常规游梁平衡抽油机改直接平衡抽油机的设计与试验

何勇（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

常规游梁平衡抽油机具有结构简单、维修方便、性能稳定等特点，但由于其承载能力是靠额定扭矩来实现的，因此与载荷匹配难度大，平衡调整受限制，能耗相对较高。常规游梁平衡抽油机传统改造主要有下偏杠铃改造、双驴头改造等方式，但由于不改变其传统的平衡方式，因此，无法从根本上解决传动环节多、效率低以及动态平衡的问题。

结合目前直线电动机的发展尤其是大推力的实现，可以将直线电动机用于常规游梁平衡抽油机的改造，替换原有旋转电动机，再通过机械方式转变为直线往复运动的能量转换模式，即：采取直接平衡方式实现抽油机所需的直线往复运动，克服传统四连杆机构效率低的不足，可根据需要调整悬点运动规律[1]。

1 游梁平衡抽油机改造方法

保留原抽油机游梁主体结构，在游梁尾部，采用三相永磁同步直线电动机，直接与游梁尾部驴头相连，替代常规游梁平衡抽油机上的减速器、四连杆机构，平衡配重与电动机初级在电动机轿厢内同步设计（图1）。

直线电动机初级（对应传统旋转电动机的动子）在两侧次级（定子）内做往复直线运动。初级上行时，此时抽油机为下冲程，静平衡上行，光杆下行，电动机与平衡系统储能；达到下死点电动机换向，此时抽油机为上冲程，初级下行，静平衡下行，光杆上行，电动机和平衡系统释放能量，如此往复来达到正常抽汲目的[2]。

2 直线电动机设计

2.1 推力计算

常规游梁平衡抽油机减速箱改造为直线电动机设计，由于游梁尾部也采用驴头设计，因此，仅对直线电动机的对应推力进行设计即可。

直线电动机结构由旋转电动机的切片处沿径向展开，因此，磁场由圆周形演变为平面直线形[3]。对于直线电动机，其产生的动力为直线运动方向上的推力。除考虑电动机电磁结构的安全极限能力外，设计时需满足拖动负载所需的推力可按下式[4]计算。

式中：Fst——直线电动机推力，N；

m1——相数；

I=1st（Z是总阻抗，Ω）；

R=e0（X是励磁电抗，Ω）；m

KP、KQ——横向边缘效应电磁功率系数；

DFa、DFj——纵向边缘效应电磁力系数；

S——滑差率，%；

G——品质因数；

Vs——最大运行速度，m/s。

对比37 kW常规异步电动机与15 kW直线电动机可承受的满载力矩。以CYJY10-3-53HB机型为例，直线电动机的扭矩也可达到常规异步电动机的最大扭矩值（3 700 kN·m）。按力臂1.2 m计算，得出常规游梁平衡抽油机的提升力为3 083 kN；额定功率为15 kW的直线电动机最大推力可达3 000 kN。

按相同载荷设计，额定功率为15 kW的直线电动机可满足额定功率为37 kW的常规10型游梁平衡抽油机的载荷需要。

2.2 机械功率计算

直线电动机的机械功率可按下式[5]计算：

式中：Pm——电动机机械功率，kW；

v——电动机初级速度，m/s；m——推力系数；

E1——励磁电势，V；

Rs——电枢绕组每相电阻，Ω；

X——电枢绕组每相阻抗，Ω；U——电源电压，V。

2.3 平衡配重计算

抽油机的平衡状况直接影响直线电动机的负载水平、使用寿命和整机运转的稳定性。直线电动机抽油机将平衡配重与直线电动机设计为一体，其平衡调整可通过增加、减少配重块的质量来实现。同时，由于改造后直线电动机抽油机利用了电动机初级质量作为配重的一部分，即平衡总质量为配重质量加上电动机初级质量，因此可减少额外配重使用。

根据下泵深度、泵径等参数，直线电动机抽油机所需的平衡质量可由下式求得：

式中：G——平衡质量，kg；

P′杆——抽油杆在油液中的质量，kg；

P′油——动液面以上，泵柱塞全断面积上油液质量，kg；

g——每米抽油杆在油液中的质量，kg；L——泵挂深度，m；

H——液体有效提升高度，m；

γ——油液密度，kg/m3；

F——泵柱塞横截面积，m2。

3 改造效果

现场改造测试表明，与改造前相比有功节电率达16.86%，单井年节电2.18×104kWh，折合人民币1.39万元。系统效率提高4.21个百分点，提高了13.95%。同时研究表明，应用直线电动机的系统效率目标值可比常规游梁平衡抽油机高出8个百分点[5]（表 1）。

表1 1#井改造前后效果

图2 应用直线电动机改造前后示功图对比

应用直线电动机改造后，由测试示功图对比载荷可知，改造前的最大载荷与最小载荷差值为23.4 kN，改造后为21.3 kN，降低8.9%（表2）。最大载荷由56.0 kN下降到53.1 kN，下降了5.6%。应用直线电动机后，振动载荷也相应降低，运行更平稳（图2）。

表2 1#井改造前后载荷变化

目前单井投入改造成本为11.5×104元，考虑到替换掉的平衡块、减速箱、电动机、曲柄等可以再利用，折算后单井改造成本是3.3×104元。按单井节约电费1.39×104元计算，投资回收期为2.37年。

4 结论及认识

1）应用直接平衡直线电动机可替代常规游梁平衡抽油机上的减速器、四连杆机构，进一步简化结构，使用可靠、操作维护方便，降低工人劳动强度。

2）同常规游梁平衡抽油机相比，改造后直线电动机抽油机具有系统能耗低、传动效率高、平衡效果好和振动载荷小的优势，同时改造后装机容量可降低1/3～1/2。

3）直线电动机技术适用于油田闲置常规游梁平衡抽油机的改造，有利于降低改造成本和油井能耗。现场试验表明，改造后抽油机的有功节电率可达16.86%。