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第1期
王波1,2，陈德春1
（1.中国石油大学（华东）石油工程学院， 山东 青岛 266555）（2.中石化华东油气分公司泰州采油厂， 江苏 泰州 225300）
[摘 要] 针对常规游梁式抽油机换向冲击大、能耗高、平衡效果差的问题，提出了吊重平衡前置式游梁抽油机的设计方案。运用图解法确定了抽油机的主要结构参数，采用前置式游梁和直接平衡负载的方式实现了全程跟踪平衡的效果，该机型配套动力容量下降30%-40%。现场试验表明，该机整机运行平稳，平衡配重及运行参数调节方便，工作安全可靠，具有一定的节能效果。
[关键词] 前置式抽油机；动态平衡；配置动力；节能降耗
作者简介：王波（1987—），男，2010年7月毕业于中国石油大
学（华东），硕士研究生，工程师，中石化华东油气分公司泰州采油厂采油工艺研究所副所长。
近年来国际上原油价格持续低迷的严峻形势逼迫各油田寻求低成本开采方式，各油田紧密围绕开采经济效益，积极探索降本增效的方法。目前，国内总计有30多万口抽油机井，采油年耗电约90亿千瓦时，占油田总能耗45%左右，降低能耗已成为油田开发面临的重要课题之一[1-3]。我国陆地油田的机械采油井约占油井总数的90%以上[4]，其中由“抽油机-抽油杆-抽油泵”组成的三抽采油井占80%左右，产量占75%以上[5]。抽油机是三抽采油系统中最主要的举升设备，根据结构特点，抽油机分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。游梁式抽油机的主要特征是靠驴头的弧面将游梁的往复摆动变成悬点的往
复直线运动，按结构不同通常分为常规型和前置型两类，为了节能和加大冲程，又出现了多种异型游梁式抽油机。
常规游梁式抽油机具有结构简单、操作方便、可靠性高、工况适应性好等优点，是陆地油田有杆采油的主力机型，在今后相当长的一段时间内仍是油田首选的采油设备；但由于常规游梁式抽油机本身的结构特点，决定了其具有平衡效果差、曲柄轴净扭矩波动大、存在负扭矩、工作效率低和能耗大等缺点。结合游梁式抽油机的结构特点以及工作优势，开展平衡调节方便、平衡精度高的节能型抽油机研究，具有较重要的意义。1 总体方案设计
抽油机总体方案设计主要包括整机运行模式及平衡方式两个方面。
1.1 运行模式
前置式游梁抽油机改善了游梁和驴头受力状况，并且游梁摆角小，使载荷变化率小，机构运转平稳，从而延长抽油泵寿命。前置式游梁抽油机机构简图如图1
所示。
图1 前置式抽油机的机构简图
如图1，采用前置式四杆机构，连杆与游梁的支点前移，上、下冲程时间不等，使得前置式游梁抽油机具有机构换向平衡可靠、连杆及减速机受力减小、扭矩较平稳、能耗下降等优点，但平衡块调整困难，调整系统较为复杂，难以满足现场需要。因此，需要改变平衡方式，重新优化设计抽油机的平衡机构。
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(a) 上冲程
(b) 下冲程
图2 前置式抽油机的游梁吊重平衡模式
1.2 平衡机构
图1所示的常规型前置式抽油机采用的是游梁尾梁的平衡方式，该平衡方式平衡重为：
G Y=n×G q=(W g+W l⁄2+G)×S-4×G b×r b)/H y
(1)
式中：
G q-单个平衡块的重量，kg；
W g-抽油杆在井液中的重量，kg；
W l-作用在抽油泵柱塞截面的液柱重量，kg；
G-抽油机的结构不平衡重，kg；
G b-单个曲柄的重量，kg；
r b-曲柄重心半径，mm；
S-抽油机冲程，m；
n-平衡块数量。
其中：
H y=L y×[sin(S/2A-α)-sin(-S/2A-α) ] (2)
式中：
L y-抽油机平衡臂长度，mm；
A-抽油机前臂长，mm；
α-游梁平衡角（下偏角），rad。
由式（1）、式（2）可见采用尾梁的平衡方式，平衡参数较多，使得抽油机的平衡调整困难，平衡效果有限。
基于前置式游梁抽油机的结构特点，优化平衡模式，平衡设计如图2
所示：
