孫鵬程

（中國石化集團(tuán)公司能源管理與環(huán)境保護(hù)部，北京 100728）

常規(guī)游梁式抽油機(jī)以結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、耐用、可靠性高、操作簡便、維修方便、維修費(fèi)用低等特點(diǎn)一直占據(jù)有桿泵采油地面裝置的主導(dǎo)地位，在勝利油田兩萬余口抽油機(jī)井中，游梁式抽油機(jī)占抽油機(jī)總數(shù)70%以上。但由于智能化程度低、工作效率低且數(shù)量龐大，導(dǎo)致游梁式抽油機(jī)年耗電量約占油田總能耗的1/3。隨著各大油田進(jìn)入中、高含水期，電能的高消耗增加了原油的開采成本，抽油機(jī)井的優(yōu)化運(yùn)行成為油田節(jié)能降耗亟待解決的問題。

游梁式抽油機(jī)是一個(gè)大慣量、變載荷的系統(tǒng)，其平衡度是影響抽油機(jī)能耗的關(guān)鍵因素之一。一方面目前普遍的人工調(diào)平衡需3～4人調(diào)2小時(shí)以上，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作時(shí)間長、降低油井開井時(shí)率，平衡度達(dá)標(biāo)率僅60%左右，且抽油機(jī)不平衡（平衡度＜80%或平衡度＞120%）運(yùn)行，電機(jī)倒發(fā)電、耗能高、機(jī)架振幅加大，影響傳動(dòng)系統(tǒng)壽命；另一方面，利用電流平衡率判斷抽油機(jī)平衡度的方法不能保證抽油機(jī)的平衡，電流不平衡抽油機(jī)也有可能平衡。電流法抽油機(jī)平衡測試方法在理論和實(shí)際操作上有著很大的缺陷，準(zhǔn)確度較差，存在虛假平衡問題。利用這種方法對(duì)抽油機(jī)平衡度進(jìn)行改善，效果較差，還可出現(xiàn)抽油機(jī)能耗增大的情況。

針對(duì)傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)存在人工調(diào)平衡困難，平衡度達(dá)標(biāo)率低等問題，中國石油與中國石化分別研究設(shè)計(jì)了智能自平衡游梁式抽油機(jī)，以適應(yīng)各油田規(guī)范化、智能化的管理要求。

1 游梁式抽油機(jī)自動(dòng)調(diào)平衡技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，應(yīng)用平衡度自動(dòng)調(diào)整技術(shù)主要有兩大類型抽油機(jī)，分別為尾游梁擺動(dòng)自平衡抽油機(jī)和尾游梁彎矩自平衡抽油機(jī)，技術(shù)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀分別見表1、2。

大慶油田采用的“抽油機(jī)功率隨動(dòng)控制技術(shù)”在現(xiàn)場進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果顯示平均單井日節(jié)電約30kW·h，系統(tǒng)效率平均提高約15百分點(diǎn)，節(jié)能效果非常明顯。圖1為優(yōu)化前后電功率曲線。

勝利油田“四化”建設(shè)示范區(qū)針對(duì)區(qū)塊進(jìn)行了集成配套，開發(fā)了油井實(shí)時(shí)監(jiān)控、功圖量油、遠(yuǎn)程調(diào)參等技術(shù)。勝利油田石油工程技術(shù)研究院自主研發(fā)了自平衡抽油機(jī)，平衡塊通過絲桿、減速器與固定在曲柄上的異步電機(jī)相連，當(dāng)需要平衡調(diào)節(jié)時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，通過控制電機(jī)運(yùn)行時(shí)間控制平衡塊位置。這樣的設(shè)計(jì)使平衡調(diào)整變得方便、容易，不需要多人工現(xiàn)場操作，更加安全，且在調(diào)平衡過程中不需要停機(jī)，不妨礙油井的正常生產(chǎn)。

表1 尾游梁擺動(dòng)自平衡抽油機(jī)技術(shù)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀

