關(guān)宏業(yè)（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

目前在葡萄花油田上的抽油機(jī)管理中，用于判斷平衡與否的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是電流平衡率，即抽油機(jī)下行最大電流與上行最大電流之比，此值在0.85～1 之間平衡，但這種方法存在一定的局限性：虛假平衡，電流分不出正負(fù)，發(fā)電與用電都產(chǎn)生電流，一些嚴(yán)重不平衡的井在發(fā)電時(shí)產(chǎn)生一個(gè)很大的電流，但從電流上看抽油機(jī)井還相當(dāng)平衡；不能真實(shí)反應(yīng)抽油機(jī)平衡，對(duì)于功率因數(shù)較低的抽油機(jī)井，電動(dòng)機(jī)電流相對(duì)于抽油機(jī)的載荷變化幅度較小，電流峰值變化并不大，無(wú)法真實(shí)反應(yīng)抽油機(jī)的平衡比。抽油機(jī)井運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡，可能導(dǎo)致抽油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中耗電量增多、各部件受力不勻、減速箱磨損加快，減少抽油機(jī)各設(shè)備的使用壽命。功率法綜合考慮了瞬時(shí)電流、電壓、功率因數(shù)的影響，能夠判斷電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電還是用電狀態(tài)，從而真實(shí)地反應(yīng)抽油機(jī)的平衡狀況，克服了電流法存在的虛假平衡問(wèn)題；可精確地計(jì)算出平衡塊的調(diào)整方向與距離，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間。

1 功率法調(diào)平衡原理

功率法調(diào)平衡技術(shù)以抽油機(jī)最節(jié)能和最安全為目標(biāo)。對(duì)抽油機(jī)功率曲線進(jìn)行傅立葉分解，通過(guò)調(diào)整平衡塊位置，改變一階正弦分量的大小，計(jì)算出最佳調(diào)整位置，使之正好抵消不平衡功率，使均方根功率最小，即均方根扭矩最小，抽油機(jī)最安全，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量最低[1-2]。

抽油機(jī)的功率曲線是一個(gè)隨沖程周期為周期的連續(xù)函數(shù)。由數(shù)學(xué)分析可知，每一個(gè)周期性的非正弦量，只要滿足狄利斯利條件，就可以分解成一系列的三角級(jí)數(shù)。抽油機(jī)的功率曲線函數(shù)能滿足狄利斯利條件，所以可以展開成收斂的三角級(jí)數(shù)——傅立葉級(jí)數(shù)。

式中：

P(t)——有功功率，kW；

a0——平均功率，kW；

an——功率曲線各次諧波的正弦部分幅度，kW；

bn——功率曲線各次諧波的余弦部分幅度，kW；

n——離散變量；

ω——曲柄角速度，rad/s；

t——時(shí)間，s；

n（下標(biāo)）——諧波次數(shù)。

按均方根功率的定義，再考慮到三角函數(shù)的正交特性，均方根功率Pf可以按式(2)計(jì)算。

式中：

Pf——電動(dòng)機(jī)功率均方根值，kW；

T ——沖程周期，s。

抽油機(jī)曲柄平衡塊是靠重力起作用的，如果從平衡塊重心位于曲柄軸的最上方（12 點(diǎn)鐘位置）開始，平衡塊的平衡功率PP可表示成式（3）。

式中：

PP——平衡功率，kW；

G ——平衡塊的總重力，kN；

L——平衡塊重心半徑，m。

對(duì)照式（2）和式（3），PP只對(duì)應(yīng)于功率曲線的一階正弦分量b1，調(diào)整抽油機(jī)平衡塊的位置，只能改變式（2）中一階正弦分量的大小。要使均方根功率最小，就只能使式（2）的一階正弦分量b1為零。調(diào)整平衡塊的重心位置，使PP增加或減小，ΔPP增加或減少的量與當(dāng)前b1的大小相等，符號(hào)相反，就可以消除式（2）中的一階正弦分量b1。由此可以得到式（4），進(jìn)而推出平衡塊調(diào)整量的計(jì)算公式（5）。

式中：

b1——一階正弦分量，kW。

2 功率法調(diào)整方法

使用功率儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試一個(gè)沖程內(nèi)功率曲線，自動(dòng)判斷抽油機(jī)功率平衡比。在平衡塊位置計(jì)算界面中直接輸入平衡塊質(zhì)量，調(diào)整平衡塊移動(dòng)距離至平衡矩計(jì)算結(jié)果和功率法值相同即平衡塊最佳移動(dòng)位置。

2.1 功率法平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)

◇功率平衡比為抽油機(jī)上下沖程功率峰值之比，以較大值為分母[3]；

◇上下沖程的峰值功率有一項(xiàng)為零或負(fù)值時(shí)，功率平衡比為零；

◇功率平衡比小于0.5 時(shí)可判定抽油機(jī)不平衡。

2.2 功率平衡比現(xiàn)狀

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試285 口井，通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，可分為以下4 種情況：電流法平衡同時(shí)功率法也平衡，該類井共138 口，占測(cè)試井?dāng)?shù)的48.4%；電流法平衡但功率法不平衡，該類井共28 口，占測(cè)試井?dāng)?shù)的9.8%；電流法不平衡但功率法平衡，該類井共62 口，占測(cè)試井?dāng)?shù)的21.4%；電流法不平衡，同時(shí)功率法也不平衡，該類井共57 口，占測(cè)試井?dāng)?shù)的20.4%。對(duì)功率不平衡井實(shí)施功率法調(diào)整。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)典型井分析

