抽油機平衡度測試點的研究

艾秋順 馬燕 丁國華 楊振華 郭亮 楊利燕

（吐哈油田分公司技術監測中心節能監測站）

抽油機平衡度測試點的研究

艾秋順1馬燕2丁國華2楊振華2郭亮2楊利燕2

（吐哈油田分公司技術監測中心節能監測站）

研究測試抽油機平衡度準確測試點，運用對比平衡度計算方法，結合現場測試的實際情況，分析測試點位置。通過分析，發現用輸出端的電流能提高平衡度的合格率，但不能真實反映抽油機的曲柄功率。為了提高數據精確性，測試點選擇在輸入端。選擇數據精確性高的測試點，有利于對抽油機能耗狀況進行改進，從而使采油廠發現問題，并針對問題運用有效手段降低能耗，提高節電率。

抽油機；平衡度；測試點

1 抽油機工作原理和節能監測標準、指標

1.1 抽油機采油系統的工作原理

抽油機工作時，電動機通過皮帶和減速器帶動曲柄作圓周運動，曲柄通過連桿帶動四連桿機構的游梁，以支架上的軸承為支點做上下擺動，通過驢頭把游梁前端的往復擺動轉變為懸點的上下往復運動，懸點帶動抽油桿柱、抽油泵柱塞做上下往復直線運動，實現機械采油[1]。

1.2 節能監測標準、指標

根據《GB/T 31453—2015油田生產系統節能監測規范》中抽油機井監測項目與指標要求，抽油機節能監測運行是否節能主要考核三個指標：功率因數，表示交流電源的利用率，定義為有用功率P和視在功率S之比值，即PF=P/S；平衡度，上下沖程電流最大值的比值或者上下沖程功率最大比值；系統效率，即有效功率與輸入功率的比值。本文就評價指標第二項，平衡度進行具體探討，旨在通過平衡度測試點位置的研究，獲得精確計算參數，從而進行更好的節能評價（表1）。

表1 抽油機井監測項目與指標要求

2 平衡度概念

2.1 基本原理

抽油機的平衡運行狀態是指電動機在上、下沖程中都做正功且相等。下沖程時把抽油桿柱下落釋放出的能量和電動機輸出的能量一起儲存在平衡系統中，到上沖程時原平衡系統中儲存的能量與電動輸出的能量一起對抽油機懸點做功。

2.2 不平衡的原因及后果

抽油機在運行過程中之所以不平衡，是因為上、下沖程中懸點載荷不同，造成電動機在上、下沖程中所做的功不相等。

抽油機在運行過程中不平衡，上沖程中懸點載荷承受著最大載荷，電動機必須做很大功才能使驢頭上行；而下沖程中，抽油桿在其自重下克服浮力下行，這時電動機不僅不需要對外做功，反而受外來的能量做負功，導致上沖程中電動機承受著極大的負荷，下沖程中抽油機帶著電動機運轉，造成功率浪費，降低電動機的效率和壽命；由于負荷極不均勻，會使抽油機發生激烈振動，從而影響抽油裝置的壽命；破壞曲柄旋轉速度的均勻性，影響抽油桿和泵正常工作[2]。

2.3 研究平衡度意義

國家發布的《油田生產系統節能監測規范》監測項目中提到平衡度，同時也對其指標作出明確要求。隨著油田勘探開發需要，油井開采的條件越來越惡劣，對節能減排的要求也越來越高。油田使用的抽油機在最大沖程、最大額定載荷、最大減速器額定扭矩下，抽油機的平衡度要滿足要求。

3 從平衡度計算方法分析測試點位置的選擇

3.1 平衡度計算方法

常見的兩種方法為功率法、電流法。

3.1.1 功率法

是指抽油機下沖程電動機平均功率與上沖程電動機平均功率之比，其公式為

3.1.2 電流法

是指抽油機下沖程最大電流與上沖程最大電流之比，其公式為

3.2 平衡度兩種計算方法比較

3.2.1 平衡度計算方法分析

平衡度的反映參數是抽油機曲柄功率P曲，電動機輸出功率和曲柄功率的關系式如下：

式中：P機,出——電動機輸出功率；

P損——傳動帶和減速器的摩擦損耗功率。

電動機輸入功率與曲柄功率的關系式如下：

式中：P機,入——電動機輸入功率；

P機,損——電動機內部損耗功率。

電動機輸入功率P機,入與電動機輸入電流I和電壓U的關系式如下：

平衡度計算公式為

由于抽油機的曲柄功率P曲無法直接測試出來，同時由于傳動帶和減速器的摩擦損耗功率P損和電動機內部損耗功率P機,損相對曲柄功率P曲很小，且是個恒定值；因此，平衡度公式可近似為

