蔡鵬飛，劉 釗，高嗣土，喬 陽

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710000）

近年來，油田勘探開發(fā)過程中大斜度井、低產(chǎn)井、稠油井、出砂井的數(shù)量逐年上升，對(duì)抽油機(jī)的平衡裝置的自適應(yīng)能力要求越來越高。目前通用的抽油機(jī)平衡方式為機(jī)械平衡和氣動(dòng)平衡，其根據(jù)相應(yīng)的工況均有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。抽油機(jī)在工作過程中不平衡主要是因?yàn)樵谄涔ぷ鬟^程中，上下行程做功不相等造成的，會(huì)降低電動(dòng)機(jī)使用效率，縮短抽油機(jī)使用壽命，影響抽油泵正常工作。

1 抽油機(jī)平衡的基本原理

抽油機(jī)平衡的基本原理是抽油機(jī)在上、下沖程中做功相等。上沖程時(shí)，抽油機(jī)帶動(dòng)抽油桿和抽油泵向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的交變載荷主要有抽油泵活塞截面上的液拄重量和抽油桿柱在液體中的重量以及摩擦、慣性、振動(dòng)等負(fù)荷[1]。下沖程時(shí)，抽油機(jī)帶動(dòng)抽油桿和抽油泵向下運(yùn)動(dòng)，抽油機(jī)驢頭只承受抽油桿柱在液體的重量，此時(shí)平衡重存儲(chǔ)能量。在抽油機(jī)正常工作時(shí)，改變抽油參數(shù)或抽油泵深度以及井中含水量都可能使抽油機(jī)不平衡。此外，由抽油機(jī)平衡的基本原理推導(dǎo)出兩種平衡判斷方式:抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)上下沖程中減速箱的曲柄扭矩峰值相等；抽油機(jī)驢頭前點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)上下沖程中減速箱的曲柄扭矩均方根值最小。

2 抽油機(jī)現(xiàn)有平衡裝置

2.1 機(jī)械平衡裝置

抽油機(jī)的機(jī)械平衡主要是油田開發(fā)的前期和中期，此時(shí)油井出油率高，對(duì)抽油機(jī)效率和能耗方面基本沒有要求。其主要是通過在抽油機(jī)的游梁或者曲柄中加入平衡重來實(shí)現(xiàn)的，在下沖程中，曲柄帶動(dòng)平衡重由最低點(diǎn)向最高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，過程中，除驢頭和抽油桿柱自由下落產(chǎn)生的重力勢(shì)能，同時(shí)平衡重也在儲(chǔ)存勢(shì)能，這些勢(shì)能在上沖程中被釋放出來，減少電動(dòng)機(jī)做功，從而緩解電動(dòng)機(jī)載荷不均所產(chǎn)生的磨損。

機(jī)械平衡根據(jù)平衡重的位置可分為游梁平衡裝置、曲柄平衡裝置以及復(fù)合平衡裝置。根據(jù)抽油柱載荷的不同，可以對(duì)曲柄平衡重和游梁平衡重的位置進(jìn)行調(diào)整。除了常規(guī)抽油機(jī)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄、游梁平衡裝置外，在塔式抽油機(jī)以及叢式抽油機(jī)中，采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)達(dá)到平衡（滑塊裝置與常規(guī)游梁式抽油機(jī)中的曲柄、游梁的平衡中作用相同），且相比于傳統(tǒng)的平衡裝置，其達(dá)到的平衡效果更好。

2.2 液壓和氣動(dòng)平衡裝置

隨著油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，原油出油率低，抽油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的不平衡造成其磨損越來越嚴(yán)重，能耗嚴(yán)重增大，采油成本逐步上升。抽油機(jī)的平衡性要求越來越高，此時(shí)科研人員對(duì)抽油機(jī)的平衡裝置進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新，更多類型的抽油機(jī)平衡裝置出現(xiàn)在各大油田。

液壓平衡雙向液壓馬達(dá)可換向?qū)崿F(xiàn)能量的儲(chǔ)存與釋放，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)上、下沖程的轉(zhuǎn)換。

液壓平衡裝置首先將平衡塊重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為液壓能，然后再利用馬達(dá)將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，與電機(jī)一起對(duì)上沖程的懸點(diǎn)做功。

氣動(dòng)平衡裝置其工作原理:利用氣體的可壓縮性來儲(chǔ)存和釋放能量達(dá)到平衡。適用于負(fù)載較重的抽油機(jī)，可以根據(jù)油井情況不停機(jī)調(diào)節(jié)平衡。氣缸裝置呈對(duì)稱分布，其氣壓主要影響因素有氣壓波動(dòng)系數(shù)、壓縮比等等。

2.3 其他平衡裝置

2.3.1 自調(diào)節(jié)平衡裝置

自調(diào)節(jié)平衡裝置一般安裝在游梁上或者游梁，主要由平衡重，伺服電機(jī)，支撐座，平衡導(dǎo)軌組成。依據(jù)接近開關(guān)組檢測(cè)沖程位置變化時(shí)所傳遞的信號(hào)，由控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)減速箱將平衡裝置迅速調(diào)整到極限平衡位置，此外伺服電機(jī)帶動(dòng)平衡導(dǎo)軌上的絲杠運(yùn)動(dòng)，從而使平衡重運(yùn)動(dòng)到平衡位置。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過絲杠變成螺母的直線運(yùn)動(dòng)，螺母又帶動(dòng)平衡裝置在滑道上移動(dòng)，控制其到游梁回轉(zhuǎn)中心的距離，從而達(dá)到調(diào)節(jié)平衡作用[2]。因?yàn)橛瘟浩胶庋b置是對(duì)曲柄平衡的一種補(bǔ)充，起平衡輔助調(diào)節(jié)作用，主要的平衡調(diào)節(jié)還要依靠曲柄平衡實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 超越離合器平衡裝置

