抽油機平衡優化調整技術與應用探究

柳瑩 李延波

摘要：抽油機平衡率作為油井管理中的重要指標。抽油機不平衡不僅浪費電能，降低效率，還大大縮短電機的使用壽命；而且抽油機強烈震動，運轉速率不均，機身傾斜，會造成抽油泵及抽油光桿磨損嚴重，壽命縮減，易出現機械故障，引發安全事故。平衡調整應優先保證減速器扭矩的峰值不超過減速器額定扭矩，在此基礎上盡量使減速器扭矩均方根值最小。

關鍵詞：游梁式抽油機；平衡方式；凈扭矩；均方根；系統效率

油田游梁式抽油機現場平衡標準執行企業標準中抽油機平衡中平衡電流法，平衡計算根據原則：上、下沖程中減速器曲柄的最大凈扭矩相等。而在現場測試過程中發現，電流平衡井耗電并非最低。如根據該標準抽油機平衡中平均功率法，平衡計算根據原則使上、下沖程電動機做功相等，現場測試結果相比電流平衡井耗電低。目前在抽油機管理中通常用于判斷平衡與否的一個標準是平衡率，就是抽油機上行最大電流與下行最大電流之比，認為此值在0.8-1.2之間抽油機就是平衡的。實際上，電流平衡不能保證抽油機一定平衡，電流不平衡的抽油機也有可能是平衡的。本文通過對抽油機平衡率的重要性、平衡的原理與條件，不平衡的原因、不平衡造成的危害、檢查平衡的方法等進行分析，針對不同原因采取不同對策，或加強洗井，或提升油井防蠟效果，或調整平衡重位置等，為實現節能降耗，提質增效奠定堅實基礎。

1游梁式抽油機平衡調整概述

游梁式抽油機的平衡方式是通過調整平衡塊來消減抽油機上下沖程的負載差異，抽油機平衡狀況直接影響抽油機四連桿機構、減速箱和電機的效率與壽命，對抽油機的工作狀況亦影響很大。目前大慶油田廣泛應用電流法調整平衡，當電流平衡比在85 %-100%之間為平衡，但通過現場測試，電流平衡井耗電并非最低，而且現場平衡調整只能定性調整操作。為此開展抽油機平衡調整技術研究，通過理論研究和現場試驗，確定抽油機最佳節能范圍，編制平衡調整程序，定量實施現場平衡調整，提高游梁式抽油機平衡調整管理水平，提高工作效率、系統效率，降低舉升單耗。節能效果的預測：對于負功率明顯的抽油井，由于電動機將電能轉換成平衡塊位能（機械能）的效率一般為70%到80%，平衡塊的位能（機械能）再帶動電機發出電能，效率一般也在70%到80%。這樣電能轉換成機械能再轉換成電能的總效率約為50%到65%。在抽油機光桿功率不變的情況下，通過調整平衡塊位置，減小了電機功率的均方根值，也就是減少了電能與機械能之間的來回轉換，減少了由于能量轉換而產生的能耗，從而節約了電能。在這種情況下調整平衡的節能潛力可按電機功率均方根值減少量的35%到50%估計，粗略可按40%估算。對于沒有明顯負功率的井，節能潛力約為均方根功率減少量的15%到35%，粗略可按25%計算，調平衡節能的精確值需通過實際測試才能決定。

2游梁式抽油機平衡調整技術

2.1電流平衡法

由電流平衡法定義可知，當確定抽油機在上、下沖程過程中電流峰值的比值為某一

值時，可以判斷抽油機的平衡度， 目前現場執行標準為當電流平衡度在0.85-1之間時認為抽油機平衡、工作正常。采用電流平衡法時，當IBF=1時，反映了抽油機電動機在上、下沖程過程中電動機負載峰值相等，或間接反映曲柄軸凈扭矩在上、下沖程過程中峰值扭矩相等。