表2 尾游梁彎矩自平衡抽油機(jī)技術(shù)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀

圖1 優(yōu)化前后功率曲線

通過技術(shù)調(diào)研，現(xiàn)有游梁機(jī)調(diào)平衡技術(shù)和智能調(diào)控技術(shù)取得了一定的節(jié)能效果，但勝利油田油井負(fù)荷大，平衡點(diǎn)的選取是自動(dòng)調(diào)平衡的關(guān)鍵。

2 平衡測試技術(shù)的研究

2.1 現(xiàn)有平衡度測試技術(shù)

由于現(xiàn)場環(huán)境和測試條件的限制，傳統(tǒng)平衡度測試技術(shù)和計(jì)算方法往往基于簡單的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)精度要求較高以及不同井況的測試環(huán)境適應(yīng)性很差。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前平衡度測試和計(jì)算方法有以下幾種：

1）電流法

電流平衡法中，抽油機(jī)平衡度即抽油機(jī)下沖程對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)最大輸入電流與抽油機(jī)上沖程對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)最大輸入電流之比。

電流平衡法在早期國內(nèi)各油田游梁抽油機(jī)管理中應(yīng)用最為廣泛，測試耗時(shí)短，簡單方便。抽油機(jī)下沖程最大電流與上沖程最大電流之比在80%～110%之間，即抽油機(jī)平衡；當(dāng)小于80%時(shí)，認(rèn)為抽油機(jī)平衡過輕（即欠平衡）；當(dāng)大于110%時(shí)，認(rèn)為平衡過重。在實(shí)際測試中，一般僅使用電流互感器接在抽油機(jī)電機(jī)的三相電端，測試記錄電機(jī)的電流值，取上、下沖程的最大電流比值作為此時(shí)抽油機(jī)的平衡度。

在實(shí)際工作中，電流法調(diào)平衡存在很多問題，比如電機(jī)空載時(shí)電流就達(dá)額定電流的30%～40%，負(fù)載增加時(shí)，電流變化并不大，而功率因數(shù)在變化，所以對(duì)于大馬拉小車的抽油機(jī)（油田上這種情況很普遍）就算是不平衡從電流上也看不出來。并且電流法所用鉗形電流表無法區(qū)分電流方向，當(dāng)抽油井含有較大負(fù)功時(shí)容易產(chǎn)生虛假平衡問題（對(duì)于不平衡抽油機(jī)均存在倒發(fā)電現(xiàn)象，即存在負(fù)功率問題），所以說，電流平衡抽油機(jī)也不一定平衡。

2）功率法

功率法分為最大功率法與平均功率法，最大功率法與電流法類似，這里只介紹平均功率法。平均功率法就是下沖程電動(dòng)機(jī)平均輸出功率與上沖程電動(dòng)機(jī)平均輸出功率之比。

平均功率法的普及依賴于現(xiàn)場測試儀器的發(fā)展更新，獲取更多更準(zhǔn)確的抽油機(jī)參數(shù)變得容易，可以較方便地測試出抽油機(jī)在一個(gè)沖程周期內(nèi)的功率曲線。與電流平衡法相比，平均功率法有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，平均功率會(huì)降低虛假平衡的影響；其次，抽油機(jī)調(diào)平衡就是調(diào)整抽油機(jī)配重裝置的質(zhì)量或位置，使用平均功率法計(jì)算出的平衡塊位移量相對(duì)準(zhǔn)確，調(diào)整次數(shù)減少。

2.2 平衡度測試技術(shù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分析

為了分析游梁式抽油機(jī)平衡度與節(jié)能效果的關(guān)系，在油田現(xiàn)場進(jìn)行了大量的平衡度實(shí)驗(yàn)，以下為部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

第一組測試井的具體參數(shù)如表3所示，改變平衡塊位置前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，測試井初始位置地面示功圖如圖2所示。

