劉學慶（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

引言

目前，抽油機、電泵、螺桿泵是油田生產中常見的三種舉升方式，而游梁式抽油機在油田生產中占有較高的比例，但在實際生產中利用效率很低，基本上均低于30%。在日常生產管理中不難發(fā)現(xiàn)，抽油機平衡狀況的好壞，直接影響到油田生產效率及油田生產設備使用壽命，對油田生產經營情況影響很大。而在實際生產中，井下載荷隨著生產的進行往往會不斷的發(fā)生變化，這些變化所帶來的諸多因素都會影響抽油機原有的平衡，平衡狀況被破壞后，抽油機在生產過程中消耗的電能就會不斷增多，遠遠超出其平衡狀況下的耗能量，節(jié)能目的很難實現(xiàn)。要實現(xiàn)平衡就需要操作人員不斷調整游梁式抽油機的平衡機構，這給操作人員帶來很大工作量；因此，如何判斷油機是否平衡、如何調整抽油機平衡的研究，在實際生產中就顯得尤為重要。依據(jù)理論研究及現(xiàn)場試驗可以得出，在旋轉平衡或復合平衡方式的抽油機上，調節(jié)旋轉平衡塊的平衡半徑是調整平衡最方便的方法。

1 功率曲線法和調整平衡塊的計算公式

功率曲線法，是把電動機的功率變化曲線用功率記錄儀記錄下來，先進行判斷抽油機的平衡狀況，然后依據(jù)平衡狀況進行調整平衡半徑的方法。如果功率的平衡率（上沖程與下沖程中最大功率的百分比）大于85%，認為功率是平衡的；反之，認為功率是不平衡的。當計算出來的功率不平衡時，可以用功率曲線法調整平衡率半徑[1]。

抽油機功率曲線是一個隨沖程周期為周期的連續(xù)函數(shù)。數(shù)學分析得知，每一個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數(shù)[2]。抽油機功率的功率曲線函數(shù)能滿足狄利斯利條件就可以展開成收斂的三角級數(shù)——傅里葉級數(shù)，即

其中

式中：P(t)——有效功率，kW；

a0——功率函數(shù)恒定分量，kW；

an、bn——功率曲線各次諧波余弦、正弦部分幅度，kW；

n——沖速，min-1；

w——曲柄角速度，rad/s；

t、T——沖程周期，s。

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Pt為

式中：Pt——均方根功率，kW。

抽油機曲柄平衡塊靠重力起作用，如果平衡塊重心位于曲柄軸的最上方開始（12點鐘位置），平衡塊的平衡功率為

式中： Pp——平衡功率，kW；

G——平衡塊總重力，kN；

L——平衡塊重心半徑，m。

分析對照式（1）和式（7）發(fā)現(xiàn)，功率曲線的一階正弦分量b1sin(wt)決定了平衡功率，調整抽油機平衡塊的位置，只能改變式（1）中一階正弦分量b1的大小。要使均方根功率最小，就只能使式（6）的一階正弦分量項為零。調整平衡塊重心位置時，平衡功率增加或減小，與功率曲線的一階正弦分量b1sin(wt)大小相等，符號相反[4]；因此，可以得出式（8），推出計算公式 （9） 平衡塊調整量，即

式中：b1——功率曲線一階正弦分量，kW；

ΔPp——平衡功率的變化值，kW；

ΔL——平衡塊位移量，符號為正，表示向外移；符號為負，表示向內移；m。

2 實例應用分析

針對全廠不平衡井且平衡塊到頭井進行了分析整理，共有273口井。其中：欠平衡井182口，平均日耗電362.3kWh，平衡率64.3%；過平衡井91口，平均日耗電327.6kWh，平衡率123.34%。如下例舉加塊調平衡（表1、圖1、圖2）和減塊調平衡（表2、圖3、圖4）兩種形式。

