應用變頻控制裝置對抽油機井平衡度測試分析

李波 （大慶油田有限責任公司技術監督中心）

游梁式抽油機井的平衡調節是設備節能管理的重要內容[1]，直接關系到抽油機的運行效率，對系統能耗影響較大[2]。在實際生產中，隨著開采過程的不斷進行，井況的改變會導致抽油機井的不平衡，增大系統的能量損失，降低電動機效率，影響抽油機井的壽命和系統效率[3]。近年來，具有調參方便、軟啟動且節能效果較好的變頻控制抽油機井逐年增加[4]，但在生產管理與節能監測過程中對于變頻控制抽油機井平衡度的測試方法還存在差異，如何準確判斷變頻控制抽油機井平衡狀況，是機采井節能降耗的重點之一。

1 平衡度測試評價方法

目前游梁式抽油機井平衡度測試評價標準見表1。便于現場操作的平衡度測試方法主要分為電流法、最大功率法，各標準對于平衡度的指標要求也略有不同。

表1 平衡度測試評價標準Tab.1 Balance test evaluation criteria

2 測試分析

2.1 生產井試驗數據

通過應用變頻器測試生產井平衡度，得到如下結果：變頻器進線端和出線端平衡度數值差距較大。生產井平衡度測試數據見表2，外圍5 口油井平均沖次為2.4 次/min，運行頻率較低，相對平緩，平衡度差值較小，變頻器進、出端平衡度最大差值為8% ； 中區測試5 口油井平均沖次為4.0 次/min，平衡度最大差值為26%。部分油井變頻器進、出端電流平衡度測試結果差距較大，影響了抽油機井平衡狀況的判斷，因此，需對應用變頻控制裝置的抽油機井的平衡度現場測試方法進一步研究。

表2 生產井平衡度測試數據Tab.2 Production well balance test data

2.2 儀器同步對比試驗數據

為了反映變頻抽油機井平衡度測試方法的準確性，在標準井裝置（水力模擬試驗井） 進行了試驗，對比了五種在線及現場測試儀器，包括生產單位使用的鉗形電流表（F407：精度1.0 級，具備功率測試功能；MS2198JZ：精度1.0 級，不具備功率測試功能；FB-DM6266：精度1.0 級，不具備功率測試功能）、節能監測使用的鉗式功率計（日制3169：精度0.5 級，具備功率及功率曲線測試功能）及實驗室的在線功率分析儀（日制3390：精度0.1 級，具備功率及功率曲線測試功能；FLUKE NORMA5000：精度0.1 級，具備功率及功率曲線測試功能）。試驗對油井的電流及功率參數進行了同步測量，以輸入端電流平衡為調節基準，以能耗最低為原則，在30 Hz 頻率下對抽油機井的過、平、欠平衡工況進行了測試。標準井抽油機型號為CYJ10-53HB，該機型采用復合平衡方式，試驗平衡采用下偏杠鈴調整，電動機型號為Y280S-8，電動機額定功率37 kW，采用伺服控制配電箱進行頻率調節。

儀器同步測試結果對比見表3，分析可知：①部分鉗形表只能測試電流，個別鉗形表存在一定誤差，測試的電流和平衡度數值與其他儀器測試結果相差較大，因此鉗形表使用前要進行檢定，且最好與具有功率測試功能的儀表進行比對；②在線儀表及功率分析儀可以測試最大功率、平均功率、電流及功率曲線，測量結果更加直觀；③平衡狀態下，變頻器輸入、輸出端各儀表電流測試數據及平衡度計算數值差別較小；④欠平衡和過平衡狀態下，變頻器輸入、輸出端平衡度數值差別較大。

表3 儀器同步測試結果對比Tab.3 Comparison of instrument synchronization test results

2.3 標準井變頻試驗數據對比

標準井平衡度及能耗測試對比（30 Hz，定頻）見表4，可以看出：①欠平衡狀態下輸入端電流平衡度61.9%，功率平衡度60.8%，未在標準規定的平衡范圍內（80%≤L≤110%，以下同），變頻器輸出端電流及功率平衡度計算值分別為89.6%和82.2%，均在標準規定范圍內，但能耗相比平衡狀態稍大，平衡狀態下耗電量（輸入電量）最小，過平衡能耗明顯增大且輸出端電流平衡度數值與其他三組平衡度數據差別較大，因此，變頻狀態下，根據能耗最低原則，平衡度應在變頻器進線端進行測試；②標準規定的平衡狀態下由變頻器輸入、輸出端最大電流及最大功率計算的平衡度數值非常接近；③變頻器輸入端電流、功率平衡度數值接近，欠平衡狀態下變頻器輸出端電流、功率平衡度和過平衡狀態下電流平衡度相比變頻器輸入端電流、功率平衡度數值差值較大，由此可知用輸出端電流最大值測試平衡度不能準確反映油井平衡狀態。

表4 標準井平衡度及能耗測試對比Tab.4 Comparison of standard well balance and energy consumption test

通過功率分析儀（FLUKE NORMA5000）在定頻30 Hz 同步測試變頻器輸入及輸出端，測試電流、功率及轉矩曲線（三周期），見圖1～圖3。測試分欠平衡、平衡、過平衡三種狀態。

圖1 30 Hz 欠平衡狀態下抽油機井電流、轉矩、功率曲線Fig.1 Current， torque and power curve of pumping well under 30 Hz under-balanced state

圖2 30 Hz 平衡狀態下抽油機井電流、轉矩、功率曲線Fig.2 Current， torque and power curve of pumping well under 30 Hz balanced state

圖3 30 Hz 過平衡狀態下抽油機井電流、轉矩、功率曲線Fig.3 Current， torque and power curve of pumping unit well under 30 Hz over-balance state

從圖中可以看出：①一個周期內電流和功率曲線都會產生兩個波峰，平衡工況下變頻器輸入、輸出端采用電流法和功率法平衡度測量結果基本一致，欠平衡和過平衡不同測點及方法得出的平衡度結果差別較大；②輸入功率曲線永遠在輸出功率曲線上方，因為變頻器是一個能量傳輸器件，效率在97%左右[10]；③輸入電流遠小于輸出電流，原因是變頻器采用無功補償，提高了變頻器輸入端功率因數，降低了無功功率[11]；④計算中由于變頻器輸出端存在負功，因此在輸出端使用平均功率法進行平衡度計算時，平均功率的選取值得商榷；⑤應用變頻控制裝置后，變頻器輸入端電流和功率曲線都有為0 的時間段，原因為變頻器對產生的反發電使用熱電阻消耗掉了[12]，應探討減少負功的平衡調節方法。

3 結論

1） 對于變頻運行抽油機井進行平衡度測試時，應在變頻進線端進行測試，采用電流和最大功率法均可，抽油機在標準規定的平衡狀態下運行相對節能。

2） 現場僅有電流表的情況下，可采用輸入、輸出端相結合的測試方法，變頻器輸入、輸出端最大電流平衡度測試結果接近且在標準規定的平衡范圍內，可視為抽油機井平衡，數值差別較大可采用功率法進一步測量以便及時調整平衡度，降低油井運行能耗。

3）對于變頻條件下的抽油機調平衡度測試推薦采用具有測試功率曲線功能的儀器，判斷更為直觀，且能觀察到反發電產生的時長和大小，通過觀察電流或功率曲線的峰值能夠比較準確地判斷油井平衡情況。