常规游梁式抽油机摇杆平衡装置

欧阳涛

（中国石化江汉油田分公司江汉采油厂，湖北 潜江433123）

图1 用扭矩因数得出的扭矩曲线图

1 抽油机井尾平衡节能原理

1.1 抽油机尾平衡装置的节能原理发现

20世纪80年代美国拉夫金公司通过图1发现了上述问题，通过将曲柄平衡重心滞后一个相位角τ后，发现最大井载荷扭矩N井max和最大平衡扭矩N平max基本统一在一个位置，这样净齿轮扭矩值大大下降，可使减速器扭矩值下降，电机功率变小，从而达到节电效果。这就是抽油机尾平衡节能原理。

1.2 国内抽油机尾平衡装置的节能原理研究

20世纪90年代末，兰州石油机械研究所也做了此类研究（见图2）。

图2 示功图与游梁平衡力矩位置示意图

由图2可发现，光杆负荷在抽油机上冲程的前半部分时最大，这是因为惯性载荷附加所引起的。而常规游梁式抽油机最大平衡力矩N平max在上冲程中部，两者相差了一个相位角τ，故游梁平衡力矩无法有效平衡光杆负荷产生的力矩，平衡效果较差。

如果将游梁平衡重心下偏一个相位角，游梁最大平衡力矩N平max和光杆最大负荷力矩N井max同时出现，则可有效地起到消峰作用。这样抽油机连杆力下降，曲柄平衡扭矩下降，净齿轮扭矩下降，电机功率下降，从而达到节能目的。

2 三种抽油机尾平衡节能装置的研究应用

基于上述游梁式抽油机尾平衡的节能原理，中国石化江汉油田分公司江汉采油厂（以下简称江汉采油厂）通过十几年的研究及现场尾平衡装置的应用，逐步摸索出抽油机井尾平衡装置的最佳节能效果。

2.1 抽油机固定式尾平衡节能装置及现场应用情况

该装置外形似驴头（见图3），安装于抽油机游梁尾端，为达到新的平衡，抽油机平衡块还必须内调。该装置结构简单，操作维护方便，在抽油机动力性能方面有很大的改善，承载能力更大，性能更优良，运转更平稳，节能效果显著，综合效率更高。

图3 广10－3固定式尾平衡节能装置

2001年11月15日，江汉采油厂工艺所王迪凯、机动科欧阳涛和江汉油田天兴实业公司合作开发在广10－3井安装使用固定式尾平衡节能装置。该井节电效果约在18%左右，最大电流下降8A左右，证实起到了电流削峰作用。根据广10－3井的应用情况，2002年3－4月在广13－2、广14－3等10口井的抽油机上安装了该装置，用日产HIOKI3166钳式电力测功仪或电表进行了相应电量参数的测量，其综合节电率达到19.79%。这之后又陆续安装了59台尾平衡节能装置，均达到了预期的效果。

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2.2 抽油机可调式尾平衡节能装置及现场应用情况

由于油井生产参数及井下地质情况发生了变化，油井的液量及抽油机驴头悬点负荷也发生了变化，而以前安装的固定式尾平衡装置由于重量及相位不能调整，已经不能满足现场的实际生产需要，部分的井不但不节能，反而还耗能。针对这一新情况，2005年江汉采油厂广华作业区何家钧、欧阳涛等5人与江汉油田祺凌钐石油机械设备潜江有限公司合作研制开发了可调式尾平衡装置（见图4），该装置安装在沙27－7井。当年，沙27－7井抽油机节约电耗、节约修理费和减少易损件损耗等综合创效在1.7万元左右。2006－2011年，江汉采油厂又在钟5－22等100口井上陆续安装了该装置。

图4 可调式尾平衡节能装置

以上两种即可调式与固定式尾平衡装置，均无法改变尾平衡重作用的力臂，有时会出现最大尾平衡扭矩不足的情况，节能效果也有待进一步的提高。

2.3 抽油机摇杆平衡节能装置及现场应用情况

2012年，江汉采油厂机动科欧阳涛与江汉油田天泰机电设备潜江有限公司合作开发了摇杆平衡节能装置（见图5）。

图5 广2平2井摇杆平衡节能装置

摇杆平衡节能装置重心相对游梁下偏一个相位角，井载最大载荷产生的力矩与最大游梁平衡力矩同时发生；其四连杆机构随机改变抽油机平衡力臂长度，即上冲程力臂变长、下冲程力臂变短，使得井载扭矩与平衡扭矩能随机平衡，两者平衡达到最佳，从而达到最佳节能效果；而且其重量也可调。室内试验电表计量节能达45%，现场安装在广2平2井。安装该节能装置前，驴头上行最大电流为98A，下行为52A，电流平衡率为53%；电度表数据统计其耗电量约为8.4度／小时。安装此变臂摇杆平衡节能装置后，在相同运行条件下，通过几次调整，驴头上行最大电流为56A，下行为54.3A，电流平衡率为97%，电度表数据统计其耗电量约为6.27度／小时，达到 了25.3% 的节电效果（节电率略低是受三井共用一条生产管线和变频柜的影响）。

以CYJY14－4.8－73HF抽油机变臂平衡节能改造为例，改造后的效果:

1）连杆力降低，与10型机相当；减速器扭矩由73KN.m降至53KN.m。

2）该改造机在光杆负荷差小、冲次不大于5次／分时节能效果好。一般可达到25%，最高可达到45%。

3）因连杆力和减速器扭矩降低，横梁轴承座、曲柄销装置和减速器使用寿命可提高1.8倍［L10h＝（106／60n）x（Cr／P1）10／3］。

4）电动机也可换小两级。

2013－2014年上半年江汉采油厂在王72B等30口井的抽油机上安装了该装置，均达到了预期的效果。

3 摇杆平衡节能装置产生的经济效益

1）按江汉油田每口井每年平均耗电100 000度计算，每年每台抽油机可节电25 000度至45 000度，节约资金23 000元以上。

2）横梁轴承座、曲柄销装置、减速器因受力减少、寿命提高；减少了烧皮带次数；严重不平衡井减少了烧电动机、开关箱的可能性；据此减少维护等费用平均每年8 000元以上。

3）减少产量损失:采油时率提高，每年少停机26小时，按江汉油田单井日产3t计算，每年因此减少损失价值9 000元。

4）抽油机平衡指数提高到85% 以上。

综合上述计算，单井年均节约生产运行成本40 000元以上。

4 摇杆平衡节能装置使用注意事项

1）抽油机的冲次不高于5次。当冲次＞5次时，变臂平衡节能装置动载过大，游梁最大平衡力矩位置很难和光杆负荷产生的最大扭矩同时出现，节能效果不佳。

2）上下冲程中光杆载荷差小于4t。如果超过4t，通过有关软件计算，效果有所下降。

3）不适应玻璃杆抽油井。因为玻璃杆的弹性模量为钢杆的1／4，玻璃杆抽油井的峰值载荷扭矩没有规律可循。

4）不适应已进行过节能改造（变频或平衡改造）的抽油机上再改造，理由是节能效果不能叠加。

5 结论

游梁式抽油机变臂摇杆平衡节能装置结构新颖、实用、改造容易、原理可行、节能效果极佳；可满足油田游梁式抽油机节能改造需要，建议油田推广使用该节能装置。目前该项装置准备申报国家专利。

［1］王鸿勋，张琪，等.采油工艺原理［M］.北京:石油工业出版社，1989.

［2］李晓明，等.采油技术手册［M］.北京:石油工业出版社，1993.