第一組數(shù)據(jù)顯示抽油機(jī)運(yùn)行情況良好，抽油機(jī)平衡度在較正常的范圍內(nèi)調(diào)整。由數(shù)據(jù)可知，第一次調(diào)整后日用電量減少3.1%左右，第二次調(diào)整后，日用電量減少5.3%左右。電流法計(jì)算的平衡度在第一次調(diào)整后達(dá)到平衡標(biāo)準(zhǔn)要求，第二次調(diào)整后反而超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。而平均功率法顯示，在第二次調(diào)整后平衡度更為合適。

第二組測試井的具體參數(shù)如表5所示，改變平衡塊位置前后記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示，測試井初始位置地面示功圖如圖3所示。

表3 第一組測試井的具體參數(shù)

圖2 第一組測試井地面示功圖

表4 第一組測試井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 第二組測試井的具體參數(shù)

第二組數(shù)據(jù)中，第一次調(diào)整后日用電量減少8.2%左右，第二次調(diào)整后，日用電量減少8.6%左右。在此組實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)平衡塊處于原始位置時(shí)，功率法平衡度值非常大，是因?yàn)槌橛蜋C(jī)上行時(shí)電機(jī)做負(fù)功較大，平均功率很小。在第一次與第二次調(diào)整后，平衡度靠近標(biāo)準(zhǔn)值。電流法計(jì)算平衡度比較正確的反映了抽油機(jī)平衡度的變化。

第三組測試井的具體參數(shù)如表7所示，改變平衡塊位置前后記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示，測試井初始位置地面示功圖如圖4所示。

第三組數(shù)據(jù)中，調(diào)整后日用電量減少2.6%左右。此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，平均功率法計(jì)算得到的平衡度為負(fù)值，距離標(biāo)準(zhǔn)值相差較遠(yuǎn)，這是由抽油機(jī)自身局限和境況決定。在這種情況下，使用電流法和平均功率法無法使抽油機(jī)到達(dá)理想的平衡狀態(tài)，只能由其變化趨勢(shì)判斷抽油機(jī)平衡程度是否合理，指導(dǎo)抽油機(jī)平衡度調(diào)整。

表6 第二組測試井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 第二組測試井地面示功圖

圖4 第三組測試井地面示功圖

表7 第三組測試井的具體參數(shù)

由以上三組數(shù)據(jù)可以看出，不同井況條件下，電流平衡法和平均功率平衡法不一定能準(zhǔn)確反映抽油機(jī)平衡度，具有一定局限性和不確定性。

2.3 基于“最小功率”的平衡調(diào)節(jié)方法

要使抽油機(jī)平衡條件下最節(jié)能，歸根結(jié)底就是使抽油機(jī)的輸入電功率最小。“最小功率”的平衡調(diào)節(jié)方法就是基于這個(gè)思想。通過不斷改變抽油機(jī)平衡狀態(tài)，檢測其在一個(gè)沖次內(nèi)的輸入功率，將其最小時(shí)的狀態(tài)認(rèn)定為理想平衡狀態(tài)。對(duì)于一臺(tái)具體的抽油機(jī)，通過電參數(shù)檢測系統(tǒng)自動(dòng)檢測記錄其一個(gè)完整沖程的平均功率，同時(shí)控制平衡塊向一個(gè)方向調(diào)節(jié)特定的步進(jìn)值。一段特定時(shí)間后，待抽油機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，重復(fù)測試，同時(shí)繼續(xù)調(diào)節(jié)平衡塊。多次測量與調(diào)節(jié)后得到抽油機(jī)平均功率隨時(shí)間變化的曲線圖，如圖5所示，確定曲線上功率最小值點(diǎn)為最佳平衡狀態(tài)。

表8 第三組測試井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，可以結(jié)合現(xiàn)場油井狀況，綜合運(yùn)用功率、電流和基于“最小功率”的平衡調(diào)節(jié)方法，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)穩(wěn)定安全高效運(yùn)行。

2.4 常規(guī)平衡度計(jì)算與“最小功率”平衡度調(diào)節(jié)方法現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比

