自平衡抽油機平衡調節技術研究

孫鵬程

（中國石化集團公司能源管理與環境保護部，北京 100728）

常規游梁式抽油機以結構簡單、易損件少、耐用、可靠性高、操作簡便、維修方便、維修費用低等特點一直占據有桿泵采油地面裝置的主導地位，在勝利油田兩萬余口抽油機井中，游梁式抽油機占抽油機總數70%以上。但由于智能化程度低、工作效率低且數量龐大，導致游梁式抽油機年耗電量約占油田總能耗的1/3。隨著各大油田進入中、高含水期，電能的高消耗增加了原油的開采成本，抽油機井的優化運行成為油田節能降耗亟待解決的問題。

游梁式抽油機是一個大慣量、變載荷的系統，其平衡度是影響抽油機能耗的關鍵因素之一。一方面目前普遍的人工調平衡需3～4人調2小時以上，工人勞動強度大、操作時間長、降低油井開井時率，平衡度達標率僅60%左右，且抽油機不平衡（平衡度＜80%或平衡度＞120%）運行，電機倒發電、耗能高、機架振幅加大，影響傳動系統壽命；另一方面，利用電流平衡率判斷抽油機平衡度的方法不能保證抽油機的平衡，電流不平衡抽油機也有可能平衡。電流法抽油機平衡測試方法在理論和實際操作上有著很大的缺陷，準確度較差，存在虛假平衡問題。利用這種方法對抽油機平衡度進行改善，效果較差，還可出現抽油機能耗增大的情況。

針對傳統的游梁式抽油機存在人工調平衡困難，平衡度達標率低等問題，中國石油與中國石化分別研究設計了智能自平衡游梁式抽油機，以適應各油田規范化、智能化的管理要求。

1 游梁式抽油機自動調平衡技術現狀

現階段，應用平衡度自動調整技術主要有兩大類型抽油機，分別為尾游梁擺動自平衡抽油機和尾游梁彎矩自平衡抽油機，技術原理及應用現狀分別見表1、2。

大慶油田采用的“抽油機功率隨動控制技術”在現場進行了大量實驗，測試結果顯示平均單井日節電約30kW·h，系統效率平均提高約15百分點，節能效果非常明顯。圖1為優化前后電功率曲線。

勝利油田“四化”建設示范區針對區塊進行了集成配套，開發了油井實時監控、功圖量油、遠程調參等技術。勝利油田石油工程技術研究院自主研發了自平衡抽油機，平衡塊通過絲桿、減速器與固定在曲柄上的異步電機相連，當需要平衡調節時，啟動電機，通過控制電機運行時間控制平衡塊位置。這樣的設計使平衡調整變得方便、容易，不需要多人工現場操作，更加安全，且在調平衡過程中不需要停機，不妨礙油井的正常生產。

表1 尾游梁擺動自平衡抽油機技術原理及應用現狀

表2 尾游梁彎矩自平衡抽油機技術原理及應用現狀

圖1 優化前后功率曲線

通過技術調研，現有游梁機調平衡技術和智能調控技術取得了一定的節能效果，但勝利油田油井負荷大，平衡點的選取是自動調平衡的關鍵。

2 平衡測試技術的研究

2.1 現有平衡度測試技術

由于現場環境和測試條件的限制，傳統平衡度測試技術和計算方法往往基于簡單的運行參數，對精度要求較高以及不同井況的測試環境適應性很差。根據相關標準，目前平衡度測試和計算方法有以下幾種：

1）電流法

電流平衡法中，抽油機平衡度即抽油機下沖程對應的電動機最大輸入電流與抽油機上沖程對應的電動機最大輸入電流之比。

電流平衡法在早期國內各油田游梁抽油機管理中應用最為廣泛，測試耗時短，簡單方便。抽油機下沖程最大電流與上沖程最大電流之比在80%～110%之間，即抽油機平衡；當小于80%時，認為抽油機平衡過輕（即欠平衡）；當大于110%時，認為平衡過重。在實際測試中，一般僅使用電流互感器接在抽油機電機的三相電端，測試記錄電機的電流值，取上、下沖程的最大電流比值作為此時抽油機的平衡度。

