游梁式抽油机自动调平衡装置的设计及应用探究

2023-12-04安军波

中国设备工程 2023年22期

安军波

（中国石油长庆油田分公司第六采油厂，陕西西安 710000）

当前阶段应用最广泛的抽油机类型是游梁式抽油机，但该种抽油机在长久应用时却会油井过度开采造成地层条件改变，使得抽油机处于不平衡状态，不但影响了油田正式开采过程，还会引发比较严重的安全问题，针对该种情况，长庆油田技术部门开始基于当前的游梁式抽油机应用状况，探索自动调平衡装置设计方式，以期彻底解决因不平衡问题而引发的诸多弊端，从而创造更大的经济效益。

1 游梁式抽油机简述

1.1 原理

游梁式抽油机工作原理为：点击抽油机启动按钮，电动机转动，经变速箱、曲柄连杆机构，开始驴头运动，驴头会在抽油杆、光杆带动井下抽油泵柱塞进行上下运动，将井中原油抽出井筒，而抽油机配置与对应的工作状态多是大马拉小车，运动模式是重复性的上下提升，一个冲程提升一次，动力来源是电动机带动的两个钢质滑块，在滑块提升时，如同杠杆作用原理，直接将采油机杆通到井中。

1.2 特点

分析游梁式抽油机应用特点，包括操作简单、工作阶段噪音小，不会对周边施工人员造成较大的影响，维护简单，只需按照说明书完成常规维护即可；承载力打、强度高、适用范围广，能应用在比较恶劣的环境下；驴头包括侧转、上挂、上翻三种类型；刹车设计为外抱式结构，安装保险，在紧急状况下用于制动安全性较高。

2 游梁式抽油机自动调平衡装置的设计

2.1 制定设计方案

进行游梁式抽油机自动调平衡装置设计，首要步骤是设计方案、确定设计思路，具体如下：参考力矩平衡原理，在抽油机游梁臂上增加配重，与执行部分对接，如此在执行机构工作时依靠起带动作用而活动，调整配重各个阶段的位置，以此达到平衡抽油机的目的；为实现自动调平，引入智能控制系统，与电气控制装置联动完成自动平衡诊断、平衡调节控制，后续只需依次完成机械部分、电气部分设计即可，后续再进行电气系统数据采集、整合、运算、分析、判断，得出可靠结论，指导机械模块按照预设流程完成自动调平工作。

2.2 平衡判断方法选择

游梁式抽油机自动调平衡判断方法，当前应用较多的是扭矩法、电流法、功率法，但具体哪种方法适用度最高，需依据实际情况而定，以下进行具体分析：（1）扭矩法。扭矩法指的是综合分析平衡设备、悬点载荷产生的扭矩，获取电动机输入给曲柄轴的扭矩相平衡程度，结合净扭矩曲线，分析抽油机是否处于平衡状况。（2）电流法。利用专业设备测量电动机、上下冲程时的电流值，重复测量5 ～8 次，通过下冲程、上冲程电流峰值比值得出电流平衡度，比值处于80%～110%，代表处于平衡状态。（3）功率法。功率法，顾名思义，即通过功率测量来判断其是否处于平衡状态，测量原理如上，重复测量上、下冲程功率，得出峰值功率，再通过上下冲程功率比值来求解其是否保持平衡状态，比值处于80%～110%，代表在平衡状态，反之，则不平衡。对比3 种判断方法，电流法检测时可能面临的影响因素最多、误差最大，扭矩法未直接测试设备，难以对抽油机在现场的实际平衡状况做出正确诊断，实用性不高，参考自动调平衡装置的实际所需，从实用性、准确性层面考虑，选择功率法判断平衡度，其可比较全面地展示抽油机平衡状态各项参数指标大小，确定平衡真实状态。