超越離合器平衡裝置與電動(dòng)機(jī)輸出軸相聯(lián)結(jié)，依靠主動(dòng)件和從動(dòng)件的速度差或旋轉(zhuǎn)方向的變換自動(dòng)接和或者脫離的裝置。抽油機(jī)在下沖程過程中，超越離合器外圈快速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速高于內(nèi)圈額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)棘爪和棘齒脫離，在曲柄運(yùn)行到下死點(diǎn)位置時(shí)產(chǎn)生超越現(xiàn)象。

抽油機(jī)在上、沖程過程中，超越離合器外圈與內(nèi)圈嚙合，電動(dòng)機(jī)輸出功率帶動(dòng)抽油桿柱上升。

2.3.3 隨動(dòng)平衡裝置

隨動(dòng)平衡裝置主要裝置在游梁上，適用于常規(guī)型游梁式抽油機(jī)，裝置由平衡重、擺桿和連桿和支座等組成。上沖程時(shí)，游梁后臂向下運(yùn)動(dòng)，連桿與擺桿間夾角越來越小，隨動(dòng)平衡裝置同步游梁后臂向下運(yùn)動(dòng)，其具有的重力勢(shì)能被釋放出來，協(xié)助電動(dòng)機(jī)做功。下行程時(shí)，游梁后臂向上運(yùn)動(dòng)，連桿與擺桿間夾角越來越大，隨動(dòng)平衡裝置向上運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)存勢(shì)能。隨動(dòng)平衡裝置方便對(duì)現(xiàn)有抽油機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

2.3.4 飛輪平衡裝置

飛輪平衡裝置主要用于帶式抽油機(jī)。當(dāng)抽油桿柱下行程工作時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)變直徑卷筒旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)飛輪卷筒軸旋轉(zhuǎn)，飛輪角速度增加，所存儲(chǔ)的動(dòng)能越來越多。在抽油桿柱下行程過程中,抽油桿柱釋放出的全部或絕大部分重力勢(shì)能都將轉(zhuǎn)化為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能[3]。反之，飛輪平衡裝置釋放能量，以保證抽油機(jī)的平衡性。

3 平衡裝置存在的問題

抽油機(jī)平衡調(diào)整的常規(guī)方法主要采取人工調(diào)整平衡塊位置來實(shí)現(xiàn)。這種方法需要關(guān)停抽油機(jī)，一般依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)判斷調(diào)整位移量，需要平衡調(diào)整專用工具，移動(dòng)笨重平衡塊的操作較為繁瑣，對(duì)特殊井有時(shí)還需要吊車輔助[4]；機(jī)械平衡裝置安裝的位置較高，平衡塊如果過重會(huì)產(chǎn)生很大的損壞力。存在較大的慣性力和離心力。這種油田前期普遍采用的調(diào)整方法并不能保證抽油機(jī)的平衡性，并且調(diào)整時(shí)需要關(guān)井，減少了經(jīng)濟(jì)效益。

氣動(dòng)平衡裝置，地面設(shè)備造價(jià)較高，不方便操作與維修。傳統(tǒng)氣動(dòng)平衡器缸筒易變形、承載小、控制系統(tǒng)復(fù)雜、性能差。液壓平衡裝置，由于液體工作性能易受到溫度變化的影響，要求其液壓缸密封性能高、液壓元件的制造精度高，相應(yīng)成本較高。

其他類型平衡裝置，包括自調(diào)節(jié)平衡裝置，隨動(dòng)平衡裝置，超越離合器平衡裝置以及飛輪動(dòng)力平衡裝置，其對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等平衡裝置的改進(jìn)與創(chuàng)新，越來越多的投入到各大油田，提高了抽油機(jī)的平衡性。

4 檢驗(yàn)平衡的方法

早期油田技術(shù)相對(duì)落后，多采用上下沖程做功相等的原則，其主要運(yùn)用電流平衡的方法，此方法未考慮到抽油機(jī)節(jié)能和安全的要求，已不適合油田大范圍使用。在有條件測(cè)試功率的情況下盡量不要采用該方法。

相對(duì)節(jié)能效果最佳的平衡調(diào)整原則是“均方根扭矩最小”法，但對(duì)測(cè)試儀器以及測(cè)試分析軟件要求較高，并需要專業(yè)人員操作，油田還沒有大面積推廣，均方根扭矩最小法將是檢驗(yàn)抽油機(jī)平衡性發(fā)展的方向。

功率法測(cè)平衡能夠不受電流方向干擾,保證了抽油機(jī)的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)了抽油機(jī)的使用壽命，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的。隨著我國各油田提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率工作的開展，油田普遍配備了系統(tǒng)效率測(cè)試儀，可以較方便地測(cè)試出抽油機(jī)的功率曲線[5]。功率法較電流法能清晰地反映平衡變化情況，較準(zhǔn)確地計(jì)算真實(shí)的平衡度，可以避免因抽油機(jī)不平衡而造成不必要的設(shè)備損耗、耗電量增大、設(shè)備安全隱患等問題。

5 結(jié)語

抽油機(jī)的平衡裝置根據(jù)工況以及抽油機(jī)的性能有多種方式。近些年來，國內(nèi)外對(duì)現(xiàn)有抽油機(jī)的平衡裝置進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出多種平衡裝置以及檢測(cè)平衡度的方法，更適合油田對(duì)抽油機(jī)節(jié)能減排的要求。此外，風(fēng)能、太陽能、超級(jí)電容等也逐步運(yùn)用到抽油機(jī)的平衡裝置當(dāng)中，更有利于抽油機(jī)經(jīng)濟(jì)效益的提升。