孔红芳，周小东，尤立红

中国石油大港油田分公司第五采油厂（天津 300283）

游梁式抽油机因其结构简单、性能可靠、运行平稳等优势，在油田生产中占有主导地位。但由于其自身结构的原因，普遍存在平衡效果差、能耗高、系统效率低等不足，特别是用在间出油井、低能油井上往往出现“大马拉小车”的情况[1]。据不完全统计，游梁抽油机井的耗电量占油田总用电量的40%以上，是油田的耗能大户。如何有效地解决游梁式抽油机平衡效果差、能耗大等难题，是应对当前低油价，实现提质增效的有效途径。

1 抽油机平衡率的概念及研究现状

1.1 平衡率的概念

抽油机平衡率是抽油机井稳定运行过程中，下冲程时的最大电流与上冲程时的最大电流比值[2]。平衡率在85%～100%合理，小于85%欠平衡，大于100%超平衡。其中平衡率=（I下行峰值/I上行峰值）×100%。

游梁抽油机井的平衡效果直接影响系统效率的高低[3]。抽油机不平衡时，上下冲程电机电流峰值增加，电机耗能增加，降低了机采井系统效率。应用表明，当抽油机平衡率在85%～100%时，能耗最低。对同一口井，平衡率在85%～100%时比平衡率小于85%的系统效率高1%～3%。

1.2 研究现状

为实现抽油机节能运行，提高效率，各类节能型游梁式抽油机层出不穷，均在一定程度上达到了节能的效果。自调平衡游梁采用弯游梁平衡原理，用过齿轮齿条传动使游梁配重相对副游梁的前后移动，实现了一定区间载荷的平衡调整[4]。在线平衡调整技术在游梁式抽油机游梁上安装一个可以前后移动的配重块[5]，利用推杆前后推动滑块实现平衡调整，该技术采用在线遥控方式，信号传输受天气、多台无线设备冲突的影响，易造成调整延迟。游梁平衡自动调整装置把游梁作为平衡块的运行轨道，通过钢丝绳传动实现平衡块位移[6]，但长时间使用后钢丝绳容易松动，电气系统运算过程不够完善，导致装置调节时不够精细。

2 问题的提出

游梁式抽油机的工作过程是承受一个交变载荷的过程。上冲程时，抽油机驴头承受作用在活塞截面以上的液柱重量和抽油杆在液体中的重量以及摩擦、惯性、振动等载荷；下冲程时，抽油机驴头承受抽油杆在液体中的重量、摩擦等载荷。因此上、下冲程的载荷差别非常大时，抽油机无法正常工作，电机也容易烧坏。为了解决以上问题，通常采用平衡装置将交变载荷减小，保证设备正常运转。

实际生产中通常采用加装平衡块的方式确保游梁式抽油机达到平衡。平衡块装在抽油机游梁尾部或曲柄上，主要作用是：当抽油机上冲程时，平衡块向下运动，帮助克服驴头上的负荷；在下冲程时，电机使平衡块向上运动，储存能量。这样在平衡块作用下，可以减小抽油机上、下冲程的载荷差，确保设备平稳运转。

当出现平衡效率不合理的时候，会造成以下危害：

1）上冲程中，电机承受极大的载荷，下冲程时带着电机运转做功，不仅浪费电能，而且降低了电机的效率，减少使用寿命。

2）抽油机在不平衡状态运转时，所承受的载荷不均，易造成机身剧烈震动，影响设备的寿命。影响抽油杆和抽油泵的正常工作，进而降低油井产量。

因此，当抽油机平衡率不在85%～100%时，必须调整平衡度。目前国内外绝大部分游梁式抽油机平衡度调整还停留在人工操作的水平上，普遍采用人工检测、计算、分析，确定调整计划后，安排3～4人在吊车配合下，停机后通过调整曲柄平衡块的位置，使抽油机达到平衡。当抽油机平衡率>100%时，曲柄平衡块向输出轴的方向调整；当抽油机平衡率<85%时，曲柄平衡块向远离输出轴的方向调整。

人工调平衡需要2 h 左右，劳动强度和管理难度较大，安全风险高，而且精度有限。同时长时间停抽易造成低能油井液面下降，油井出砂，砂埋油层，再次启抽难度很大，见油时间延长。

3 解决方案

抽油机的节能在很大程度上取决于平衡率的好坏；平衡率为100%时电动机提供的动力仅有50%有效做功。平衡率越低，需要电动机提供的动力越大。因此现场应用中要尽量使抽油机平衡率接近100%，最大限度地发挥电机效能[7]。

