高玉森，張愛(ài)華，季峰，初波，陳勝利，季芳，王樹(shù)學(xué)，周景林

1.大安鴻源管業(yè)有限公司（吉林 大安131300）

2.中國(guó)石油吉林油田分公司 扶余采油廠（吉林 松原138000）

3.丹東源興科技有限公司（遼寧 丹東118002）

4.戈壁能源公司（吉林 白城131300）

5.大安木林森石油設(shè)備制造研發(fā)有限公司（吉林 白城131300）

0 引言

我國(guó)目前在采油系統(tǒng)中大部分還是在采用游梁式抽油機(jī)［1］，在游梁式抽油機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)平衡的要求是應(yīng)使上、下沖程的最大電流差值小于最大電流的15%。抽油機(jī)在一定的生產(chǎn)條件下調(diào)整好平衡后，隨著排采抽吸的進(jìn)行，油井本身地層供液和含水、含氣等工況的變化使懸點(diǎn)負(fù)荷不斷的變化，使游梁式抽油機(jī)平衡偏離行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于人工調(diào)整既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，還達(dá)不到適時(shí)調(diào)整，并且在調(diào)整時(shí)需要停抽，影響原油產(chǎn)量。所以有些資料表明50%以上的抽油機(jī)大部分時(shí)間工作在欠平衡的狀況［2］，達(dá)不到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

抽油機(jī)的平衡與否，對(duì)其故障率、壽命能耗、噪音有很大影響［3］。游梁式抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)就是平衡技術(shù)［2］，平衡系統(tǒng)的性能，平衡效果的優(yōu)劣，直接影響抽油機(jī)的節(jié)能、壽命和應(yīng)用方便程度［4］。實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)游梁式抽油機(jī)平衡是否達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并指令伺服系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整達(dá)到或優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)懸點(diǎn)載荷有多大其配重就自動(dòng)調(diào)整到多大，這樣就能降低能耗、增加產(chǎn)量。

近些年，在抽油機(jī)自動(dòng)控制方面，一些油田做了嘗試，主要功能有：自動(dòng)調(diào)平衡、自動(dòng)調(diào)沖次［5］等。由于是“嘗試”，早期研發(fā)費(fèi)用較高，使產(chǎn)品成本偏高。另外由于沒(méi)有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，給設(shè)備管理帶來(lái)難度，造成這些功能的使用率只有10%左右［5］。隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)選定型，成本的大幅度降低，自動(dòng)調(diào)整平衡是采油設(shè)備的必然趨勢(shì)。

1 技術(shù)方案

1.1 微電腦控制部分

1.1.1 數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測(cè)平衡是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)采用自動(dòng)測(cè)量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流強(qiáng)度［6］的方式。微電腦在設(shè)定監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)通過(guò)電流互感器和游梁位置傳感器儲(chǔ)存上沖程和下沖程的最大電流，通過(guò)比較程序得知電流偏差和較大電流是處于上沖程或者下沖程。

1.1.2 數(shù)據(jù)處理及指令

微電腦通過(guò)數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、比較得知抽油機(jī)平衡偏差，同時(shí)得知配重過(guò)大或者偏小。需要調(diào)整時(shí)指令伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，拖動(dòng)可調(diào)整配重塊向內(nèi)或向外運(yùn)動(dòng)。

伺服電動(dòng)機(jī)每次運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間決定每次可調(diào)整配重塊運(yùn)動(dòng)距離，微電腦根據(jù)平衡偏差大小自動(dòng)指令伺服電動(dòng)機(jī)每次運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。一個(gè)調(diào)整程序終結(jié)，微電腦重新開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，不理想再次調(diào)整，直至平衡達(dá)到94%以上。

1.1.3 定時(shí)檢測(cè)、報(bào)警和手動(dòng)

調(diào)整平衡達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)以上時(shí)，在24 h內(nèi)不會(huì)有太大的變化，為了延長(zhǎng)系統(tǒng)服役期，節(jié)省系統(tǒng)耗電，微電腦可以由管理者任意設(shè)定連續(xù)檢測(cè)或定時(shí)檢測(cè)，任意設(shè)定定時(shí)檢測(cè)開(kāi)始時(shí)間和每次檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)。

