双塔自平衡式抽油机的设计与研究

摘 要：本文通过对传统的皮带式、游梁式抽油机的创新，针对丛井采油设计出具有高效节能，电气控制的双塔自平衡式抽油机，其传动方式为：智能换向电动机减速箱同步带轮同步带抽油杆往复运动，其中智能换向电动机能实现智能换向，由限位开关防止控制出现失灵。换向由电气控制实现，使抽油机整体结构简单；该抽油机利用对称分布的抽油杆，平衡了自身重量，减少了能耗。

关键词：抽油机；自平衡；双井；电机换向

1.研究背景

传统的抽油机主要有：游梁式抽油机、链条式抽油机、皮带式抽油机等。近年来世界抽油机技术发展，其向着更好的适应性、可靠性、经济性和先进性发展；并且提高了抽油机平衡效果，改善了抽油机的运动特性、动力特性等平衡特性；增大了抽油机的使用范围，强化了抽油机智能化程度。

传统的抽油机的换向多采用机械换向。游梁式抽油机的换向是利用曲柄带动连杆上下往复运动，皮带式抽油机利用单链条连接曲拐和滑车架在框架中上下往复运动实现上下抽油，链条式抽油机通过齿条链轮实现换向。随着机电一体化的发展，将电气控制技术应用于抽油机，直接利用电机实现上下冲程也在实际生产中得以运用。

目前，国内油田采用的抽油机多数是游梁式抽油机，游梁式抽油机―有杆抽油泵个系统的总效率在国内一般地区均只12%～23%，先进地区至今也小到30%美国的常规型抽油机系统效率较高，但也仅有46%系统效率低下，能耗大，耗电就多。

本文设计出一种双塔自平衡式抽油机。利用丛式井抽油机利用两口油井距离近的特点，用一台抽油机同时抽油，采用双井平衡方式，利用调节两口油井下泵深度、抽油杆组合和抽油泵直径大小，使两口油井的载荷相互平衡，可取得更精确的平衡和节能效果，具有更好的经济效益。不再利用传统机械式的上下冲程换向，而是采用现在已在胜利油田、大港油田、大庆油田、新疆油田已实用的智能换向电动机，通过其正反转即能实现双侧抽油杆同时作业，实现了传统的抽油机自动化与智能化的改进与发展。

2.结构与工作原理

2.1结构简介

通过两塔架1中间放置电动机2经减速箱3输出动力到同步带轮6，利用同步带轮带动同步带8运动，而同步带两侧连接两个抽油杆4，即可实现两口油井抽油杆自平衡运行，代替了传统皮带式抽油机的平衡块，实现一个上下冲程能满足两口井同时完成一次作业。

而在运行过程中，采用开关磁阻调速电动机拖动，由可编程控制器进行准确的位置控制。保证了实现了两侧的抽油杆的上下往复抽油作业。

图2.1 双塔自平衡式抽油机结构图

1-传动塔架 2-智能换向电机 3-减速箱 4-抽油杆 5-天轮 6-同步带轮 7-底轮

2.2 传动皮带（同步带）设计

如图2.2所示电机通过减速箱减得到轴的低速转动，从而带动同步带轮的转动。利用主动同步带轮轴、两个塔架底部同步带轮轴的垂直高度不一致，其中心形成一个等腰三角形，在此基础上将双面同步带轮绕过主动同步带轮轴顶部，再从下侧绕过底部的两同步带轮，从而实现了同步带轮的张紧，能始终保持与带轮的啮合。

图2.2 同步带及同步带轮位置设计

2.3 换向实现

双塔自平衡式抽油机采用双换向方式，保证精准换向。采用开关磁阻调速电动机拖动，由可编程控制器进行准确的位置控制。为了防止控制上偏差以及突发失灵的发生，同时还在在同步带上，根据抽油机冲程设置拨针，从而实现在同步带的极限位置拨动限位开关，电气控制调速电机反向运转，从而实现了换向的目的。

图2.3 动力输出

1-同步带轮 2-动力输出轴及齿轮

2.4刹车的实现

在底部两个导轮1处同样设置同步带轮2，在需要临时停止运行时，通过设置的刹车装置2实现及时刹车。刹车装置如图2.4示，类似于普通的汽车的刹车片工作原理一样，即内圈抱紧同步带轮，实现在第一时间制动。

图2.4 底轮传动及刹车

1-底轮耳板 2-同步带轮 3-刹车装置

3.分析与讨论

3.1节能分析

常规抽油机所用的电动机为鼠笼电动机，电动机在启动时电流为额定电流的6-7倍。而电动机换向智能抽油机的电动机为先进的开关磁阻电动机，功率因数近似为1，电动机启动电流小。

电动机换向智能抽油机机械传动线路短，从电动机联轴器至一级减速器联轴器工作机构的机械传动效率在80%以上。而常规抽油机机械传动线路长，机械传动效率低，仅在40%左右，该抽油机比常规抽油机机械传动效率提高1倍。

双塔自平衡式抽油机巧妙运用抽油杆重力自平衡，实现扭矩平衡，能实现丛井同时业，将传统的配重块设置为另一个对称分布的抽油杆，减少了能源的损耗。

3.2智能换向分析

传统的游梁式抽油机、链条式抽油机、皮带式抽油机其换向均为机械换向，通过设置曲柄、链节带动导向实现换向。双塔自平衡式抽油机将其从机械换向方式转换为现代油田中新兴的电机换向方式，随着电动机技术的发展，传统的伺服电机、调速电机等不再仅仅局限于高速轻载的领域中，例如包装机械、电子机械、印刷机械，逐渐应用于石油领域中低速重载的场合。该类电机如加上微控制器单片机，通过编程即可实现本地或者异地控制电机的运转，监视实时运行的转速、扭矩、电压、电流等情况，实现自动化控制管理。

刹车系统能实现抽油机立即停转，防止惯性继续运转。

四、结论

目前我国很多油田为了提高产量往往打了很多密井；一些新发现的大油田打了很多丛式井；海洋平台上也有近距离油井。这些密井使得高效、节能环保的双井抽油机有了用武之地。双塔自平衡式抽油机，电机智能换向结构简单，抽油效率高，节能明显。其传动设计突破了传统抽油机的机械传动的方式，使抽油机整体结构简单。双塔自平衡式抽油机还可以适用于丛式井、密井、海洋平台油井的开采。

参考文献：

[1]孙庆红，温泽民，王善政等.电动机换向智能抽油机应用与分析[J].石油机械，2002，30（5）：31-33.DOI：10.3969/j.issn.1001-4578.2002.05.011.

[2]任志刚.油田抽油机发展现状及发展趋势[J].中国化工贸易，2014，（17）：123-123，125.DOI：10.3969/j.issn.1674-5167.2014.17.108.

[3]袁新安，尹宇，崔学政等.宽带式长冲程双井抽油机方案设计[J].科教文汇，2012，（21）：89.

[4]金钟辉，彭勇，费凡等.数字化抽油机技术现状和发展趋势[J].石油机械，2014，42（12）：65-68.DOI：10.3969/j.issn.1001-4578.2014.12.015.