3.1 功率不平衡，電流平衡

部分供液不足井或氣影響井，下沖程過(guò)程液柱載荷卸載困難，導(dǎo)致下沖程電動(dòng)機(jī)做負(fù)功，電流法出現(xiàn)虛假平衡[4]。

以A 井為例，調(diào)平衡前電流平衡率為98.78%，電流法判定該井處于平衡狀態(tài)；功率平衡率為0，功率法判定該井處于不平衡狀態(tài)。不平衡扭矩為70.75 N·m，負(fù)功含量為10.14%，該井下沖程過(guò)程中電動(dòng)機(jī)倒發(fā)電，存在虛假平衡。同時(shí)使用能耗測(cè)試儀測(cè)試該井有功功率為2.192 kW，日耗電量52.608 kWh。

依據(jù)功率法調(diào)整意見（表1），將平衡塊一、三全部向外移動(dòng)25 cm。

表1 A 井調(diào)整意見

功率法調(diào)平衡前后A 井參數(shù)對(duì)比見表2。該井有功節(jié)電率為14.1%，同時(shí)完全消除負(fù)功，克服了電流虛假平衡，減少桿柱沖擊，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和抽油機(jī)平衡平穩(wěn)運(yùn)行。

表2 調(diào)平衡前后A 井參數(shù)對(duì)比

部分井電動(dòng)機(jī)電流相對(duì)于抽油機(jī)載荷變化很小，無(wú)法真實(shí)反應(yīng)抽油機(jī)的平衡比。

以B 井為例，調(diào)平衡前電流平衡率為93.52%，電流法判定該井處于平衡狀態(tài)；功率平衡率為45.34%，功率法判定該井處于不平衡狀態(tài)。不平衡扭矩為52.95 N·m。同時(shí)使用能耗測(cè)試儀測(cè)試該井有功功率為3.386 kW，日耗電量81.264 kWh。

依據(jù)功率法調(diào)整意見（表3），將平衡塊一、三全部向外移動(dòng)30 cm。

表3 B 井調(diào)整意見

功率法調(diào)平衡前后B 井參數(shù)對(duì)比見表4。該井不平衡扭矩大幅下降，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)平衡。

表4 調(diào)平衡前后B 井參數(shù)對(duì)比

3.2 功率不平衡，電流不平衡

調(diào)平衡前，C 井電流平衡率為65.89%，功率平衡率為16.14%，用電流法或功率法判定該井均處于不平衡狀態(tài)。同時(shí)使用能耗測(cè)試儀測(cè)試該井有功功率為7.50 kW，日耗電量180.02 kWh。

依據(jù)功率法調(diào)整意見（表5），將平衡塊二、四全部向外移動(dòng)48 cm。

表5 C 井調(diào)整意見

功率法調(diào)平衡前后C 井參數(shù)對(duì)比見表6。該井有功功率下降了0.81 kW，日節(jié)電19.54 kWh，有功節(jié)電率為10.8%。電流和功率均實(shí)現(xiàn)平衡。

表6 調(diào)平衡前后C 井參數(shù)對(duì)比

4 整體應(yīng)用情況及效果

目前應(yīng)用功率法調(diào)整85 口井，其參數(shù)對(duì)比見表7。功率平衡率由23.96%提高到83.92%，不平衡扭矩絕對(duì)值由98.25 N·m 下降至15.03 N·m。同時(shí)，對(duì)比分析常規(guī)游梁式抽油機(jī)和雙驢頭抽油機(jī)不同機(jī)型的節(jié)電效果。平均日耗電量由調(diào)前的111 kWh下降到100.488 kWh，節(jié)電率為9.4%。

表7 功率法調(diào)平衡前后參數(shù)對(duì)比

功率法調(diào)平衡后減少了電動(dòng)機(jī)及減速箱的磨損，延長(zhǎng)了其使用壽命，減少了抽油機(jī)的維護(hù)費(fèi)用。年可節(jié)約油井維護(hù)材料費(fèi)用3.3 萬(wàn)元。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）功率法綜合考慮了電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)電流、電壓、功率因數(shù)的影響，能夠判斷電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電還是用電狀態(tài)，從而真實(shí)地反應(yīng)抽油機(jī)的平衡狀況，克服了電流法存在的假平衡問(wèn)題。

2）使用功率法計(jì)算出的平衡塊位移準(zhǔn)確，能做到一次調(diào)整好，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。同時(shí)，應(yīng)用功率法判斷和調(diào)整抽油機(jī)的平衡簡(jiǎn)單、方便，只需測(cè)出功率曲線即可，適合現(xiàn)場(chǎng)推廣。

3）功率法配套軟件的應(yīng)用對(duì)于分析電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況及能耗起到了巨大的作用，使調(diào)平衡工作更加專業(yè)化、系統(tǒng)化。

4）功率法調(diào)平衡之后，節(jié)電效果明顯，平均節(jié)電率可達(dá)9%以上。

[1]周繼德.用扭矩曲線法調(diào)整抽油機(jī)的平衡[J].石油機(jī)械,1987(4):15-16.

[2]王鴻勛.采油工藝原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1989:116-118.

[3]張明亮,雷長(zhǎng)森,田小蘭.抽油機(jī)曲柄平衡的調(diào)整計(jì)算及效果預(yù)測(cè)[J].石油機(jī)械,2001,1(5):36-39.

[4]范鳳英.提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率技術(shù)[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,2002:125-126.