當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整達(dá)到極限仍然達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，微電腦觸發(fā)報(bào)警功能，及時(shí)告知管理者安排處理。

系統(tǒng)設(shè)置手動(dòng)功能，在安裝完成第一次調(diào)試和其它需要的情況下，可以手動(dòng)開(kāi)啟伺服電動(dòng)機(jī)正、反運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到調(diào)整平衡的目的。

1.1.4 軟件開(kāi)發(fā)原理框圖

圖1 是STM32F105RBT6 單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)原理框圖。單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)要達(dá)到抗干擾性強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)便，人機(jī)交互界面友好，調(diào)用方便［7］。

1.2 機(jī)械部分

1.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

在游梁尾部安裝可自動(dòng)調(diào)整配重塊，形成下偏杠鈴復(fù)合平衡。下偏杠鈴和曲柄一起平衡井口載荷，能夠降低減速器峰值扭矩［8］。

圖1 軟件開(kāi)發(fā)原理

圖2 是可自動(dòng)調(diào)整配重塊機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。機(jī)械傳動(dòng)采用絲杠、絲母結(jié)構(gòu)。圖中可自動(dòng)調(diào)整配重塊黑色位置為重力最大極限，紅色位置為重力最小極限。

1.2.2 機(jī)械參數(shù)

1）伺服電動(dòng)機(jī)在需要的時(shí)候開(kāi)始向左或者向右旋轉(zhuǎn)，伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速后帶動(dòng)絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)，絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)使絲母產(chǎn)生位移，絲母位移使擺臂帶動(dòng)可自動(dòng)調(diào)整配重塊圍繞搖臂支撐軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)最大角度設(shè)定為120°。

2）可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心和搖臂支撐軸中心長(zhǎng)度設(shè)定為游梁最尾端到中軸承中心距離的52%。

3）可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心最大向外極限位置在中軸承中心與擺臂支撐軸中心的延長(zhǎng)線上。這樣在中軸承中心與擺臂支撐軸中心的延長(zhǎng)線是水平的時(shí)候，配重塊質(zhì)心最大極限與最小極限的投影距離為：

式中：Smax為可自動(dòng)調(diào)整配重塊移動(dòng)最大投影距離m；L為抽油機(jī)中軸承中心與游梁最尾端的距離，m。

圖2 可自動(dòng)調(diào)整配重塊機(jī)械結(jié)構(gòu)

4）在游梁尾部加裝平衡塊質(zhì)量一般以占原機(jī)總平衡量的40%～50%為宜[9-10]，可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)量設(shè)定為原抽油機(jī)平衡塊總質(zhì)量的45%。

1.2.3 可自動(dòng)調(diào)整配重塊在調(diào)整范圍內(nèi)與中軸承中心距離

1）抽油機(jī)中軸承中心與游梁最尾端的距離設(shè)定為L(zhǎng),游梁最尾端與搖臂支撐軸中心長(zhǎng)度為便于計(jì)算忽略不計(jì)，因?yàn)榭勺詣?dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心和搖臂支撐軸中心長(zhǎng)度為0.52L,并且可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心向外最大極限位置在中軸承中心與擺臂支撐軸中心的延長(zhǎng)線上，那么可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心與中軸承中心的最大距離是：

式中：Lmax為可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心與中軸承中心最大投影距離，m。

2）根據(jù)公式（1），可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心與中軸承最近的投影距離是：

式中：Lmin為可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心與中軸承最小的投影距離，m。

3）可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心在調(diào)整范圍內(nèi)處于正中間投影位置時(shí)，距離中軸承中心的投影距離是：

式中：Lmid為可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心在調(diào)整范圍內(nèi)處于正中間投影位置時(shí)，距離中軸承中心的投影距離，m；Lmax為可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心與中軸承中心最大投影距離，m；Lmin為可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心與中軸承最小的投影距離，m。

2 可自動(dòng)調(diào)整配重塊在調(diào)整范圍內(nèi)重力變化范圍

2.1 可自動(dòng)調(diào)整配重塊的三個(gè)典型位置

圖3 是根據(jù)公式（2）、公式（3）、公式（4）繪制的安裝有可自動(dòng)調(diào)整配重塊抽油機(jī)示意圖。為便于計(jì)算，以驢頭最前沿到中軸承中心距離和中軸承中心到游梁最尾端距離相等抽油機(jī)為例。黑色為可自動(dòng)調(diào)整配重塊處于最大重力位置，紅色處于最小重力位置，藍(lán)色處于可自動(dòng)調(diào)整配重塊最大可調(diào)整投影距離（Smax）正中間位置。