抽油機在運動時，電壓基本恒定，則公式（6）可進一步簡化為

電動機電流分為兩部分，有功電流和無功電流，即

則公式（7）可改為

1臺抽油機其無功功率一般是恒定不變，當功率因數較高時，即IQ很小，則公式（8）為

通過公式（9）可以看出，計算平衡度有兩種方法，功率法和電流法。

3.2.2 平衡度兩種計算方法比較及選擇

通過分析平衡度計算方法的過程，了解平衡度兩種計算方法的來源，也掌握其中忽略的一些因素。在測試時如何選取計算方法，應遵行的原則如下：

1）當功率因數很低即IQ值很大時，不可忽略，采用電流法時，誤差很大，應采用功率法；

2）由于輸入功率相對電流來說，數值很小，測試時隨機誤差大，在能使用電流法計算時，不宜采取功率法，即當功率因數很大時，應采用電流法。

3.3 測試點位置的選擇

測試平衡度時，使用電流法計算，在有補償裝置時，應考慮測試點的位置。下面就針對帶有補償裝置平衡度測試點位置的選擇做出分析。

3.3.1 從計算方法分析

在使用電流法計算平衡度時，運用變頻器輸出端參數計算與應用輸入端參數計算時的結果存在較大差異，尤其是在抽油機平衡情況不好時更加嚴重。造成這種現象的原因是因為常用變頻器的逆變單元使用的是電壓型逆變器，并使用PWM控制方式，這樣變頻器的輸出電壓為PWM波，而電流基本為正弦波，再加上無功補償；所以，即使在很不平衡的情況下，變頻器輸出端電流在上、下沖程中的最大電流相差不大，也會造成平衡度計算的不準確[3]。

3.3.2 從現場抽油機運行狀態分析

目前油田抽油機運行狀態分為帶無功補償和不帶無功補償兩種。在現場測試參數的比對計算中可以發現，無論是否帶有無功補償，測試點位置都應選擇在電流輸入端。理由如下：在不帶無功補償的情況下，現場測試采集參數后，直接用公式L=I1max下/I1max上即可，此時測量計算的平衡度，無論輸入端或者輸出端，數據都相同。若帶有無功補償，電流關系為I入=I出-Io，其中Io為補償電流，加入補償裝置后，Io為定值。通過測試補償前后的電流計算平衡度，其公式如下：

由公式（10）和（11）可知，在輸出端測量計算平衡度得到的值高于輸入端測量計算得到的值，數值越高，讀取數據準確偏高；同時在I入max下和I入max上的差值一定情況下，用輸出端的電流能提高平衡度的合格率。但輸出端電流是在輸入端電流基礎上增加了補償電流，是無功功率帶入的電流，因此在輸出端的功率因數很低，用輸出端電流計算平衡度不能真實反映抽油機的曲柄功率。為了得到更準確的數據和節能評價的客觀性，應選擇在輸入端測量計算。

4 結論

通過對抽油機采油原理、節能評價指標、抽油機平衡度原理、計算方法分析和測試方法等內容的論述，精確測試點位置來更準確取得測試和所需計算參數，這對抽油機是否節能評價更為準確，對抽油機節能運行提出更好建議，能否提高效率具有一定的幫助。

目前油田為提高抽油機運行效率，使抽油機在節能狀態下運行，普遍使用了變頻技術和加入電容器。它是維持電網穩定、經濟運行的重要技術手段。

從在輸出端測試計算參數，到在輸入端測試計算參數，把目標落在切實為油田節能降耗生產的實處。更準確的參數計算，有利于分析出抽油機是否節能，為抽油機節能評價提供更可靠的依據。

[1]聶勝.淺談變頻器在油田機采中的應用[J].硅谷，2011（6）：155.

[2]穆劍.油氣田節能[M].北京：石油工業出版社，2015：5.

[3]李煒，范路，齊光峰，等.變頻器對抽油機平衡度測試的影響[J].節能，2012（3）：57-59.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.003

2016-10-09

（編輯 李珊梅）

艾秋順，工程師，2006年畢業于大慶石油學院（電氣工程及其自動化專業），從事節能監測工作，E-mail：guala1982@ 163.com，地址：新疆維吾爾自治區吐魯番地區鄯善縣火車站鎮吐哈油田分公司技術監測中心節能監測站，838202。