如图2所示，该抽油机拟采用游梁吊重平衡模式，直接平衡抽油机的负载，使得平衡重的变化规律与驴头负载的变化规律相同；另外，平衡力矩与负载力矩为同一矩心，平衡力矩的力臂在水平面的投影力臂可以变化，即上冲程开始时力臂长、力矩大利于抽油，下冲程开始时投影力臂短、力矩小利于光杆回落，实现了跟踪平衡的效果。
2 技术参数确定
悬点示功图是抽油机设计和选型的基础，因此确定模型示功图是抽油机设计的前提。
2.1 模型示功图
抽油机设计时，悬点载荷可简化为上下冲程的静载荷，考虑动载系数作为设计模型示功图用。
上冲程，抽油机悬点最大静载荷为：
P max=π/4 {ρ1 (d12 l1+d22 l2 )+ρ2 [d2 l-(d12 l1+d22 l2 ) ] } (3)
式中：
P max-悬点最大载荷，kN；
ρ1-抽油杆重度，kN/m3；
ρ2-采出液重度，kN/m3；
d1、l1-第1级抽油杆的直径和长度，m；
d2、l2-第2级抽油杆的直径和长度，m；
d、l-泵的直径和有效下泵深度，m。
下冲程，抽油机悬点最小静载荷为：
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第1期 王波等 基于动态平衡的前置式游梁抽油机研究
图4 吊重平衡游梁式抽油机的机构简图
图5 抽油机处于下死点的几何图解
图3 抽油机设计模型示功图
P min =π/4 (ρ1-ρ2 )(d 12 l 1+d 22 l 2 ) (4)考虑动载系数得该抽油机的设计最大载荷为：
P max m =C m P max (5)式中：
P max m -抽油机设计的最大载荷，kN ；C m -抽油机的动载荷系数，1.1~1.2。
根据资料，泰州采油厂油井平均泵挂1850m 左右，杆柱组合为ф25mm+ф22mm+ф19mm 三级杆组合，正常三级杆柱组合为1:1:2；最大下泵深度为2700m ，采用32mm 管式泵。
确定满足泰州采油厂需要的抽油机最大悬点载荷为140kN ，相应的抽油机设计模型示功图如图3
循环流化床锅炉脱硫
所示。
2.2 结构技术参数
吊重平衡游梁式抽油机的机构简图如图4所
示：
由图4可知，吊重平衡游梁式抽油机是一个典型的四连杆机构，其中A 为游梁前臂长（到驴头），C 为横梁支撑点长度，P 为连杆，R 为曲柄。当悬点处于下死点时，悬点位移为零，此时连杆P 与曲柄R 重叠在一条直线上，抽油机处于下死点时的几何图解如图5
所示。
将连杆与曲柄重合的直线设为零度线，应用余弦定理，可得曲柄零度线与K 的夹角（曲柄初相位角）φ的解析式：
φ=arc cos[K 2+(P-R)2-C 2 ]/2K(P-R) (6)下死点时，游梁下摆角：
γ1=90°-arc cos[K 2+C 2-(P-R)2 ]/2KC (7)连杆P 与曲柄R 连接在一条直线上，抽油机处于上死点位置，此时的几何图解如图6
所示。
图6 抽油机处于上死点的几何图解
悬点位移/m电动升降机构
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上死点时，游梁上摆角：
γ2=arccos[K2+C2-(P+R)2 ]/2KC-90° (8)
所以，抽油机在一周期中上、下冲程悬点弧长L为：
L=(γ1+γ2 ) πA/180
=(arc cos[K2+C2-(P+R)2 ]/2KC-arc cos[K2+C2-(P-R)2 ]/2KC ) ×πA/180 (9)由图5、图6抽油机的运动简图可得，连杆长度P以及曲柄旋转半径R的关系式为：
P+R=√(K2+C2-2 KCcos(90+γ1)
P -R=√(K2+C2-2 KCcos(90 -γ2) (10)
式（9）中抽油机的悬点运动弧长L即为抽油机的冲程长度S。基于上述各式，确定吊重平衡游梁式抽油机的主要机构结构尺寸，如图7所示。
{
图7 吊重平衡游梁式抽油机的结构参数
对于12型、14型吊重平衡游梁式抽油机，不同冲次下对应的抽油机摆角、连杆长度和曲柄半径参数如表1。
冲程（/mm）48004200360030002500
摆角(/︒)α34.530262218θ11818181818θ216.512840
连杆长度（/mm）48215007517753615534曲柄半径（/mm）146712811111927754