根据动态平衡原理，参考天平的结构[8]，研究设计了一种智能平衡装置，以游梁式抽油机支架座轴承为中心，前后游梁形成两个臂，通过在后臂上安装一个可调节的平衡配重，当油井载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致时，用很小的动力就可使抽油机连续地工作。当抽油载荷发生变化时，后臂上的平衡配重依据杠杆原理，通过位置移动自动增减配重砝码，从而实现动态平衡。

3.1 结构设计

抽油机智能平衡装置由游标、齿条、减速器、电机、太阳能板、控制系统、游标式配重块、扇形齿轮、配重摆锤、地面控制器组成，如图1所示。智能平衡装置通过支撑板螺栓固定在游梁式抽油机尾部。游标为工字型滑道，游标下部为锯齿形齿条，减速器嵌套在游标外部，并通过传动件与电机连接，减速器侧面安装太阳能板和控制系统，游标式配重块位于减速器上方，与减速器螺栓连接，配重摆锤则通过扇形齿轮与减速器螺栓连接并与齿条啮合（图1）。

图1 抽油机智能平衡装置结构示意图

地面控制器安装在抽油机控制柜的金属柜体上，设计了USB接口，人工界面可手动触摸操作，也可使用鼠标操作。

抽油机智能平衡装置采用太阳能板充电[9]，用蓄电池带动电机驱动减速器和扇形齿轮旋转。

该装置安装方式简单，只需将智能平衡装置与抽油机尾游梁挂接好，不用敷设电线电缆及安装传感器，工作量小、维护方便。

3.2 实现方法

安装于地面抽油机控制柜中的控制器设定电流区间，根据采集的抽油机游梁位置信号和电流或功率信号自动完成抽油机平衡率分析，判断抽油机的平衡状态，确定游标式配重块的移动方向和距离，通过无线信号向控制系统发出指令，接到指令的控制系统控制电机的运动状态、转速及方向，电机通过传动机构将转速、转向(正转或反转)、扭矩传给减速器，减速器带动游标式配重块通过齿条啮合沿游标上的轨道进行前、后移动实现力臂调节。通过扇形齿轮与齿条啮合带动配重摆锤进行角度旋转实现角度调节，从而实现动态平衡，其工作原理如图2所示。

图2 抽油机智能平衡装置工作原理图

当游标式配重块移动到尾游梁最前端即靠近驴头的一端时，配重摆锤达到向前的最大位置，力臂最短，尾游梁力矩最小；相反，当游标式配重块移动到尾游梁最后端即远离驴头的一端时，配重摆锤达到向后的最大位置，力臂最长，尾游梁力矩最大。

地面控制器设定平衡度上、下限，在抽油机运行的每个冲程周期对平衡度进行检测，直至平衡度达到地面控制器的设定值后，向控制系统发送停止指令，并利用控制系统内的自锁装置保持定位，完成平衡度的调整。

智能平衡装置总重量3 020 kg，其中，固定重量944 kg，游标式配重块重量910 kg，配重摆锤重量1 166 kg。游标式配重块直线行程1 000 mm，配重摆锤旋转角度100°（70°+30°）。游标直线运动与配重摆锤旋转运动联动，单程用时约14 min。

智能平衡装置利用天平原理，采用对称平衡方式，运用轨道移动和角度变化进行平衡调节[10]，对比常规游梁式抽油机曲柄回转离心力平衡方式，平衡精度更高。

4 现场试验

经过现场试验抽油井智能平衡技术，可以实现在不停机的情况下自动调整抽油机平衡率，其性能稳定，平衡度高，节能效果显著，具有推广应用价值。

该技术在大港油田第五采油厂西7-15-1 井进行了现场试验。该井抽油机型号CYJ12-6-73HF，电动机额定功率30 kW，测试结果见表1。

表1 节能数据对比

新技术也改变了传统人工调平衡的方式，实现了不停抽作业，减轻了工人劳动强度，提高了油井生产时率（表2）。

表2 智能平衡装置应用效果

从表1、表2 中可以看出，在产液量相当的情况下，新技术与传统方法相比，平衡率由75%提升到97%，日耗电由84 kW·h 下降到72 kW·h，节电14.2%。同时实现了不停抽作业，油井有效抽时率由98.7%上升到100%。

5 结论

1）抽油井智能平衡技术智能化程度高，提高了抽油机平衡工作效率和调整精度，增强了平衡调节安全性。

2）智能平衡装置使游梁式抽油机始终保持在最佳的平衡状态下运行，延长了抽油机的使用寿命，减轻了电动机的负载，达到了节能降耗的目的。抽油机平衡区间得到优化、平衡率接近100%，节电可达14.2%。

3）改变了传统人工调平衡的方式，实现了不停抽作业，规避了安全风险，改善了劳动条件，优化了操作方法。