動配重底部增加移動輔助轉(zhuǎn)軸，確保嚙合齒輪、齒條不發(fā)生脫離。移動配重行程3 m，移動速度2 m/min。電動機(jī)接線采用拖鏈防護(hù)，確保線路安全。

與絲杠、絲母傳動相比，齒輪齒條傳動行程更大，平衡調(diào)節(jié)范圍大，對防腐、防塵、防銹蝕要求較低，對于野外工作環(huán)境有更強的適應(yīng)性。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）利用復(fù)合平衡技術(shù)，既可人工大范圍調(diào)整抽油機(jī)平衡，也可小范圍內(nèi)自動調(diào)整抽油機(jī)平衡，保證抽油機(jī)平衡度在合理區(qū)間內(nèi)。

尾平衡梁（圖2） 主要由驅(qū)動裝置、聯(lián)軸器、鍵、傳動絲杠、移動配重、外球面軸承座和平衡梁組成。采用驅(qū)動裝置作為動力源，固定在平衡梁與游梁安裝側(cè)，動力輸出端通過聯(lián)軸器與傳動絲杠直接連接，傳動絲杠的另一端與固定在平衡梁上的具有可調(diào)心功能外球面軸承座連接，在傳動絲杠上安裝有絲母。平衡梁主體采用H 型結(jié)構(gòu)，移動配重設(shè)計為馬鞍形，整體扣座在平衡梁上。移動配重為板式組合結(jié)構(gòu)，傳動絲杠安裝后裝配，配重板數(shù)量可調(diào)，可實現(xiàn)不同工況條件下移動配重重量調(diào)整。絲母直接嵌入在移動配重內(nèi)，無需其他方式限位，移動配重內(nèi)側(cè)對稱安裝3 組滾輪，分別位于平衡梁上翼板上、下兩側(cè)，確保移動配重在平衡梁上正常滾動行走，同時在任何角度下移動配重不發(fā)生傾覆。平衡梁上移動配重上、下行程極限位置裝有安全限位裝置，保證移動配重在規(guī)定行程內(nèi)移動，與聯(lián)軸器及軸承座不發(fā)生干涉。在平衡梁尾板上配有安裝孔，如有需要，可在尾部通過螺栓連接增加平衡塊，以增加平衡尾梁平衡的效果[8]。

圖2 尾平衡梁各部件組成Fig.2 Components of tail balance beam

2） 編寫RTU 程序，根據(jù)采集參數(shù)進(jìn)行計算，計算出電流平衡度及功率平衡度，并根據(jù)計算結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行比對，控制尾平衡塊移動，并將采集數(shù)據(jù)傳回至服務(wù)器。

選擇傳感器：傳感器包括電流互感器、載荷傳感器、角位移傳感器，利用傳感器可計算抽油機(jī)功圖、功率、電流等參數(shù)信息，將采集結(jié)果傳輸至RTU 進(jìn)行計算。

選擇RTU：通過RTU 對各傳感器測量數(shù)據(jù)按照軟件編寫程序進(jìn)行計算并輸出，輸出結(jié)果可控制傳動機(jī)構(gòu)工作，保證抽油機(jī)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)定值。

控制系統(tǒng)軟件方面具備采集、分析、控制功能，其中采集功能可采集抽油機(jī)三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率等參數(shù)；分析功能可通過采集參數(shù)分析抽油機(jī)電流平衡度、功率平衡度、曲柄平衡塊需移動距離等參數(shù)；控制功能分為工程師干預(yù)調(diào)節(jié)和自動控制調(diào)節(jié)兩種模式，工程師干預(yù)調(diào)節(jié)模式下可自行調(diào)節(jié)尾平衡塊到達(dá)指定位置，自動控制調(diào)節(jié)模式下尾平衡塊自動根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行移動。

3）保護(hù)系統(tǒng)，防脫型尾梁掛座示意圖見圖3。尾梁掛座設(shè)計為防脫型結(jié)構(gòu)，受力面與掛座底面夾角為60°，確保游梁在任意角度時掛座受力面與水平面垂直方向存在一定夾角，無脫落可能；同時在掛座增加壓蓋裝置，進(jìn)一步強化防脫功能，提高平衡尾梁連接的可靠性。

圖3 防脫型尾梁掛座示意圖Fig.3 Anti-tripping type tail beam hanger

限位裝置：在移動配重上下行程極限位置設(shè)有接觸式限位開關(guān)，當(dāng)相位開關(guān)觸頭與移動配重接觸并偏移一定角度后，限位開關(guān)向控制柜反饋信號，控制驅(qū)動裝置進(jìn)行制動，保證尾平衡塊移動范圍在調(diào)整區(qū)間內(nèi)。