表1 抽油机不同冲程下参数
2.3 动力选型计算
抽油机减速机的扭矩计算图如图8
双眼皮胶条
所示。
图8 减速机的扭矩计算图
无触点稳压电源
根据受力平衡有：
则，减速机的扭矩为：
(11)
(12)
在变负荷条件下，电动机选择的一般方法是根据负载电流或扭矩的变化规律，按均方根求出等值电流或等值扭矩计算，则：
(13)
式中：
N r-需要的电机输出功率（即需要选用的电动机额定功率），kW；
M e-需要的电机输出功率（即需要选用的电动机额定功率）曲柄轴上的均方根扭矩，N•m
。
(14)
式中：
M-曲柄轴瞬时扭矩（随曲柄转角θ而变），N•m；
θ-曲柄转角。
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按照抽油机的设计工况，上冲程最大悬点
载荷为140kN，下冲程最小悬点载荷为6min-1时
100kN、5min-1时105kN、4min-1时110kN，采用前
述结构参数得到抽油机动力系统中的各计算量如
表2所示。
参数冲次F(/kN)
F1/F2
(/kN)
F3/F4
(/kN)
M1/M2
(/kN•m)
N1/N2双电源控制器
(/kW)
4min-124.225.424.936.5817.90 5min-128.329.829.342.9825.81 6min-132.334.033.449.0035.31表2 外力辅助启动模式下的动力参数与常规游梁式抽油机相比，吊重平衡游梁式抽油机由于减速器扭矩峰值小、扭矩特性平稳，降低了电机平均装机容量。
抽油机型号101214吊重式抽油机（/kW）15-2218.5-3718.5-37常规游梁抽油机（/kW）30-3745-5545-55装机功率降低40.5%32.7%32.7%
表3 吊重平衡抽油机与常规抽油机电机装机功率
3 现场应用
为了检验吊重平衡游梁式抽油机的可靠性和现场适应性，以及该机型的平衡效果，自2018年10月开始在帅8-14井进行现场试验。
帅8-14井对比试验中，井深、泵型、泵挂、动液面、杆柱组合、回压、套压、产液量等油井井下参数相同，并且两种型号的抽油机的冲程、冲
次相近。
图9 泰州油田的帅8-14井现场试验
对比试验结果如表4所示：
日期机型平衡度(%)有效功率(%)系统效率(%) 2018-11-02113.12 1.0913.54
H无穷控制LMI2018-10-30102.01 1.0911.71
吊重机平均107.57 1.0912.63
2018-09-20134.54 1.0912.55
2018-09-1069.170.789.52
2018-09-0573.130.789.28
2018-08-3072.380.819.75
常规机平均87.310.8710.28表4 吊重机与常规机的平衡效果比较试验
由表4数据分析可见，吊重平衡游梁式抽油机的平衡效果较原游梁式抽油机的平衡效果好。并且，原来需3人连续工作3~4h的抽油机平衡调节，现在仅需1人0.5h即可完成，快捷方便，安全性高。
4 结论
创新设计了吊重平衡游梁式抽油机的平衡机构，改善了抽油机运动特性，采用动态跟踪平衡技术大幅提高了平衡效果。现场试验表明，该机整机运行平稳，平衡配重及运行参数调节方便，工作安全可靠，最长无故障运行时间达5个月以上。
◆参考文献
[1] 高国兴. 游梁式抽油机用电动机高效节能控制系统的研究
[D].东营：中国石油大学（华东），2007.
[2] 张选正. 国内外油田抽油机各种节能方案的分析[J].电机与控制应用，2012，39(4)：11-13.
[3] 吉效科，许丽，张浩. 浅谈评价抽油机节能的几个误区[J].石油地质与工程，2013，27(3)：136-138.
[4] 张晓东，贾国超. 关于我国抽油机发展的几点思考[J].石油矿场机械，2008，37(1)：24-27.
[5] 丁显峰. 游梁式抽油机设计与研究[D].东营：中国石油大学（华东），2003.
收稿日期：2020-09-14；修回日期：2020-11-30
王波等 基于动态平衡的前置式游梁抽油机研究
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