刘净
中国石油化工股份有限公司中原油田分公司 河南省濮阳市457001
摘要：对直驱游梁式抽油机进行载荷分析研究，优化配置降低直驱游梁式抽油机驱动装机容量。开发智能控制器，实现根据运行工况智能调节冲次的目标；研究安全制动技术，安全制动的目标形成完善的直驱游梁式抽油机智能控制及安全制动技术。现场应用效果良好，具有良好的推广应用前景。
关键词：直驱游梁式抽油机 载荷分析 安全制动 智能控制
一、现状研究
目前中原油田的开发方式中，常规游梁式抽油机占据了80%主导地位。在油田开发后期复杂断块油田的高效开发的要求下，常规游梁式抽油机因其固有特点存在着一定的局限性。主要表现在以下四个方面： 传动系统复杂，系统效率低，耗能高；难以适应油藏变化；自动化程度低；现有皮带驱动存在安全隐患[1]。
本研究正是基于上述背景提出的，采用目前国内最新技术-永磁复合电机技术，用一台永磁复合电机替代原感应电动机、皮带轮、减速箱，直接驱动四连杆机构。同时利用智能控制系统实时获得准确的运行数据，根据监测参数由智能控制器对抽油机冲次进行智能调控，实现根据抽油机运行特征改变运动的实时控制系统，从而达到提高抽油机效率，节约电能，降低采油成本，最大限度地获得采油经济效益。
二、直驱游梁式抽油机配置优化
为进一步优化配置，降低直驱抽油机的电机容量配置，降低使用成本，对不同的平衡方式进行了分析。
采用三维软件SolidWorks中motion插件对抽油机的曲柄平衡和游梁平衡分别进行动力学分析，确定了直驱抽油机在运转过程中所需的电机转矩[2]。抽油机的参数为14型抽油机，悬点载荷10t，冲次2.4min-1，冲程5m，曲柄平衡动力学分析和游梁平衡动力学分析。动力学分析结果：曲柄平衡所需电机最大转矩为64.44kN·m，游梁平衡所需电机最大转矩为31.44kN·m。
采用优化抽油机平衡方式，将原来曲柄平衡改为复合平衡（游梁平衡+曲柄平衡），从而降低所需的电机功率，降低成本。
三、直驱游梁式抽油机安全制动技术研究
制动装置是游梁式抽油机安全操作的核心部件，具有保障作业安全等重要作用。直驱游梁式抽油机采用的驱动方式是电机直接驱动曲柄带动连杆运动，与常规的抽油机制动装置安装在高速轴端的情况不同，制动装置直接安装在电机的低速驱动轴上，由于电机为低速大扭矩特性，制动装置必须符合大扭矩刹车的性能。
为更好的实现直驱游梁式抽油机系统安全制动，设计为电磁制动与外抱式机械带式制动以及曲柄支撑制动相结合的方案。
3.1电磁制动
电磁制动方案是根据永磁复合电机的特性而设计的，在正常工作情况下，便于操作控制直驱抽油机。基本原理是在通电情况下从直驱电机内部对直驱电机进行制动，通过专用变频器给直驱电机一个直流制动电流实现有效制动。采用电磁制动可以实现：可在通电情况下随时停机；可实现任意位置停机。这种功能便于停机后横梁位置的调整。
3.2 机械带式制动
通过已试验刹车方案的分析对比，确定采用结构简单的外抱式机械带式刹车结构，从理论计算入手，优化摩擦副、制动机构与安全锁定装置，使其具有大制动转矩，确保了直驱游梁式抽油机的安全制动。
制动装置结构优化设计，增大刹车毂结构尺寸，优选摩擦副材料，提高制动力；传动机构优化设计，保证刹车操纵有效进行。
3.3 曲柄支撑制动
采用驻刹块与曲柄支撑制动相结合方式，保证抽油机摘掉载荷后仍能够安全制动，提高了制动安全系数。设计曲柄支撑架结构，在抽油机维修、拆装抽油机时，曲柄可放置在支撑架上，阻止曲柄转动，实现安全制动。曲柄支撑架竖立在机架与底座之间，当抽油机正常运转时，上端支撑杆收缩在圆管轨道内，当需要停止时，通过手柄操作，带动连杆组合运动使得支撑杆伸出圆管轨道，停机后采用电磁刹车点动功能使得曲柄搁置在支撑杆上。此时可摘掉悬点载荷进行作业操作。
四、直驱游梁式抽油机智能控制技术研究
直驱电机为永磁复合电机，其启动需要找准磁极，普通工频是无法启动直驱电机的，需要采用专用变频器来启动直驱电机。永磁复合电机自带的变频柜是采用专用变频器来实现对直驱电机的控制和保护的，调节冲次是采用手动旋转控制柜面板上的调速旋钮来实现的，不能自动调节冲次，且只有过电流保护和变频器故障停机保护功能[3]。
4.1 数据采集方案与信号传输方式
智能控制系统需要采集游梁倾角、示功图参数、三相电流、三相电压、直驱电机转矩、控制柜内温度和直驱电机温度参数。数据采集由倾角传感器、三相电压变送器、三相电流变送器、铂热电阻、专用变频器、控制中心上位机、智能控制器的模拟量输入单元、热电阻输入单元和RJ45接口组成。
4.2尾平衡位置自动调节
抽油机不平衡时会降低电动机使用效率和寿命，缩短抽油机使用寿命，影响抽油机和抽油泵的正常工作。抽油机平衡的判断条件是计算下行电流最大值和上行电流最大值的比值作为抽油机平衡度，抽油机平衡度值应在90%和105%之间。
当抽油机平衡度小于90%时，智能控制器将计算游梁电机移动的方向和位移，通过游梁电机接触器控制游梁电机及尾平衡向里端移动，直到直驱抽油机重新达到平衡为止。当抽油机平衡度大于105%时，智能控制器将计算游梁电机移动的方向和位移，通过游梁电机接触器控制游梁电机及尾平衡向外端移动，直到直驱抽油机重新达到平衡为止。
4.3保护措施
在保证智能控制系统运行的基础上，编制了程序在缺相、过载、失载情况下采取停机保护措施并报警，在抽油机不平衡、三相电流不平衡及温度过高情况下采取报警措施，避免了事故的发生。
五、现场应用
在现场安装直驱游梁式抽油机后，全套系统运行平稳。为进一步校验指标，在试验前后进行试验后系统效率和节能测试单井系统效率后，各项指标均有所提高。
通过每天电量的记录测量对比发现，直驱游梁式抽油机安装前后系统效率增加21.8%，百米吨液单耗降低0.343kW·h/（100m·t），节电率达39.29%，节能效果显著。
六、推广应用前景
该技术采用最新的永磁复合低速大扭矩电机替代皮带减速箱进行游梁式抽油机直驱的技术改造，成为兼顾油田现状、又不乏突破性改进的一款新型抽油机革新技术，可以广泛应用于游梁式抽油机井，尤其适应于低冲次井的采油生产，提效明显。
参考文献：
[1] 方仁杰等.抽油机历史现状与发展趋势分析[J].钻采工艺,2012, (2):60-63.
[2] 罗炜等.抽油机电动机起动及运行特性时步有限元分析[J].中国电机工程学报,2014,34(9):4691-4697.
[3] 冷雪梅，刘华涛.抽油机用高效高起动转矩永磁同步电动机设计[J].电机技术,2007, (3):5-7.