絲杠防塵罩：采用具有伸縮功能的絲桿護(hù)罩對傳動絲杠進(jìn)行防護(hù)處理，有防砂塵、防卡阻功能，消除野外風(fēng)沙、雨水等不良因素對傳動機(jī)構(gòu)的影響，保證傳動機(jī)構(gòu)可靠性。

3.3 創(chuàng)新點

1）通過設(shè)計計算確定絲杠傳動式抽油機(jī)游梁移動平衡微調(diào)裝置裝配在CYJY8- 3- 37HB、CYJY6-2.5-26HB 抽油機(jī)的主要參數(shù)，使平衡率滿足油田客戶要求。

2）設(shè)計防脫型尾梁掛座結(jié)構(gòu)。提高平衡尾梁連接的可靠性。

3） 防砂防腐設(shè)計，對移動滾輪及傳動用絲杠、絲母防砂防腐處理。

4）利用載荷傳感器、角位移傳感器、電流互感器等裝置對抽油機(jī)參數(shù)進(jìn)行采集，并通過RTU 進(jìn)行計算，給出調(diào)整信號，實現(xiàn)抽油機(jī)平衡自動控制功能。

4 現(xiàn)場試驗

截至目前，已完成某采油廠5 臺抽油機(jī)智能調(diào)平衡自動控制技術(shù)試驗，實現(xiàn)了抽油機(jī)平衡自動調(diào)節(jié)或者手動定時調(diào)節(jié)，電流平衡率在85%～100%或功率平衡率達(dá)50%以上，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，使用期間無安全隱患。試驗井改造后電流及功率平衡率見表1。

表1 試驗井改造后電流及功率平衡率Tab.1 Current and power balance rate after the reconstruction of test well

經(jīng)過測量試驗井電流及功率數(shù)據(jù)，抽油機(jī)電流平衡率為85%～100%，功率平衡率為50%以上。5口試驗井包括2 口8 型抽油機(jī)、3 口6 型抽油機(jī)，其中8 型抽油機(jī)可調(diào)整范圍平均在80%～120%左右，6 型抽油機(jī)調(diào)整范圍平均在85%～105%左右，機(jī)型越大，可調(diào)整平衡區(qū)間越大，并且改造后可節(jié)約8%～10%的能耗[9-10]。調(diào)平衡試驗井能耗數(shù)據(jù)見表2。抽油機(jī)井智能調(diào)平衡自動控制技術(shù)實施后，5 口試驗井平均綜合節(jié)電率達(dá)到8%以上，5 口試驗井平均每小時節(jié)電0.64 kWh，年可節(jié)電2.783 8×104kWh，節(jié)約費用1.76 萬元。

表2 調(diào)平衡試驗井能耗數(shù)據(jù)Tab.2 Energy consumption data of balancing test well

該裝置的使用不僅解決了抽油機(jī)平衡調(diào)整難題，同時提高了抽油機(jī)產(chǎn)品自動化管理水平。合同驗收時受到某采油廠高度認(rèn)可。

5 結(jié)論

1）應(yīng)用抽油機(jī)智能調(diào)平衡自動控制技術(shù)可實現(xiàn)抽油機(jī)平衡自動調(diào)控功能，保證抽油機(jī)正常運轉(zhuǎn)，有效降低崗位員工勞動強度，提高自動化水平。同時達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，綜合節(jié)電率達(dá)到8%以上。

2）8 型抽油機(jī)可調(diào)整范圍平均在80%～120%左右，6 型抽油機(jī)調(diào)整范圍平均在85%～105%左右，機(jī)型越大，可調(diào)整平衡區(qū)間越大。

抽油機(jī)智能調(diào)平衡自動控制技術(shù)試驗實施后，將原來的曲柄平衡方式改為曲柄與尾平衡梁的復(fù)合平衡方式，通過傳感器監(jiān)測抽油機(jī)平衡率，控制系統(tǒng)根據(jù)平衡率給出平衡調(diào)整信號，實現(xiàn)了抽油機(jī)平衡自動調(diào)整，以減輕員工勞動強度，降低抽油機(jī)能耗，消除人為調(diào)平衡工作帶來的安全隱患。該裝置具有平衡率高、節(jié)電率高、安全可靠性高的特點。