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(tài)，不但影響了油田正式開采過程，還會引發(fā)比較嚴重的安全問題，針對該種情況，長慶油田技術(shù)部門開始基于當前的游梁式抽油機應用狀況，探索自動調(diào)平衡裝置設(shè)計方式，以期徹底解決因不平衡問題而引發(fā)的諸多弊端，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)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(zhuǎn)動，經(jīng)變速箱、曲柄連桿機構(gòu)，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(tài)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(zhì)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(guī)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(huán)境下；驢頭包括側(cè)轉(zhuǎn)、上掛、上翻三種類型；剎車設(shè)計為外抱式結(jié)構(gòu)，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(diào)平衡裝置的設(shè)計

2.1 制定設(shè)計方案

進行游梁式抽油機自動調(diào)平衡裝置設(shè)計，首要步驟是設(shè)計方案、確定設(shè)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(zhí)行部分對接，如此在執(zhí)行機構(gòu)工作時依靠起帶動作用而活動，調(diào)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(xiàn)自動調(diào)平，引入智能控制系統(tǒng)，與電氣控制裝置聯(lián)動完成自動平衡診斷、平衡調(diào)節(jié)控制，后續(xù)只需依次完成機械部分、電氣部分設(shè)計即可，后續(xù)再進行電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、整合、運算、分析、判斷，得出可靠結(jié)論，指導機械模塊按照預設(shè)流程完成自動調(diào)平工作。

2.2 平衡判斷方法選擇

游梁式抽油機自動調(diào)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(jù)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(shè)備、懸點載荷產(chǎn)生的扭矩，獲取電動機輸入給曲柄軸的扭矩相平衡程度，結(jié)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(yè)設(shè)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(tài)。（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(tài)，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(tài)，比值處于80%～110%，代表在平衡狀態(tài)，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(shè)備，難以對抽油機在現(xiàn)場的實際平衡狀況做出正確診斷，實用性不高，參考自動調(diào)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(tài)各項參數(shù)指標大小，確定平衡真實狀態(tài)。

2.3 機械設(shè)計

為保證抽油機自動調(diào)平衡裝置應用效果，在機械部分設(shè)計時，需滿足以下功能：結(jié)合抽油機控制系統(tǒng)執(zhí)行機制完成平衡調(diào)節(jié)，具體要點如下所示：

（1）通過絲桿旋轉(zhuǎn)推動配重作徑向運動，在設(shè)計時，靈活地將滾珠絲桿、平衡塊連接，形成聯(lián)動作用，并可保持雙方平衡，根據(jù)絲桿、平衡塊等的質(zhì)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(xù)的有限元分析，保證各項設(shè)備在后續(xù)使用時能夠發(fā)揮正常作用，若是出現(xiàn)相關(guān)問題，需要對其進行及時調(diào)整。（2）自動調(diào)平機械系統(tǒng)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(zhuǎn)動時始終圍繞穿孔旋轉(zhuǎn)，后續(xù)安排在絲桿穿孔兩側(cè)對稱布置光桿穿孔，如此光桿能夠在相應區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)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(shè)相應大小的軸承，絲桿對接軸承內(nèi)環(huán)，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(shè)電桿運動軌跡，調(diào)整各個階段平衡抽油機的力臂、力矩，穩(wěn)定開展后續(xù)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(cè)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(huán)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(zhuǎn)動，后續(xù)需要結(jié)合實際情況對其做出調(diào)整；按照如圖1 所示的方式布置螺紋內(nèi)壁，在平衡塊光桿穿孔中鑲嵌同種類型的環(huán)形銅套，卡死銅套，避免其隨意擺動，讓光桿能夠按照預設(shè)程序隨意滑動；按照如圖2 所示布置光滑內(nèi)壁，讓絲桿、光桿在各自的孔洞內(nèi)不會出現(xiàn)相互干涉，隨意滑動，連接絲桿、電機轉(zhuǎn)軸，如此能夠用電機來帶動絲桿滑動，電機旋轉(zhuǎn)帶動絲桿在平衡塊嵌入銅套中轉(zhuǎn)動，后續(xù)平衡桿在絲桿直線方向運動，隨時進行力矩調(diào)整。

圖1 螺紋內(nèi)壁銅套剖面圖

圖2 光滑內(nèi)壁銅套剖面圖

2.4 電氣設(shè)計

電氣設(shè)計包括以下部分。

（1）控制系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)主控芯片選擇片機dsPIC 30F6014A 系列，單位重量513.6mg、數(shù)據(jù)RAM 大小8kb、最小工作溫度-40℃，主要用于數(shù)據(jù)收集、信號接收、整理抽油機電參數(shù)、平衡度計算、平衡重移動調(diào)節(jié)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(shù)采集→電功率平衡度→結(jié)合電功率完成調(diào)平衡指導→結(jié)束。

（2）功率平衡度監(jiān)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(guān)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(jù)平衡值變化曲線，判斷抽油機在工作時是否處于平衡狀態(tài)，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(tài)；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(shè)備發(fā)出不同的信號對其加以調(diào)整，維持其正常運轉(zhuǎn)。

（4）電機運轉(zhuǎn)控制。若是抽油機處于不平衡狀態(tài)，不論是過平衡還是欠平衡，都會讓電機反向運轉(zhuǎn)，為保證平衡性，需要電機能雙向轉(zhuǎn)動，必要時，為提升抽油機的穩(wěn)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(tǒng)選擇與裝設(shè)時，可選擇能正反向寸動、電機轉(zhuǎn)速自由調(diào)控的伺服電機，因普通的伺服系統(tǒng)即有著可正反轉(zhuǎn)、可頻繁起制動、響應速度快、低速大轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點，并借助PLC 可編程模塊實現(xiàn)信號智能化控制，適用于游梁平衡式抽油機在各種環(huán)境下的應用。

3 游梁式抽油機自動調(diào)平衡裝置應用

在長慶油田隨意選擇8 口油井進行現(xiàn)場試驗，對比自動調(diào)平衡裝置安裝前后平衡參數(shù)的變化情況，具體如表1 所示，從表1 展示的測試結(jié)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(tài)，在安裝自動調(diào)平衡裝置后平衡度提升超過95%，5 號井在過平衡狀態(tài)，在調(diào)節(jié)后平衡度為107.77%，不但平衡度得以改善，還可有效節(jié)能，這對于長慶油田的長遠發(fā)展來說至關(guān)重要。

表1 調(diào)平衡裝置裝載前后對比測試表

4 結(jié)語

綜上所述，本文就游梁式抽油機自動調(diào)平衡裝置的設(shè)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(shè)計自動調(diào)平衡裝置在實際應用中的優(yōu)勢與不足，發(fā)揚優(yōu)勢、彌補不足，收集應用反饋，對調(diào)平衡裝置進行定向調(diào)整、優(yōu)化，以期達到更好的調(diào)平衡效果，并為后續(xù)的相關(guān)研究累積經(jīng)驗。