在實際工作中，電流法調平衡存在很多問題，比如電機空載時電流就達額定電流的30%～40%，負載增加時，電流變化并不大，而功率因數在變化，所以對于大馬拉小車的抽油機（油田上這種情況很普遍）就算是不平衡從電流上也看不出來。并且電流法所用鉗形電流表無法區分電流方向，當抽油井含有較大負功時容易產生虛假平衡問題（對于不平衡抽油機均存在倒發電現象，即存在負功率問題），所以說，電流平衡抽油機也不一定平衡。

2）功率法

功率法分為最大功率法與平均功率法，最大功率法與電流法類似，這里只介紹平均功率法。平均功率法就是下沖程電動機平均輸出功率與上沖程電動機平均輸出功率之比。

平均功率法的普及依賴于現場測試儀器的發展更新，獲取更多更準確的抽油機參數變得容易，可以較方便地測試出抽油機在一個沖程周期內的功率曲線。與電流平衡法相比，平均功率法有很多優點。首先，平均功率會降低虛假平衡的影響；其次，抽油機調平衡就是調整抽油機配重裝置的質量或位置，使用平均功率法計算出的平衡塊位移量相對準確，調整次數減少。

2.2 平衡度測試技術現場實驗分析

為了分析游梁式抽油機平衡度與節能效果的關系，在油田現場進行了大量的平衡度實驗，以下為部分實驗數據。

第一組測試井的具體參數如表3所示，改變平衡塊位置前后實驗數據如表4所示，測試井初始位置地面示功圖如圖2所示。

第一組數據顯示抽油機運行情況良好，抽油機平衡度在較正常的范圍內調整。由數據可知，第一次調整后日用電量減少3.1%左右，第二次調整后，日用電量減少5.3%左右。電流法計算的平衡度在第一次調整后達到平衡標準要求，第二次調整后反而超出標準范圍。而平均功率法顯示，在第二次調整后平衡度更為合適。

第二組測試井的具體參數如表5所示，改變平衡塊位置前后記錄的實驗數據如表6所示，測試井初始位置地面示功圖如圖3所示。

表3 第一組測試井的具體參數

圖2 第一組測試井地面示功圖

表4 第一組測試井實驗數據

表5 第二組測試井的具體參數

第二組數據中，第一次調整后日用電量減少8.2%左右，第二次調整后，日用電量減少8.6%左右。在此組實驗中，當平衡塊處于原始位置時，功率法平衡度值非常大，是因為抽油機上行時電機做負功較大，平均功率很小。在第一次與第二次調整后，平衡度靠近標準值。電流法計算平衡度比較正確的反映了抽油機平衡度的變化。

第三組測試井的具體參數如表7所示，改變平衡塊位置前后記錄的實驗數據如表8所示，測試井初始位置地面示功圖如圖4所示。

第三組數據中，調整后日用電量減少2.6%左右。此次試驗數據中，平均功率法計算得到的平衡度為負值，距離標準值相差較遠，這是由抽油機自身局限和境況決定。在這種情況下，使用電流法和平均功率法無法使抽油機到達理想的平衡狀態，只能由其變化趨勢判斷抽油機平衡程度是否合理，指導抽油機平衡度調整。

