抽油机平衡装置的研究

2019-03-03蔡鹏飞高嗣土

云南化工 2019年2期

蔡鹏飞，刘钊，高嗣土，乔阳

（西安石油大学，陕西西安 710000）

近年来，油田勘探开发过程中大斜度井、低产井、稠油井、出砂井的数量逐年上升，对抽油机的平衡装置的自适应能力要求越来越高。目前通用的抽油机平衡方式为机械平衡和气动平衡，其根据相应的工况均有一定的优缺点。抽油机在工作过程中不平衡主要是因为在其工作过程中，上下行程做功不相等造成的，会降低电动机使用效率，缩短抽油机使用寿命，影响抽油泵正常工作。

1 抽油机平衡的基本原理

抽油机平衡的基本原理是抽油机在上、下冲程中做功相等。上冲程时，抽油机带动抽油杆和抽油泵向上运动，此时的交变载荷主要有抽油泵活塞截面上的液拄重量和抽油杆柱在液体中的重量以及摩擦、惯性、振动等负荷[1]。下冲程时，抽油机带动抽油杆和抽油泵向下运动，抽油机驴头只承受抽油杆柱在液体的重量，此时平衡重存储能量。在抽油机正常工作时，改变抽油参数或抽油泵深度以及井中含水量都可能使抽油机不平衡。此外，由抽油机平衡的基本原理推导出两种平衡判断方式:抽油机驴头悬点上下冲程中减速箱的曲柄扭矩峰值相等；抽油机驴头前点运动时上下冲程中减速箱的曲柄扭矩均方根值最小。

2 抽油机现有平衡装置

2.1 机械平衡装置

抽油机的机械平衡主要是油田开发的前期和中期，此时油井出油率高，对抽油机效率和能耗方面基本没有要求。其主要是通过在抽油机的游梁或者曲柄中加入平衡重来实现的，在下冲程中，曲柄带动平衡重由最低点向最高点运动，过程中，除驴头和抽油杆柱自由下落产生的重力势能，同时平衡重也在储存势能，这些势能在上冲程中被释放出来，减少电动机做功，从而缓解电动机载荷不均所产生的磨损。

机械平衡根据平衡重的位置可分为游梁平衡装置、曲柄平衡装置以及复合平衡装置。根据抽油柱载荷的不同，可以对曲柄平衡重和游梁平衡重的位置进行调整。除了常规抽油机的曲柄摇杆机构的曲柄、游梁平衡装置外，在塔式抽油机以及丛式抽油机中，采用曲柄滑块机构达到平衡（滑块装置与常规游梁式抽油机中的曲柄、游梁的平衡中作用相同），且相比于传统的平衡装置，其达到的平衡效果更好。

2.2 液压和气动平衡装置

随着油气田开发进入中后期，原油出油率低，抽油机长时间的不平衡造成其磨损越来越严重，能耗严重增大，采油成本逐步上升。抽油机的平衡性要求越来越高，此时科研人员对抽油机的平衡装置进行了改进与创新，更多类型的抽油机平衡装置出现在各大油田。

液压平衡双向液压马达可换向实现能量的储存与释放，实现抽油机上、下冲程的转换。

液压平衡装置首先将平衡块重力势能转化为液压能，然后再利用马达将液压能转化为机械能，与电机一起对上冲程的悬点做功。

气动平衡装置其工作原理:利用气体的可压缩性来储存和释放能量达到平衡。适用于负载较重的抽油机，可以根据油井情况不停机调节平衡。气缸装置呈对称分布，其气压主要影响因素有气压波动系数、压缩比等等。

2.3 其他平衡装置

2.3.1 自调节平衡装置

自调节平衡装置一般安装在游梁上或者游梁，主要由平衡重，伺服电机，支撑座，平衡导轨组成。依据接近开关组检测冲程位置变化时所传递的信号，由控制系统发出指令，电动机驱动减速箱将平衡装置迅速调整到极限平衡位置，此外伺服电机带动平衡导轨上的丝杠运动，从而使平衡重运动到平衡位置。电机转动经过丝杠变成螺母的直线运动，螺母又带动平衡装置在滑道上移动，控制其到游梁回转中心的距离，从而达到调节平衡作用[2]。因为游梁平衡装置是对曲柄平衡的一种补充，起平衡辅助调节作用，主要的平衡调节还要依靠曲柄平衡实现。