2.3 机械设计

为保证抽油机自动调平衡装置应用效果，在机械部分设计时，需满足以下功能：结合抽油机控制系统执行机制完成平衡调节，具体要点如下所示：

（1）通过丝杆旋转推动配重作径向运动，在设计时，灵活地将滚珠丝杆、平衡块连接，形成联动作用，并可保持双方平衡，根据丝杆、平衡块等的质量与运动方式选怎相应重量的机械装置，选定抽油机支架材料，通过异相游梁平衡抽油机支架展开后续的有限元分析，保证各项设备在后续使用时能够发挥正常作用，若是出现相关问题，需要对其进行及时调整。（2）自动调平机械系统部件包括一块平衡板、一根丝杆、两根光杆、左右支撑座，通过螺母、螺丝将左右支撑座紧固在游梁臂上，在支撑座上中间位置打上丝杆穿孔，让丝杆在转动时始终围绕穿孔旋转，后续安排在丝杆穿孔两侧对称布置光杆穿孔，如此光杆能够在相应区间内转动，平衡块也能局限在一条直线上；平衡块在光杆支撑下一直保持直线运动，为保证整个运动过程的顺畅性，可以底座位置装设相应大小的轴承，丝杆对接轴承内环，用电机来操作丝杆运动，因电杆能起到对平衡块的限制作用，可预设电杆运动轨迹，调整各个阶段平衡抽油机的力臂、力矩，稳定开展后续的平衡运动。（3）在平衡块核心位置挖出丝杆穿孔，丝杆穿孔两侧对称开挖出光杆穿孔，其中丝杆穿孔可以让供丝杆穿过，推动平衡块沿光杆滑动；确定丝杆穿孔大小，在其中镶嵌环形铜套，用紧固装置保证铜套不会左右摇摆，影响丝杆的自由转动，后续需要结合实际情况对其做出调整；按照如图1 所示的方式布置螺纹内壁，在平衡块光杆穿孔中镶嵌同种类型的环形铜套，卡死铜套，避免其随意摆动，让光杆能够按照预设程序随意滑动；按照如图2 所示布置光滑内壁，让丝杆、光杆在各自的孔洞内不会出现相互干涉，随意滑动，连接丝杆、电机转轴，如此能够用电机来带动丝杆滑动，电机旋转带动丝杆在平衡块嵌入铜套中转动，后续平衡杆在丝杆直线方向运动，随时进行力矩调整。

图1 螺纹内壁铜套剖面图

图2 光滑内壁铜套剖面图

2.4 电气设计

电气设计包括以下部分。

（1）控制系统设计。系统主控芯片选择片机dsPIC 30F6014A 系列，单位重量513.6mg、数据RAM 大小8kb、最小工作温度-40℃，主要用于数据收集、信号接收、整理抽油机电参数、平衡度计算、平衡重移动调节等，具体的智能控制流程如下所示：开始→CPU 端口、RS485 串口、定时器初始化→电功率参数采集→电功率平衡度→结合电功率完成调平衡指导→结束。

（2）功率平衡度监测。选定电功率采样测量方法，采集抽油机上多个位移电功率，求出平均值，获取装置功率平衡度；计算上冲程、下冲程平均功率，再通过下冲程平均功率/上冲程平均功率，获取功率平衡度，在此过程中的关键步骤是在上冲程、下冲程各选择最具代表性的50 个位移点，采集到实时功率后输送到PLC 分类存储，再求取平均功率，计算实时功率平衡度。

（3）平衡判断。通过PLC 测量抽油机各个阶段的平衡值，根据平衡值变化曲线，判断抽油机在工作时是否处于平衡状态，如果平衡度超过0.8，表示抽油机过平衡，应着力于降低平衡力矩；如果平衡度在0.8 ～1.1，代表处于正常状态；如果平衡度超过1.1，抽油机欠平衡，需增加平衡力矩，分析不同阶段的平衡度，操控PLC 设备发出不同的信号对其加以调整，维持其正常运转。

（4）电机运转控制。若是抽油机处于不平衡状态，不论是过平衡还是欠平衡，都会让电机反向运转，为保证平衡性，需要电机能双向转动，必要时，为提升抽油机的稳定性、安全性，应操控平衡块以较慢的速度沿着游梁移动，比如，在动力系统选择与装设时，可选择能正反向寸动、电机转速自由调控的伺服电机，因普通的伺服系统即有着可正反转、可频繁起制动、响应速度快、低速大转矩、稳定性好、精度高等优点，并借助PLC 可编程模块实现信号智能化控制，适用于游梁平衡式抽油机在各种环境下的应用。

3 游梁式抽油机自动调平衡装置应用

在长庆油田随意选择8 口油井进行现场试验，对比自动调平衡装置安装前后平衡参数的变化情况，具体如表1 所示，从表1 展示的测试结果来说，8 台抽油机平衡性得到不同程度的提升，平均平衡度91.37%，有7口井在欠平衡状态，在安装自动调平衡装置后平衡度提升超过95%，5 号井在过平衡状态，在调节后平衡度为107.77%，不但平衡度得以改善，还可有效节能，这对于长庆油田的长远发展来说至关重要。