表6 第二組測試井實驗數據

圖3 第二組測試井地面示功圖

圖4 第三組測試井地面示功圖

表7 第三組測試井的具體參數

由以上三組數據可以看出，不同井況條件下，電流平衡法和平均功率平衡法不一定能準確反映抽油機平衡度，具有一定局限性和不確定性。

2.3 基于“最小功率”的平衡調節方法

要使抽油機平衡條件下最節能，歸根結底就是使抽油機的輸入電功率最小?！白钚」β省钡钠胶庹{節方法就是基于這個思想。通過不斷改變抽油機平衡狀態，檢測其在一個沖次內的輸入功率，將其最小時的狀態認定為理想平衡狀態。對于一臺具體的抽油機，通過電參數檢測系統自動檢測記錄其一個完整沖程的平均功率，同時控制平衡塊向一個方向調節特定的步進值。一段特定時間后，待抽油機運行穩定，重復測試，同時繼續調節平衡塊。多次測量與調節后得到抽油機平均功率隨時間變化的曲線圖，如圖5所示，確定曲線上功率最小值點為最佳平衡狀態。

表8 第三組測試井實驗數據

在實際生產應用中，可以結合現場油井狀況，綜合運用功率、電流和基于“最小功率”的平衡調節方法，實現抽油機穩定安全高效運行。

2.4 常規平衡度計算與“最小功率”平衡度調節方法現場試驗對比

針對自平衡抽油機平衡度調節簡單方便的特點，在現場選取一口油井進行試驗，通過改變抽油機曲柄平衡塊位置，對比不同平衡度計算方法的效果，測試抽油機的各項參數如表9所示。

圖5 基于“最小功率”的平衡反饋調節

表9 自平衡抽油機各項參數

1）基于常規平衡度計算的現場試驗

通過測試抽油機平衡塊在不同位置時的電機運行數據，分析不同計算方法計算平衡度的結果，取記錄的平均值做曲線，見圖6、圖7。

由圖6、圖7可以看出，由電流法測出的抽油機平衡度均在90%～100%之間，滿足標準要求，但是由平均功率法計算的平衡度很小，為極度不平衡狀態，兩種計算方法出現了較大的差別，無法確定哪種方法正確。

圖6 電流法平衡度測試結果

圖7 平均功率法平衡度測試結果

從測試數據中提取了平穩運行時兩個沖程的功率曲線，如圖8所示。由圖8可知，該井功率極值出現在上、下死點附近，但是在整個沖程中存在比較大的倒發電功，因此引起了電流法平衡度計算合理，而平均功率法計算不準的情況，也說明對于這類油井，電流法和功率法無法判斷抽油機的平衡狀態，不能為抽油機平衡調節和節能運行提供支持。

圖8 抽油機電機功率曲線

2）基于“最小功率”的平衡度計算現場試驗

為了解決上述問題，使用最小功率法進行了平衡度計算及判別，調整平衡塊在不同位置，記錄的抽油機電功率數據（平衡塊每次移動的距離為10 cm），得到抽油機電機正向和倒發電功率隨平衡塊位置變化趨勢如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10可知，平衡塊在位置6和位置7時，抽油機電機倒發電功率最少，正向有功功率最低，抽油機處相對用電最低狀態。可以看出，在測試井這類井況下，基于“最小功率”的平衡調節方案，可以避免常規平衡度計算方法不一致引起的困擾，能夠對抽油機的平衡調節給出指導建議，有較大的現場實用價值。

圖9 平衡塊不同位置抽油機正向功率

圖10 平衡塊不同位置抽油機倒發電功率

3 結論

通過實驗室和現場測試、分析與改進，針對抽油機平衡度計算得出以下幾點結論：

1）完成了在自平衡抽油機上的平衡度算法評價功能，分析了電流法、平均功率法的適用性，在部分特殊井況下，這兩種方法都存在不適用的問題。

2）使用基于“最小功率”的平衡調節方法進行了現場測試和應用，結果顯示在部分井況下，該方法可以作為平衡度判別的輔助方法。

3）抽油機平衡度測試、計算及調整是一個看似簡單、實則復雜的問題，不同的計算方法都存在著自身的適用范圍，而現行標準中的平衡度合理范圍也需要隨著計算方法的不同而進行修正。因此在今后的工作中，需進一步擴大平衡度測試范圍，對比不同機型、不同平衡度位置時，不同平衡度計算方法的差異，最終得出最適合的平衡度判別方法。