天平式节能抽油机适用性探讨

秦殿花（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

抽油机作为目前主要的机械采油设备，为油田的发展作出了巨大贡献，但由于游梁式抽油机必须通过减速和传动机构才能实现抽油杆的上下往复运动，因此，传动效率较低，制约了抽油机系统效率的提高。天平式节能抽油机作为新型的游梁式抽油机，打破了传统的设计理念，采用了机电一体化智能自动控制技术，与常规游梁式抽油机相比，取消了四连杆机构及齿轮减速箱，不仅提高了传动效率，而且提高了零部件的耐用性；同时，永磁同步电动机在电脑控制下实现正、反换向，通过固定在前、后两端驴头上的驱动实现抽油机的运转。另外，电气系统适配无线远程操作装置，可远程对系统进行监视，通过遥控器的简单操作即可实现冲程、冲速的随意设定；同时，动力传输采用柔性传动，减小了抽油机井的换向冲击载荷、交变载荷、惯性载荷，可大幅度降低杆管和脱接器等部件的损坏概率[1]。

1 天平式游梁抽油机结构

天平式游梁抽油机主要由前驴头、游梁、后驴头、支架、底座、驱动轮总成、张紧轮总成、导向轮总成、增角轮总成、电动机、导向支架、配重箱等部分组成，取消减速器和四连杆机构，采用底座连接支架作为支撑，支承轴连接游梁及前后驴头，通过永磁同步电动机实现正、反换向，通过固定在前、后两端驴头上的驱动实现抽油机的运转（图1）。

图1 天平式游梁式抽油机结构示意图

2 天平式游梁抽油机工作原理

天平式游梁抽油机采用变频永磁同步电动机代替普通异步电动机，通过胶带导轮组来驱动天平式游梁抽油机的工作驴头和配重驴头。

上冲程时，工作驴头悬点需提起杆柱和液柱，此时配重驴头和配重箱从势能相对较高位置下行，对工作驴头悬点做功，帮助电动机提升杆柱和液柱。在天平式抽油机未平衡的情况下，变频电动机正转提供所需要的能量帮助抽油杆柱上行。

下冲程时，抽油杆柱转而对配重驴头和配重箱做功，把驴头和配重箱拉到一个相对高的势能位置，为下一冲程储蓄能量，此时变频电动机反转处于发电机的运行状态，其所产生的电能回馈到电网。

天平式抽油机采用对称平衡方式，运用柔性连接的方式进行传动，代替了普通抽油机曲柄回转离心力平衡方式，可使平衡度更高。

3 天平式游梁抽油机设计

常规游梁式抽油机必须通过减速器和传动机构才能实现抽油杆的上下往复运动，传动效率低、能耗高，制约了常规游梁式抽油机系统效率的提高。因此，引入了机电一体化智能控制技术，在常规游梁式抽油机的基础上，对天平式游梁抽油机进行了设计。

3.1 系统结构

1）设计一种将制动器安装在电动机上的电动刹车装置，其刹车扭矩大于电动机额定扭矩的2 倍以上，以便刹车能够更加安全、可靠。以型号TCYJ14-5.4 型天平式游梁抽油机为例（表1），进行设计。

表1 TCYJ14-5.4 型天平式游梁抽油机油井工况

2）电动机功率设计。抽油机冲程S =5.4 m，设定时间分段：加速区t1=0.5 s，匀速区t2=6.2 s，减速区t3=0.5 s，停顿时间t4=0.3 s。按电动机功率标准系列选择25 kW 电动机。

3）驱动绳强度设计。驱动绳最大工作静拉力是抽油杆断裂时钢丝绳受的拉力。驱动绳采用4 根12-6×7-1960 的钢丝绳。钢丝绳破断拉力F0=101 kN 以及钢丝绳工作的安全系数n =7，所以钢丝绳的强度条件为4F0=404 kN，驱动绳可满足强度需求[2]。