圖3 安裝有可自動(dòng)調(diào)整配重塊抽油機(jī)示意圖

2.2 可自動(dòng)調(diào)整配重塊不同位置的重力變化

1）當(dāng)抽油機(jī)原始狀態(tài)，并達(dá)到平衡標(biāo)準(zhǔn)，驢頭端載荷等于全部平衡塊的重力，并設(shè)定為1W。加裝可自動(dòng)調(diào)整配重塊并處于藍(lán)色位置，可自動(dòng)調(diào)整配重塊所另外產(chǎn)生的重力為：

式中：0.45W 為設(shè)定的可自動(dòng)調(diào)整配重塊的質(zhì)量占原機(jī)總平衡量的45%所產(chǎn)生的重力，kN；1.13 為可自動(dòng)調(diào)整配重塊處于藍(lán)色位置時(shí)的力臂長(zhǎng)度，m。

2）為了加裝可自動(dòng)調(diào)整配重塊后仍然達(dá)到平衡，需要調(diào)整原平衡塊位置，或者減少原平衡塊質(zhì)量，調(diào)整后重力為：

3）可自動(dòng)調(diào)整配重塊處于最大重力位置和原機(jī)調(diào)整后平衡塊總重力為：

式中：1.52為力臂長(zhǎng)度，m。

4）可自動(dòng)調(diào)整配重塊處于最小重力位置和原機(jī)調(diào)整后平衡塊總重力為：

式中：0.74為力臂長(zhǎng)度，m。

5）從公式（7）和（8）可以得知，游梁式抽油機(jī)加裝可自動(dòng)調(diào)整配重塊，自動(dòng)調(diào)整范圍是82.45%到117.55%，調(diào)整幅度是35.1%。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)井可自動(dòng)調(diào)整配重塊加裝前后測(cè)試數(shù)據(jù)

1）加裝前后測(cè)試曲線加裝前測(cè)試曲線如圖4所示，加裝后測(cè)試曲線如圖5所示。

圖4 加裝前測(cè)試曲線

圖5 加裝后測(cè)試曲線

2）加裝前后測(cè)試數(shù)據(jù)加裝前后測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 可自動(dòng)調(diào)整配重塊加裝前后測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 加裝可自動(dòng)調(diào)整配重塊前后日耗電量對(duì)比

加裝可自動(dòng)調(diào)整配重塊前后節(jié)電率為：

從公式（9）得知實(shí)驗(yàn)井加裝可自動(dòng)調(diào)整配重塊有著明顯節(jié)電效果。

3.3 運(yùn)行安全

1）加裝可自動(dòng)調(diào)整配重塊后運(yùn)動(dòng)軌跡線在減速器上部的空間大，距離地面較高的采油井，一般不需采用專門(mén)的安全防護(hù)[11]。

2）加裝可自動(dòng)調(diào)整配重塊后，如果在減速器上部的空間小，存在安全隱患，抽油機(jī)游梁后端需有防護(hù)欄[12]。

4 結(jié)語(yǔ)

1）游梁式抽油機(jī)加裝可自動(dòng)調(diào)整平衡系統(tǒng)，實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)抽油機(jī)平衡狀況，自動(dòng)調(diào)整平衡，可以滿足抽油機(jī)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)量設(shè)定為原抽油機(jī)平衡塊總質(zhì)量的45%，可以滿足系統(tǒng)要求。

3）可自動(dòng)調(diào)整配重塊調(diào)整幅度達(dá)到35.1%，可以基本滿足系統(tǒng)要求。

4）可自動(dòng)調(diào)整配重塊質(zhì)心和搖臂支撐軸中心長(zhǎng)度設(shè)定為游梁最尾端到中軸承中心距離的52%，可以基本系統(tǒng)要求。

5）加裝可自動(dòng)調(diào)整配重塊，使抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)得到改善，節(jié)電效果顯著。