江祖楠（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

1 地面舉升設(shè)備的能耗分析

近幾年，各區(qū)塊開展系統(tǒng)分析，整體優(yōu)化，按照以優(yōu)化地面設(shè)備為首控制機(jī)采能耗，大力應(yīng)有節(jié)能設(shè)備達(dá)到節(jié)能，以精細(xì)機(jī)采管理為基礎(chǔ)加強(qiáng)節(jié)能效果，以技術(shù)進(jìn)步為依托擴(kuò)展節(jié)能空間的整體節(jié)能思路提高節(jié)能效果，進(jìn)一步降低機(jī)采井運(yùn)行成本。

由此，抽油機(jī)作為常見的機(jī)采舉升設(shè)備而言，從計(jì)算的角度出發(fā)，在此討論杠桿式（常規(guī)游梁式）抽油機(jī)。應(yīng)用機(jī)采井系統(tǒng)效率的定義[1]，可以給出系統(tǒng)效率。抽油機(jī)井的能耗可以分為地面設(shè)備能耗與井下抽油泵舉升能耗兩部分。在此僅討論“在供、排平衡的條件下”合理控制地面舉升設(shè)備能耗的方法。

抽油機(jī)是一個(gè)能量傳遞和轉(zhuǎn)換機(jī)械，在這一過程中，地面部分的能量損失主要發(fā)生在電動機(jī)、皮帶傳動、減速箱與四連桿機(jī)構(gòu)中。此時(shí)的地面效率：

式中：η電——電動機(jī)效率，%；

η皮——皮帶傳動效率，%；

η減——減速機(jī)效率，%；

η桿——四連桿機(jī)構(gòu)效率。

鑒于目前普遍應(yīng)用Y系列電動機(jī)與窄V皮帶的實(shí)際情況，依據(jù)系統(tǒng)效率試驗(yàn)區(qū)的測試結(jié)果，η電為90.5%～94%、η皮為90%～95%、η減為96.5% 、η桿為95%可知，在皮帶傳動與減速機(jī)上幾乎已無潛力可挖。在不實(shí)施更換抽油機(jī)的前提下，從“確保抽油機(jī)的平衡率在80%以上，（80%≤λ≤100%）與抽油機(jī)拖動裝置的合理匹配”上入手，來探討合理控制地面舉升設(shè)備能耗的有效途徑。

2 抽油機(jī)平衡對能耗的影響

理論研究結(jié)果表明，抽油機(jī)的凈扭矩曲線能夠較為真實(shí)的反映一個(gè)周期內(nèi)、地面舉升設(shè)備的能耗變化情況，見圖1、圖2。

圖1 N7-D4調(diào)整前井凈扭矩曲線

圖2 N7-D4調(diào)整后井凈扭矩曲線

從圖1中可以看出，凈扭矩是載荷扭矩與平衡（曲柄）扭矩疊加的結(jié)果，由此推斷抽油機(jī)平衡對地面舉升設(shè)備能耗是有影響的。

鑒于抽油機(jī)平衡的基本理論是保證電動機(jī)在相對較為平穩(wěn)條件下工作，依據(jù)Q/SY 1233—2009標(biāo)準(zhǔn)[2]，給出了調(diào)整抽油機(jī)平衡的三個(gè)原則：使上、下沖程電動機(jī)作功相等；使上、下沖程中減速器曲柄軸的最大凈扭矩相等；使減速器曲柄軸瞬時(shí)切線力與平均切線力的偏差平方和最小。

只要滿足上述三原則中一個(gè)就能保證抽油機(jī)在平衡條件下工作，在此確定選用“使上、下沖程電動機(jī)作功相等”的原則，來進(jìn)行抽油機(jī)井平衡的調(diào)整，此方法稱為功率法。當(dāng)功率平衡度小于0.6時(shí)，可判定抽油機(jī)不平衡，需對抽油機(jī)進(jìn)行平衡調(diào)整。

依據(jù)“上、下沖程電動機(jī)做功相等”的原則，在現(xiàn)場選了3口井實(shí)施了平衡調(diào)整，并與電流平衡法實(shí)施了比對，從表1中可以看出，對于電流法不平衡井N7-1而言，應(yīng)用功率法來調(diào)整平衡其節(jié)能效果顯著、達(dá)到了23.77%；對于電流法平衡的井N7-20而言，當(dāng)電流法平衡率大于或等于95%時(shí)，應(yīng)用功率法調(diào)整平衡的節(jié)能效果不明顯，僅為1.36%。

從圖3、圖4中可以看出，N7-30井應(yīng)用電流法判斷平衡時(shí)，上沖程120°附近電動機(jī)做負(fù)功，應(yīng)用功率法調(diào)整平衡時(shí)，可以消除120°附近的負(fù)功，這就是功率法調(diào)整平衡能夠節(jié)能的原理所在。

圖3 N7-30井調(diào)整前電功率曲線

圖4 N7-30井調(diào)整后電功率曲線

3 地面舉升能耗合理匹配的設(shè)計(jì)方法

在以往的基礎(chǔ)理論中，在抽油機(jī)平衡的條件下，依據(jù)抽油機(jī)的凈扭矩曲線計(jì)算出的均方根扭矩就是匹配其拖動電動機(jī)的理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，由于“凈扭矩曲線”中存在峰值，依據(jù)均方根扭矩來匹配的電動機(jī)其功率偏小，多數(shù)情況下存在電動機(jī)過載現(xiàn)象。

依據(jù)均方根扭矩、凈扭矩曲線峰值來匹配的電動機(jī)功率偏小在此選取了4口井進(jìn)行比對，結(jié)果見表2、表3。依據(jù)均方根扭矩來匹配電動機(jī)功率偏下，依據(jù)凈扭矩曲線來匹配電動機(jī)是合理的。依據(jù)凈扭矩曲線峰值來匹配電動機(jī)的方法，對N7-30井進(jìn)行了實(shí)踐，見到較好的節(jié)能效果，系統(tǒng)效率由42.88%提高到54.90%，有功節(jié)電率21.89%（表4）。

表1 3口井試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

表2 4口井應(yīng)用均方根扭矩計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 4口井應(yīng)用扭矩峰值計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表4 N7-30井電動機(jī)合理匹配效果統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)結(jié)果表明，依據(jù)凈扭矩曲線峰值來匹配電動機(jī)是合理的。但是在現(xiàn)場人們往往很難得到實(shí)際凈扭矩曲線，在此推薦應(yīng)用“拉瑪扎諾夫”經(jīng)驗(yàn)公式[3]來計(jì)算扭矩曲線中的峰值，其相對誤差在5%以內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場要求。

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4 結(jié)論

抽油機(jī)井合理控制地面舉升設(shè)備能耗的方法為：在供、采平衡的條件下，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)舉升能耗的合理匹配；在供、采平衡的條件下，推薦應(yīng)用功率法調(diào)整平衡；當(dāng)電流法平衡率為時(shí)，無須再用功率法調(diào)整平衡；依據(jù)凈扭矩曲線峰值來匹配電動機(jī)的方法，對1口井進(jìn)行了實(shí)踐，見到較好的節(jié)能效果，系統(tǒng)效率由42.88%提高到54.90%，有功節(jié)電率21.89%；實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)舉升能耗的合理匹配時(shí)，推薦采用“拉瑪扎諾夫”經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)施計(jì)算。