抽油機井功率法平衡調整在低滲透油田的應用

劉杰（大慶油田有限責任公司第十采油廠）

據2013年低滲透油田機采能耗設備調查結果可知，全油田在用抽油機井2620臺，其中常規游梁抽油機、低矮及雙驢頭抽油機井等使用傳統電流法平衡調整的抽油機共2512口井，占總井數的95.9%。為了摸清這些抽油機的實際平衡狀況，對試驗區205口井進行了電流和功率平衡監測，試驗區電流平衡率高達98.0% ，而功率平衡率僅有72.7% （圖1）。因此，利用功率法對電流假平衡井進行判斷和調整，對于降低抽油機機采能耗、延長設備使用壽命具有十分重要的意義。

圖1 試驗區205口井電流和功率平衡率對比

1 平衡原理及判斷方法

1.1 平衡原理和目的

抽油機平衡原理是在曲柄或游梁尾部加裝平衡重，在下沖程時把能量存儲起來，在上沖程時利用存儲的能量幫助電動機做功。如果平衡重合適，不僅可使電動機上、下沖程做功相等，并且使曲柄軸扭矩值變化很小，使電動機、減速箱載荷均勻，抽油機運行更加安全平穩，更加節能[1]。

1.2 平衡判斷方法

1.2.1 電流法

根據油田《機采井管理細則》規定，平衡井是指小電流與大電流之比大于或等于85%的抽油井。單井平衡度是用鉗形電流表測出抽油機上、下沖程電流峰值，兩個峰值中的小者與大者的比值，即電流平衡度

當平衡度小于85%，且上行電流小時，平衡過重，平衡塊應向曲柄軸心方向移動；若上行電流大時，平衡過輕，平衡塊應向曲柄末端移動。

1.2.2 功率法

中石油2009-3發布的企業標準Q/S Y 1233—2009《游梁式抽油機平衡及操作規范》中定義功率平衡度為抽油機上、下沖程平均功率之比，以較大值為分母，用小數表示，即功率平衡度

當功率平衡度小于0.5時，可判定抽油機不平衡，需要進行平衡調整。當上下沖程的平均功率有一項為零或負值時，功率平衡度為零。

關于平衡判別方法，《規范》建議優先使用功率法判別。

1.3 電流平衡法的局限性

1）不能保證抽油機能耗最低。評判做功的嚴格量度應當是電功率，即可見電流僅是一個因子，不能完全表征電動機做功的情況，存在平衡的假象。以A 井的功率測試為例（圖2），該井上電流12.87A ，下電流12.94 A ，電流平衡度99.5%，上功率1.83kW ，下功率0kW ，功率平衡度0，從功率曲線上可以明顯看出，電動機下沖程明顯做負功，存在電流假平衡現象。

圖2 A井實測電流和功率曲線對比

2）平衡塊移動量憑經驗判斷，不能一次調整至最佳位置。平衡塊移動量僅憑經驗公式估算誤差較大，易造成反復平衡調整。

2 功率平衡法原理

功率平衡法是對抽油機功率曲線進行傅里葉分解，求出造成不平衡功率，即一階正弦分量，即Pf均方根功率為[2]：

式中：a0為功率函數的直流分量；an為各次諧波的余弦部分幅度；bn為各次諧波的正弦部分幅度；ω 為曲柄角速度；T 為沖程周期。

而曲柄平衡塊是靠重力起作用的，平衡塊平衡功率可表示為Pp=-ω G L sin(ωt)，式中L 為平衡塊重心半徑， G 為平衡塊的總質量，可見調整抽油機平衡塊的位置，只能改變上式中一階正弦分量的大小。因此，當平衡塊的移動量時（值為正時向外移動，反之向內移），正好可抵消不平衡功率，使均方根功率最小，均方根曲柄扭矩最小，此時，載荷扭矩波動最小，抽油機最安全，電動機負載扭矩值最小，抽油機最節能[3]。