2.1 加塊調平衡

目前該井安裝了2個平均重力為15kN的曲柄平衡塊，平均重心在1.265m處（均已調到最外）；日耗電 292.9kWh， 沖程周期為 8.16s，沖速為7.35min-1；上電流62.1A，下電流50.4A，電流平衡度0.812，均方根電流39.01A；功率從-4.8kW到31.3kW，變化范圍為36.2kW，均方根功率15.97kW。

表1 調平衡前N3-2-B440井電力測試(2016-06-20T10:21:02)

圖1 調平衡前單井電力測試

圖2 調平衡后單井電力測試

表2 調平衡前2G169-44井電力測試(2016-06-20T13:24:33)

圖3 調平衡前單井電力測試

圖4 調平衡后單井電力測試

根據(jù)要求在軟件中輸入平衡塊重力G（15kN）、塊數(shù) N（2）和當前重心位置 L（1.265m）。分析上述數(shù)據(jù)后，提出平衡建議：使曲柄平衡塊總數(shù)增加到4個，平均曲柄平衡重心位置移到0.72m處[5]。結果：上電流56.3A，下電流56.7A，電流平衡度0.992，均方根電流37.8A； 功率從-2.4kW到28.1kW，變化范圍為30.5kW，均方根功率15.1kW；日節(jié)電量為8.35kWh左右。

2.2 減塊調平衡

目前該井安裝了4個平均重力為15kN的曲柄平衡塊，平均重心在0.277m處（均已調到最里）；日耗電106.8kWh，沖程周期為12.58s，沖速為4.77min-1；上電流35.5A，下電流38.9A，電流平衡度1.0958，均方根電流34.24A；功率從-2.7kW到12.9kW，變化范圍為15.6kW，均方根功率5.82kW。

根據(jù)要求在軟件中輸入平衡塊重力G（15kN）、塊數(shù) N（4）和當前重心位置 L（0.277m）。分析上述數(shù)據(jù)后，提出平衡建議：去掉2個曲柄平衡塊，其余的移到0.33m處[6]。結果：上電流 57A，下電流56A，電流平衡度0.982，均方根電流33.9A；功率從-2.5kW，到10.9kW，變化范圍為13.4kW，均方根功率5.3kW；日節(jié)電量為4.992kWh左右。

運用功率曲線法和調整平衡塊的計算公式對全廠不平衡的273口井進行分析計算，并對每口單井計算出來的結果以加塊調平衡和減塊調平衡的兩種形式進行調整，調整后平均每口單井日節(jié)電量為6.688kWh左右，節(jié)能效果明顯。

3 結論

1）抽油機平衡調整的最終目標是最大限度的節(jié)能與安全運行，只要使抽油機電動機的均方根功率最小，就可以實現(xiàn)上述兩個目標。

2）功率曲線法判斷抽油機的平衡能消除電流法在一些情況下的假平衡現(xiàn)象，因此，功率曲線法判斷抽油機的平衡更符合實際。

3）用功率曲線法計算出的平衡塊位移比較準確，能做到一次調整好。

4）功率曲線法判斷、調整抽油機的平衡只需測出功率曲線即可，比扭矩曲線法簡單，同時方便現(xiàn)場操作，比較適合生產現(xiàn)場推廣。

[1]周繼德.用功率曲線法判斷和調整抽油機的平衡[J].石油礦場機械，1988（10）：9.

[2]張海東.通過平均功率法提高抽油機系統(tǒng)效率[J].化學工程與裝備，2011（10）：109-110.

[3]史鵬飛.功率法調整抽油機平衡方法初探[J].油氣井測試，2003（6）：52-53.

[4]張明亮.抽油機曲柄平衡的調整計算及效果預測[J].石油機械，2001（5）：37-38.

[5]周繼德.用功率曲線法判斷和調整抽油機的平衡[J].石油學報，1991（12）：130-132.

[6]黃書生.功率法平衡技術研究與應用[C]//采油工程文集.北京：石油工業(yè)出版社，2015：56.