數字感知平衡節能系統在解決抽油機不平衡問題上的應用

李博（大慶油田技術監督中心）

抽油機的平衡是保正抽油機井安全、可靠、長壽命運行的基礎，也是抽油機井節能的重要措施，一直受到國內外抽油機研究、制造和油田生產管理部門的重視[1]。抽油機平衡狀態的好壞，直接影響減速器和電動機的負荷大小和使用壽命以及整機運轉的平穩性[2]。因此，抽油機平衡的調整應先根據油井井況和抽油機工況，初步估算配重塊的組合，以免出現嚴重不平窗現象。抽油機投產后，應根據抽油機電流情況及時調整平衡，以保證抽油機在最佳狀態下工作。

1 抽油機井平衡度調整

1.1 抽油機井平衡與反發電現象

游梁式抽油機是將電動機高速旋轉運動轉化為驢頭拉動抽油桿上下往復直線擺動實現采油，抽油桿向上運動負載重，向下運行負載較輕[3]。抽油機的曲柄平衡塊主要是為了平衡抽油機上下負載平衡，降低電動機裝機功率，通過調節平衡塊可平衡上下沖程的最大載荷，但在該過程中會產生大量的負功，即抽油機產生反發電情況。如圖1所示抽油機工頻運行狀況下2個周期都會產生負功。

圖1 抽油機運行功率消耗曲線

抽油機負功產生的主要原因是平衡塊釋放儲能帶動抽油機運動超過了電動機的同步轉速，該過程不僅不消耗電網的能量，還會產生發電現象。

1.2 抽油機井平衡與能耗關系

在某標準試驗井上進行實驗，在平衡度60%、90%、110%、120%時，模擬了輸出軸凈扭矩曲線。如圖2所示，在平衡狀態下，電動機有功功率變化較??；在不平衡狀態下，抽油機能耗增加。

圖2 扭矩曲線

對該井進行了平衡度調整測試，如圖3 所示，現場實測有功功率變化趨勢與理論計算值趨勢基本一致。

圖3 抽油機有功功率與平衡度關系曲線曲線

1.3 抽油機調平衡方式

抽油機在運行時，由于上、下沖程中懸點載荷并不均衡，滿足上沖程載荷的電動機，在下沖程中將做負功，從而造成抽油機在上下沖程中受力極不平衡，這將嚴重降低電動機的效率和壽命，使抽油機發生劇烈振動，破壞曲柄旋轉速度的均勻性，惡化抽油桿和泵的工作條件[4]。因此，抽油機必須采用平衡裝置。要使抽油機平衡運轉，就應使電動機在上、下沖程中都做正功并且做功相等[5]。簡單的方法是在抽油機游梁后臂上加一重物，在上沖程時，則讓重物儲存的能量釋放出來幫助電動機做功；在下沖程中讓抽油桿自重和電動機一起對重物做功[6]。

目前常用的平衡方式有機械平衡和氣動平衡。其中機械平衡方式是以增加配重塊的重力勢能來儲存能量，在上沖程中配重塊幫助電動機做功。機械平衡有以下三種方式[7]：

1）游梁平衡：在游梁尾部加平衡配重，適用于小型抽油機。

2）曲柄平衡：平衡配重加在曲柄上，這種平衡方式便于調節平衡，并且可避免在游梁上造成過大的慣性力，適用于大型抽油機。

3）復合平衡：在游梁尾部和曲柄上都加平衡配重，多用于中型抽油機。

2 數字感知平衡節能系統應用

國內現使用抽油機尾部配重為固定設計，平衡率小于0.85 或大于1.15 的油井占比在70%以上（平衡率趨于1為最理想狀況），部分抽油機因尾部配重偏差過大已無法調節平衡[8]?，F有抽油機設備均不同程度存在平衡率過低導致的運行平穩性較差，電能有效利用率偏低，需要依靠人工定期現場檢測反復停機調整平衡，調整結果不精確，無法實現隨井況變化動調節平衡，致使浪費大量人力物力，嚴重影響抽油機工作效率及節能方式的改進[9]。因此，改善抽油機的尾擺平衡，進一步提升抽油機系統效率成為油田節能增效的重要方面。

2.1 數字感知平衡節能系統原理

平衡調節是數字感知平衡節能系統設計的力學理論基礎，電能平衡補償是其設計的電學基礎。通過對油井生產參數的實時采取和分析，采用改變抽油機配重力臂的方法，配合多種力學結構進行遠程智能調整配重。根據力矩平衡的原理，采用改變力臂的方法，使尾部配重移動，進而改變其力矩，再結合電能平衡補償系統的實時輸出優化，通過“力”與“電”的智能融合——智能物聯，可實現遠程異地在線監控每臺采油設備的運行狀況，達到自動檢測、智能控制，使整個采油過程達到系統平衡的前提下實現最低能耗[10]。同時，固定點啟停，實現剎車功能，解決了無人值守啟停井的安全問題。

2.2 數字感知平衡節能系統現場應用

2.2.1 節能效果

在某油田對5臺平衡度不合格抽油機井應用數字感知平衡節能系統后，進行了現場節能效果測試，通過對其安裝前后進行現場比對測試，5 臺抽油機井應用數字感知平衡節能系統后，平均有功節電率為10.15%，無功節電率為15.95%，綜合節電率為10.46%，系統效率平均提高了5.62%，平衡度得到有效改善，取得了較好的節能效果，并有效提高了抽油機井的系統效率，數字感知平衡節能系統應用節能效果見表1。

表1 數字感知平衡節能系統應用節能效果

2.2.2 數字化油田應用效果

1）通過對抽油機的智能平衡調節，對機采供電電網的多維度管理節能理：自動檢視系統檢視電網的運行情況，并與系統相關硬件和軟件進行匹配以達到最佳使用節能效果，發揮功率互換補償系統、能量計量系統、智能分析系統、專家系統的科學管理與應用。

2）實現實時自動調節，擺錘在無動力狀態下自由擺動，對電流、電壓、正有功、負有功、電能的實時監測、測量與記錄，解決了涌流、雜波、電網反向充電等問題。

3）自主研發了多個分析、管理、監測、控制軟件與程序。實現了對游梁式抽油機的遠程智能自動平衡調節。

4）同時通過數據管理，程序分析自動實現油井的間抽、剎車；實現間抽由人工向自動控制，遠程控制，智能間抽的轉變，最終實現油井的智能遠近程管理與控制。把油井生產參數數字化，利用數據管理系統分析數據，故障診斷，科學管理，遠程智能控制，指導生產及實現生產自動化。

3 結論

數字感知平衡節能系統解決了抽油機尾擺平衡的問題，同時實現間拍時的剎車，為油田安全生產提供了保障，由人工操作向自動控制，遠程控制，智能間抽的轉變。數據采集由人工采集、統計轉變為準確的實時遠程智能采集、統計、分析，排除了人為因素造成的失誤，全面提升管理的有效性，工作的精確度，節約人力、物力，實現更加準確有效的管理，整體效益顯著提高。