3.1 試驗區概況

試驗區塊位于低滲透油田東部，目前生產井336口，抽油機全部為曲柄平衡方式，機型以6型為主，占總井79.8%，在用電動機均為節能電動機，日產液1.97t，日產油1.14 t，含水42.1%，沖程2.11 m，沖速3.2 min-1，泵效18.05%，平衡率99.14%。抽油機井一直采取電流法判斷平衡，且平衡率很高，應用功率法可進一步降低電流假平衡井的耗電量。

3.2 調整實例

B 井機型為CY JY 6-2.5-26H B，電動機LP/CJT-3.5C，日產液1.3t，日產油0.8t，含水36.0%，泵深938.75 m，沖程1.8m，沖速4 min-1，泵效12.26%，上電流14 A ，下電流15 A ，電流平衡度93.3%。

測試抽油機平衡監測儀測試該井功率曲線，鉗形電流表測試上下沖程電流峰值，系統效率測試儀測試系統效率參數，并記錄當前平衡塊數目、質量及安裝位置。

調整前測試上電流14.08A ，下電流14.41 A ，電流平衡度97.7%；上行功率平均值0.63kW ，下行功率平均值1.32kW ，平均功率平衡度0.48，日耗電為82.40kW h（圖3）。

圖3 B井平衡調整前功率曲線

建議曲柄平衡塊全部向內調整0.19 m，移到0.91 m處。

預計電流平衡度為0.94，功率平衡度為0.75，可日節電量3.92kW h左右（圖4）。

圖4 B井平衡調整前和建議方案預測功率曲線

調整前：5 kN×0.68m×2塊，5 kN×1.52m×2塊，平均重心在1.1 m處。

調整后：5 kN×0.68m×2塊，5 kN×1.12m×2塊，平均重心在0.9m處。

選擇外側一組平衡塊，現場由于曲柄狗牙限制，向內移動0.40m。與建議方案平均重心在0.91 m處基本一致。

表1 B井調整前后效果對比

表2 試驗區42口井調整前后效果對比

測試該井功率曲線、電流峰值和系統效率，并記錄日耗電量（圖5）。

圖5 B井調整前后功率對比曲線

調整后上、下沖程峰值電流略降，電流平衡度98.2% ，功率平衡度0.81，功率平衡度提高了0.33，有功功率降低0.27kW ，系統效率提高0.34，日節電6.48kW h，年節電2270 kW h，節電率8.76% （表1）。

3.3 試驗區效果分析

現場應用抽油機平衡監測儀測試205口井，有56口井功率不平衡，經過對單井平衡情況核實后，現場對節電效果明顯的42口井進行了平衡調整，調整后日節電6.4 kW h，節電率8.3%，功率法平衡調整在該區塊的節電潛力為20.5% （表2）。

配備功率平衡監測分析儀一臺，3.57萬元。42口井平均日節約電量6.40kW h，生產時率0.96，電價0.59元/kW h，年節約電費5.56萬元。投入產出比為1∶1.56，當年即可回收投資，年創造經濟效益1.99萬元，如在全油田2512口游梁式抽油機井上推廣，經濟效益可觀。

4 結論

1）抽油機平衡調整目標是最大限度的節能與安全運行，只要使電動機輸入功率的均方根最小，就可達到最佳平衡狀態。

2）功率法平衡調整后，油井相關電能參數均發生了變化，電流曲線及功率曲線峰值減小，有功功率降低，功率平衡度及系統效率提高，抽油機運行更加安全平穩，更加節能。

3）試驗區應用功率法平衡調整可在電流法平衡的基礎上實現日節電6.4 kW h，節電率8.3%，節電潛力20.5%，節能效果顯著。

4）現場應用表明，功率法平衡測試簡單快捷，軟件處理方便，平衡塊移動量計算準確，便于抽油機井的科學管理，應大力推廣該技術。

[1]張曉玲,于海迎.抽油機節能技術概述[J].機械工程師,2006(8):136-137.

[2]顧永強,周靜,李玲,等.改進抽油機井“功率平衡”測試實現節能降耗[J].油氣田環境保護,2009,19(4):45-47.

[3]李金華,華偉棠.游梁式抽油機節能新技術探討[J].石油機械.1999,27(12):42-44.