2.3.2 超越离合器平衡装置

超越离合器平衡装置与电动机输出轴相联结，依靠主动件和从动件的速度差或旋转方向的变换自动接和或者脱离的装置。抽油机在下冲程过程中，超越离合器外圈快速旋转，其转速高于内圈额定转速，此时棘爪和棘齿脱离，在曲柄运行到下死点位置时产生超越现象。

抽油机在上、冲程过程中，超越离合器外圈与内圈啮合，电动机输出功率带动抽油杆柱上升。

2.3.3 随动平衡装置

随动平衡装置主要装置在游梁上，适用于常规型游梁式抽油机，装置由平衡重、摆杆和连杆和支座等组成。上冲程时，游梁后臂向下运动，连杆与摆杆间夹角越来越小，随动平衡装置同步游梁后臂向下运动，其具有的重力势能被释放出来，协助电动机做功。下行程时，游梁后臂向上运动，连杆与摆杆间夹角越来越大，随动平衡装置向上运动储存势能。随动平衡装置方便对现有抽油机进行改进。

2.3.4 飞轮平衡装置

飞轮平衡装置主要用于带式抽油机。当抽油杆柱下行程工作时，传动系统带动变直径卷筒旋转从而带动飞轮卷筒轴旋转，飞轮角速度增加，所存储的动能越来越多。在抽油杆柱下行程过程中,抽油杆柱释放出的全部或绝大部分重力势能都将转化为飞轮的转动动能[3]。反之，飞轮平衡装置释放能量，以保证抽油机的平衡性。

3 平衡装置存在的问题

抽油机平衡调整的常规方法主要采取人工调整平衡块位置来实现。这种方法需要关停抽油机，一般依据现场经验判断调整位移量，需要平衡调整专用工具，移动笨重平衡块的操作较为繁琐，对特殊井有时还需要吊车辅助[4]；机械平衡装置安装的位置较高，平衡块如果过重会产生很大的损坏力。存在较大的惯性力和离心力。这种油田前期普遍采用的调整方法并不能保证抽油机的平衡性，并且调整时需要关井，减少了经济效益。

气动平衡装置，地面设备造价较高，不方便操作与维修。传统气动平衡器缸筒易变形、承载小、控制系统复杂、性能差。液压平衡装置，由于液体工作性能易受到温度变化的影响，要求其液压缸密封性能高、液压元件的制造精度高，相应成本较高。

其他类型平衡装置，包括自调节平衡装置，随动平衡装置，超越离合器平衡装置以及飞轮动力平衡装置，其对现有的机械、液压、气动等平衡装置的改进与创新，越来越多的投入到各大油田，提高了抽油机的平衡性。

4 检验平衡的方法

早期油田技术相对落后，多采用上下冲程做功相等的原则，其主要运用电流平衡的方法，此方法未考虑到抽油机节能和安全的要求，已不适合油田大范围使用。在有条件测试功率的情况下尽量不要采用该方法。

相对节能效果最佳的平衡调整原则是“均方根扭矩最小”法，但对测试仪器以及测试分析软件要求较高，并需要专业人员操作，油田还没有大面积推广，均方根扭矩最小法将是检验抽油机平衡性发展的方向。

功率法测平衡能够不受电流方向干扰,保证了抽油机的安全运行，延长了抽油机的使用寿命，同时达到节能的目的。随着我国各油田提高抽油机井系统效率工作的开展，油田普遍配备了系统效率测试仪，可以较方便地测试出抽油机的功率曲线[5]。功率法较电流法能清晰地反映平衡变化情况，较准确地计算真实的平衡度，可以避免因抽油机不平衡而造成不必要的设备损耗、耗电量增大、设备安全隐患等问题。