2.2功率平衡法

功率平衡度PBF表示抽油機在上、下沖程過程中輸出功率之比，標準認為PBF < 0.5時抽油機運行不平衡，應進行平衡調整。功率法與電流法類似，當功率平衡度PBF>1時，抽油機處于過平衡狀態；反之認為抽油機處于欠平衡狀態。當0.85

3抽油機功率平衡調整計算分析

抽油機平衡調整目標有兩個：一是保證抽油機安全運行；二是節能。從保證抽油機安全運行的角度看，調平衡就是要使減速器曲柄軸輸出扭矩最小。由于減速器的扭矩有正有負，僅用平均值不能反映實際負載的變化特性，一般用均方根扭矩來反映減速器的載荷情況。均方根扭矩與平均扭矩TP之比稱為周期載荷系數，它反映了載荷扭矩的波動程度，該比值越接近1說明載荷扭矩越平穩，越大說明載荷扭矩波動得越厲害。均方根扭矩、平均扭矩及周期載荷系數均按曲柄旋轉1周（2n）計算。可以看出，對游梁式抽油機進行平衡的實質目的是使抽油機曲柄軸均方根扭矩最小，同時盡量保證周期載荷系數接近1。從節能的角度看，對于一臺具體的抽油機，機械傳動損耗與電動機的固定損耗是相對不變的，只有電動機的變動損耗與電流平方成正比。要使抽油機最節能，就是要使電動機的變動損耗最小，也就是均方根電流最小。對于一臺具體的電動機，電流的大小取決于其負載扭矩，只有保證電動機的負載扭矩的均方根值最小，才能保證電流的均方根值最小。而電機軸負載扭矩Tz，與曲柄軸扭矩T，成比例關系，從上面的分析可以看出，抽油機平衡的關鍵是對減速器曲柄軸扭矩進行平衡，使得減速器曲柄軸均方根扭矩達到最小，但是另一方面應當滿足抽油機上、下沖程電機做功相等的平衡原則。

對抽油機減速器曲柄扭矩進行平衡計算在理論上相對較易，但在工程中測量曲柄軸扭矩存在實際困難，因此在工程角度通過測量減速器曲柄軸扭矩進行抽油機平衡設計計算不現實。電機在負載條件下在輸入端測量其工作特性曲線相對比較簡單，但是不能直接測量電機軸功率。根據討論分析電機工作特性曲線所建立各種函數關系，可以建立電機軸功率與其他電機特性曲線間的關系，為實現抽油機電機工作特性平衡奠定了基礎。關于功率平衡技術的原理及計算過程如下：如判斷當前抽油機上、下沖程電機平均有功功率不符合功率平衡法條件，則采用反向計算方法，在研究電機工作特性曲線基礎上，實現抽油機功率平衡。<1）測量電機在抽油機上、下沖程過程中有功功率曲線；<2）利用電動機工作特性曲線，確定電機在上、下沖程過程中的電流曲線、有功功率曲線、效率曲線、功率囚數等與電機軸功率間的關系，推到電機軸功率； <3）計算抽油機在當前平衡條件下的曲柄軸凈扭矩；<4）根據抽油機曲柄平衡重的實際測量位置，計算曲柄平衡重裝置峰值轉矩，利用平衡扭矩與光桿負載扭矩平衡疊加原則，計算光桿負載扭矩；<5）通過調整計算平衡重的安裝位置，反向計算，使抽油機平衡滿足功率平衡法要求。

通過以上過程的計算和分析，可實現游梁式曲柄平衡抽油機的精確平衡，使抽油機在安全、節能的狀態下運行。

4 結 論

理論研究表明，在不超扭矩和電機額定功率的前提下，常規機電流平衡率70%時能耗最低，調整區間65%-75%，異相機電流平衡度為95%時能耗最低，調整區間90%一100%.（2）應用電流平衡調整法實現功率平衡調整法的效果，實現平衡量化且單組調整，有效提高工作效率和平衡調整的準確率，同時也可計算抽油機減速箱輸出軸的峰值扭矩。

參考文獻：

[1] 張學魯等，游梁式抽油機平衡調整與系統效率提升研究[M].北京：石油工業出版.2016（07）