4）悬绳强度设计。抽油机额定悬点载荷P ，由2 根悬绳承担，单根受力P/2 。根据悬绳单根受拉破断拉力F0，当F0＞P/2 时悬绳可达到设计要求。

TCYJ14-5.4 型抽油机额定悬点载荷140 kN，由2 根悬绳承担，单根受力70 kN。悬绳单根最小破断拉力440 kN，其强度可满足要求。

3.2 关键技术

1）设计调压节能技术。抽油机的功率档次有限，且每口井的参数不尽相同，在选配抽油机时，不可能刚好和抽油机的功率档次相匹配。各型号抽油机在配用电动机时，为了保证在各种工况下能够正常运行，留有一定的功率余量。当油井产液量下降时，载荷相应减小，就造成了负载率偏低，导致其效率和功率因数都较低。因此，设计控制变频永磁同步电动机控制柜实现自动调压的功能，适当调节电动机定子的端电压，使之与电动机的负载率合理匹配，这样就降低电动机的铁耗和无功功率，可以提高电动机的运行效率和功率因数，达到节能的目的。天平式游梁抽油机安装前后应用效果见表2。

表2 天平式游梁抽油机安装前后应用效果对比

2）设计长冲程、低冲速。长冲程、低冲速的设计使抽油杆在运行时，只在上、下死点附近存在加、减速度，其余行程是匀速运动，可以保证抽油杆震动更小、冲程损失更小，泵充满程度更高。

3）控制系统单片机设计及变频控制技术。天平式游梁抽油机的最大冲程可达6～8 m，冲速范围达0.15～6min-1。通过单片机及变频控制装置的设计，使其冲程与冲速可无级调节，抽油杆的上、下速度可分别独立调节，以便满足油井出现产量下降时的适应性[3]。

4）设计远程无线操作方式。设计采用高可靠的软件诊断，达到全程监控运行参数，对抽油机运行曲线进行监控、过载过冲保护、抽油杆断脱保护、智能故障检测。在出现无法避免的故障时，主动停机报警并记录故障，具备完善的安全保护功能。

5）设计智能间抽技术。在油井产液量逐渐下降的情况下，沉没度也会逐渐降低，导致泵的充满度越来越低；在地层能量不足或抽汲参数不能继续下调的情况下，会浪费大量的电能。为解决上述问题，设计安装了能够精确感知油井载荷动态变化的传感器，通过与变频永磁同步电动机的控制柜实现自动对话，以达到满足智能间抽、节约电能的要求。

3.3 主要型号及对应参数

天平式节能抽油机主要有7 种型号，最大冲程范围为0～5.4 m，最大冲速范围为0～6 min-1（表3）。

表3 规格型号和技术参数

4 在喇嘛甸油田适应性分析

1）低产液情况下适应范围广。统计分析喇嘛甸油田近3年来投产的二类油层聚合物驱区块，采油井的产液量变化范围为5～95 t/d，变化范围较大。天平式节能抽油机可以任意调低冲程、冲速，因此，在油井出现产量下降时具有很好的适应性[4]。

2）有利于延缓偏磨延长检泵周期。天平式节能抽油机运行时具有长冲程、低冲速的特点，与喇嘛甸油田聚驱抽油机井防偏磨措施相一致；同时，柔性传动能减小交变载荷、惯性载荷，可大幅度降低杆管和脱接器等部件的损坏概率。

3）提高遥控器性能。为更方便操控该抽油机，应配备高性能遥控器，保证其远程控制距离以及在恶劣天气条件下的正常使用。

4）加大钢丝绳强度。钢丝绳是天平式节能抽油机的主要传动部件，同时也是易损部件，而喇嘛甸油田的单井产液量大，载荷高，将会加剧钢丝绳的磨损，因此需优化并加强钢丝绳强度。

5 结论与认识

1）天平式游梁抽油机从改变抽油机的结构和电动机结构入手，使抽油系统达到结构最简化、效率最大化目的。

2）天平式游梁抽油机运行时具有长冲程、低冲速的特点，与聚驱抽油机井防偏磨措施相一致，有利于延长偏磨检泵周期。

3）针对控制系统设计了单片机及采用了变频控制技术，在油井出现产量下降时具有适应性。另外，通过遥控器的简单操作即可实现冲程、冲速的随意设定，可远离抽油机，降低工人劳动强度的同时消除了安全隐患。

[1]张琪.采油工程原理与设计[M].石油大学出版社,2000:21-22.

[2]郭秀英,赵伟民.永磁电机在抽油机中的应用[J].科技创新导报,2010(5):53-55.

[3]董世红.游梁式抽油机变频调速技术改造及应用[J].长江大学学报,2010(7):15-17.

[4]刘群杰.天平式节能抽油机现场试验效果分析[J].勘探开发,2011(9):41-43.