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抽油机不平衡成因分析及治理配套措施

李悦+孙永伟+冯雪峰

摘 要：目前部分抽油机在运行过程中产生的扭矩值与悬点载荷值均在抽油机的设计要求范围内，但抽油机实际处于不平衡状态运行，导致系统能耗增加15%～25%，系统效率降低直接影响抽油机连杆机构、减速箱和电动机的效率与寿命。对已出现的不平衡抽油机，可将曲柄平衡改为复合平衡，采取游梁尾部焊接工字梁，增加尾部平衡块的不平衡整改方案。若采取曲柄平衡方式，需更改抽油机的结构尺寸，增加曲柄长度及曲柄平衡块的质量。
关键词：抽油机；不平衡状态；系统效率；整改方案
抽油机是油田的主要能耗设备，其不平衡状况可直接导致能耗增加15%～25%，因此，抽油机调平衡是节能降耗、延长设备使用寿命的一项重要的技术措施。抽油机平衡运行时，电动机在上下冲程过程中所做功相等。要使抽油机在平衡条件下运转，应使电动机在上下冲程中都做正功且功值相等，在下冲程把多余的能量储存到平衡重上，在上冲程中利用储存的能量来协助电动机做功。
本文对油田抽油机不平衡的原因进行了分析，提出了不平衡抽油机的整改方案，并对方案的可行性进行了分析。该方法的研究对提高抽油机的平衡率，延长设备使用寿命，提高油田经济效益，具有深远的现实意义。
1 抽油机不平衡原因分析
抽油机的平衡机理：抽油机平衡运行时，电动机在上下冲程过程中所做功相等。因此，要使抽油机在平衡条件下运转，应使电动机在上下冲程中都做正功且功值相等，在下冲程把多余的能量储存到平衡重上，在上冲程中利用储存的能量来协助电动机做功。按照抽油机管理标准，即抽油机的平衡率在85%～100%之间抽油机视为平衡，耗电量最低。根据这一标准，抽油机的平衡率可表示为：
式中：
Aw ——下冲程中抽油杆自重和电动机对平衡重所做的功，即重物储存的能量，kN·m；
Ad ——抽油杆柱对平衡重所做的功，即悬点在下冲程中做的功，kN·m；
Amd ——电动机在下冲程中对重物做的功，即电动机在下冲程中做的功，kN·m；
Au ——上冲程悬点做的功，kN·m；
Amu ——上冲程电动机做的功，kN·m。
将（1）式展开可得：
当抽油机机械重储存的能量满足式（2）时，抽油机可在平衡状态下运行。抽油机悬点实测最大载荷及最大扭矩值均小于抽油机的设计额定值，满足传统抽油机载荷及扭矩选型原则。虽然载荷和扭矩在抽油机的强度允许范围内，但根据抽油机的平衡条件，平衡重所能储存的最大能量却满足不了抽油机达到平衡的要求，抽油机平衡重的质量偏低。
2 抽油机平衡理论分析
抽油机平衡时，在一个抽汲循环的过程中，平衡重在下冲程中储存的能量或上冲程中协助电动机所做的功，应等于上冲程和下冲程悬点做功之和的一半[2]。悬点采用多大的平衡载荷才能使下冲程中存储的能量等于平衡块储存的能量，通过分析建立了抽油机平衡配重及曲柄平衡半径的计算模型：上冲程悬点做功
下冲程悬点做功：
由于惯性载荷在上冲程和下冲程中所做的总功等于零，所以在Au 和Ad的计算中没有考虑惯性力的影响。
将 Au 及 Ad 代入式（5）中，复合平衡游梁式抽油机在下冲程过程中，平衡重释放出来的能量主要由游梁平衡重储存的能量、曲柄平衡块储存的能量、游梁部件自重储存的能量、曲柄自重储存的能量四部分组成。曲柄平衡游梁式抽油机下冲过程平衡重释放出来的能量主要由曲柄平衡块储存的能量、游梁部件自重储存的能量、曲柄自重储存的能量三部分组成。通过分析抽油机各部件上、下冲程所储存的能量变化，直接给出了抽油机达到平衡时，复合平衡游梁式抽油机及曲柄平衡游梁式抽油机的配重及曲柄平衡半径计算方法。
3 不平衡抽油机整改方案
3.1 整改方案
根据以上对抽油机平衡重储能的分析，增加平衡块的质量是不平衡抽油机整改的最有效方法，因此，可以采取两种平衡整改方法。方法1：保持原来的曲柄平衡方式，增加曲柄长度，更换较大配重。方法2：改曲柄平衡为复合平衡，在游梁尾部焊接工字梁，增加尾部配重的质量。根据抽油机平衡半徑及配重的计算公式对12型抽油机达到平衡时的平衡半径及配重进行了计算。抽油机达到平衡时对曲柄平衡块的质量需求，与目前平衡块的质量数值相差较大。
3.2 可行性分析
为评价整改方案的可行性，采用数值模拟技术，在沉没度 200 m，杆组合比 4 （22 mm 杆）：6（19 mm 杆），模拟抽油机整改后达到平衡时不同泵径下的最大下泵深度，经过对比可以看出，模拟不同泵径的最大下泵深度大于目前相应泵径的最大下泵深度。方案 1、方案2理论上可以达到平衡整改效果。
4 不平衡井治理技术
抽油机不平衡的主要原因是由于目前曲柄平衡块的最大储能不能满足抽油机的平衡要求。根据抽油机的平衡机理，若平衡重提供的最大储能可以达到抽油机上、下冲程的悬点做功和的一半，抽油机即可达到平衡。因此，在目前平衡重质量不够的情况下，可以通过安装辅助设备的方式，降低上、下冲程悬点做功，使平衡重的储能满足抽油机达到平衡时的储能需求，进而使抽油机达到平衡。在低产井上同时安装抽油机减载器及二次减速装置，可以减少悬点做功，改善抽油机平衡状态。
4.1 抽油机减载器
抽油机减载器是一种深井举升配套设备，通过减载器减载活塞的助推作用降低驴头的悬点载荷，在增产和节能方面有较显著的效果。安装抽油机减载器，与相邻井对比，减载效果明显，平均最大载荷下降 21.1%，能耗降低了10.4%，该装置的应用可有效减少抽油机的悬点做功。
4.2 抽油机二次减速装置
针对抽油机参数已调至最小，供排关系仍不协调的低产井，为提高抽油效率，可在低产井上安装抽油机二次减速装置，进一步降低冲速，改善低产井的供液状况，提高抽油机的系统效率，达到节能降耗的目的。安装二次减速装置后油井的供液情况得到了明显的改善，下冲程抽油机悬点做功由原来的257.11kN·m下降到232.28 kN·m，下降了24.83 kN·m，占抽油机平衡重储能的14.81%。因此，低产井安装抽油机二次减速装置有助于改善油井的供液情况，降低下冲程悬点做功，增加电动机做功，改善抽油机的平衡状况，安装抽油机二次减速装置冲速由原来的 3.5 min-1降低到 2.4 min-1，安装后产液量下降了 6.01%，产油量基本保持不变，泵效提高2.35个百分点，综合节电率达到20.05%，节能效果明显。
参考文献：
[1] 王玮.抽油机二次节能减速器的应用[J].石油石化节能，2011，1（3）：29-30.endprint

-全文完-