針對(duì)自平衡抽油機(jī)平衡度調(diào)節(jié)簡單方便的特點(diǎn)，在現(xiàn)場選取一口油井進(jìn)行試驗(yàn)，通過改變抽油機(jī)曲柄平衡塊位置，對(duì)比不同平衡度計(jì)算方法的效果，測試抽油機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)如表9所示。

圖5 基于“最小功率”的平衡反饋調(diào)節(jié)

表9 自平衡抽油機(jī)各項(xiàng)參數(shù)

1）基于常規(guī)平衡度計(jì)算的現(xiàn)場試驗(yàn)

通過測試抽油機(jī)平衡塊在不同位置時(shí)的電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析不同計(jì)算方法計(jì)算平衡度的結(jié)果，取記錄的平均值做曲線，見圖6、圖7。

由圖6、圖7可以看出，由電流法測出的抽油機(jī)平衡度均在90%～100%之間，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是由平均功率法計(jì)算的平衡度很小，為極度不平衡狀態(tài)，兩種計(jì)算方法出現(xiàn)了較大的差別，無法確定哪種方法正確。

圖6 電流法平衡度測試結(jié)果

圖7 平均功率法平衡度測試結(jié)果

從測試數(shù)據(jù)中提取了平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)兩個(gè)沖程的功率曲線，如圖8所示。由圖8可知，該井功率極值出現(xiàn)在上、下死點(diǎn)附近，但是在整個(gè)沖程中存在比較大的倒發(fā)電功，因此引起了電流法平衡度計(jì)算合理，而平均功率法計(jì)算不準(zhǔn)的情況，也說明對(duì)于這類油井，電流法和功率法無法判斷抽油機(jī)的平衡狀態(tài)，不能為抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)和節(jié)能運(yùn)行提供支持。

圖8 抽油機(jī)電機(jī)功率曲線

2）基于“最小功率”的平衡度計(jì)算現(xiàn)場試驗(yàn)

為了解決上述問題，使用最小功率法進(jìn)行了平衡度計(jì)算及判別，調(diào)整平衡塊在不同位置，記錄的抽油機(jī)電功率數(shù)據(jù)（平衡塊每次移動(dòng)的距離為10 cm），得到抽油機(jī)電機(jī)正向和倒發(fā)電功率隨平衡塊位置變化趨勢(shì)如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10可知，平衡塊在位置6和位置7時(shí)，抽油機(jī)電機(jī)倒發(fā)電功率最少，正向有功功率最低，抽油機(jī)處相對(duì)用電最低狀態(tài)?？梢钥闯觯跍y試井這類井況下，基于“最小功率”的平衡調(diào)節(jié)方案，可以避免常規(guī)平衡度計(jì)算方法不一致引起的困擾，能夠?qū)Τ橛蜋C(jī)的平衡調(diào)節(jié)給出指導(dǎo)建議，有較大的現(xiàn)場實(shí)用價(jià)值。

圖9 平衡塊不同位置抽油機(jī)正向功率

圖10 平衡塊不同位置抽油機(jī)倒發(fā)電功率

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試、分析與改進(jìn)，針對(duì)抽油機(jī)平衡度計(jì)算得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）完成了在自平衡抽油機(jī)上的平衡度算法評(píng)價(jià)功能，分析了電流法、平均功率法的適用性，在部分特殊井況下，這兩種方法都存在不適用的問題。

2）使用基于“最小功率”的平衡調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了現(xiàn)場測試和應(yīng)用，結(jié)果顯示在部分井況下，該方法可以作為平衡度判別的輔助方法。

3）抽油機(jī)平衡度測試、計(jì)算及調(diào)整是一個(gè)看似簡單、實(shí)則復(fù)雜的問題，不同的計(jì)算方法都存在著自身的適用范圍，而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的平衡度合理范圍也需要隨著計(jì)算方法的不同而進(jìn)行修正。因此在今后的工作中，需進(jìn)一步擴(kuò)大平衡度測試范圍，對(duì)比不同機(jī)型、不同平衡度位置時(shí)，不同平衡度計(jì)算方法的差異，最終得出最適合的平衡度判別方法。