賀清松（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)端輸入功率電參數(shù)據(jù)的變化，集中反映了抽油機(jī)井地面設(shè)備及井下桿柱的運(yùn)行狀態(tài)，而光桿示功圖主要反映井下桿柱的運(yùn)行狀態(tài)，與電動(dòng)機(jī)端電參數(shù)據(jù)的變化存在必然聯(lián)系。因此，通過分析抽油機(jī)井電動(dòng)機(jī)輸入功率與電動(dòng)機(jī)損耗、皮帶傳動(dòng)、減速箱傳動(dòng)、四連桿傳動(dòng)及光桿懸點(diǎn)消耗功率間的關(guān)系[1]，建立電動(dòng)機(jī)輸入功率與懸點(diǎn)功率轉(zhuǎn)化關(guān)系，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際泵況診斷應(yīng)用情況，分析電參轉(zhuǎn)功圖的適用性，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井電參轉(zhuǎn)功圖功能，無需載荷傳感器實(shí)現(xiàn)功圖測(cè)試，減少功圖測(cè)試用工、數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，提高數(shù)字化運(yùn)行效率[2-3]。

1 技術(shù)原理

1.1 光桿懸點(diǎn)載荷的確定

游梁式抽油機(jī)舉升動(dòng)力來源為電動(dòng)機(jī)的輸入功率，根據(jù)能量守恒定律，電動(dòng)機(jī)的輸入功率為光桿懸點(diǎn)功率與抽油機(jī)的機(jī)械損耗功率之和，游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[4-6]見圖1。即：

圖1 游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

式中：p總為電動(dòng)機(jī)輸入功率（電參測(cè)試得到），kW；pg為光桿懸點(diǎn)功率，kW；A為抽油機(jī)機(jī)械損耗，kW；A1，A2，A3，A4分別為減速箱、四連桿、皮帶傳動(dòng)及電動(dòng)機(jī)損耗，kW。

抽油機(jī)周期（上下往復(fù)1 次為1 個(gè)周期）運(yùn)動(dòng)過程中，抽油機(jī)機(jī)械損耗基本與光桿消耗功率無關(guān)。四連桿傳動(dòng)損耗與鋼絲繩變形、鉸鏈摩擦等有關(guān)，在四連桿軸承保養(yǎng)得到情況下，其功率損失一般在5%左右，其中勢(shì)能呈周期性穩(wěn)定變化，并相互抵消；減速箱損耗與軸承摩擦、齒輪嚙合損失有關(guān)，其功率損失一般在10%以內(nèi)；皮帶傳動(dòng)損耗與皮帶滑動(dòng)及彎曲損耗，其功率損失一般在5%以內(nèi)；電動(dòng)機(jī)損耗主要是磁損、銅損及鐵損，其功率損失一般在0.5%～2.5%左右。

因此，電參法測(cè)量示功圖時(shí)，抽油機(jī)機(jī)械損耗，可以理解為一個(gè)對(duì)示功圖測(cè)量影響不大的固定值，可以不用再對(duì)其進(jìn)行分析考慮。根據(jù)上述分析，光桿懸點(diǎn)載荷為電動(dòng)機(jī)電參數(shù)據(jù)的函數(shù)。因此，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)試電動(dòng)機(jī)輸入功率，及計(jì)算實(shí)時(shí)光桿運(yùn)行速度，便可得出光桿懸點(diǎn)載荷。

式中：Fg為光桿懸點(diǎn)載荷，N；Vg為光桿懸點(diǎn)運(yùn)行速度，m/s。

1.2 光桿懸點(diǎn)位移的確定

根據(jù)游梁式抽油機(jī)四連桿運(yùn)動(dòng)過程中各運(yùn)行參數(shù)的變化關(guān)系，游梁式抽油機(jī)強(qiáng)求構(gòu)參數(shù)示意圖見圖2，不同機(jī)型，其結(jié)構(gòu)參數(shù)是一定的。因此，根據(jù)不同曲柄轉(zhuǎn)速（通過在電動(dòng)機(jī)及曲柄上安裝對(duì)應(yīng)傳感器測(cè)得），可計(jì)算光桿懸點(diǎn)A的不同位置的位移Sg、加速度ag及運(yùn)動(dòng)速度Vg，結(jié)合上述光桿運(yùn)行載荷計(jì)算公式，不同光桿位移對(duì)應(yīng)的載荷便能相應(yīng)計(jì)算出來[7-8]，從而實(shí)現(xiàn)電參轉(zhuǎn)示功圖的目的。

圖2 游梁式抽油機(jī)強(qiáng)求構(gòu)參數(shù)示意圖

式中：Sg為懸點(diǎn)A的位移，m；ag為懸點(diǎn)A的加速度；δ為游梁后臂與垂直方向的夾角，°；δmin為游梁后臂b與垂直方向的最小夾角，°；J為中軸與曲柄銷軸的直線距離，m；K為中軸與曲柄軸的直線距離，m；a為游梁前臂長(zhǎng)度，m；b為游梁后臂長(zhǎng)度，m；ω為曲柄角速度，°/s；r為曲柄銷軸旋轉(zhuǎn)半徑，m；φ0為中軸與曲柄軸的連線與垂直方向的夾角，°；φ為曲柄與垂直方向的夾角，°；ψ為中軸與曲柄軸的連線與垂直方向的夾角，°。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

根據(jù)上述分析，電參轉(zhuǎn)示功圖具有充分的理論依據(jù)，采用先進(jìn)的電子信息處理技術(shù)，以及配電柜三項(xiàng)電參、電動(dòng)機(jī)、曲柄等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)靈敏度高傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)采集曲柄周期運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電參數(shù)據(jù)，通過抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)關(guān)系，將控制柜端周期電參曲線轉(zhuǎn)化成光桿端示功圖曲線[9-10]（圖3）。某油田區(qū)塊共應(yīng)用電參轉(zhuǎn)示功圖裝置10 口井，由于原井配電柜供電，電參數(shù)據(jù)在線率長(zhǎng)期穩(wěn)定在95%以上。

圖3 電參曲線轉(zhuǎn)化成光桿端示功圖曲線

從10 口井電參轉(zhuǎn)功圖與實(shí)測(cè)功圖曲線點(diǎn)對(duì)點(diǎn)比對(duì)情況看（表1），電參轉(zhuǎn)功圖與實(shí)測(cè)功圖相同位置上載荷的絕對(duì)誤差為6.19%（最大7.83%，最小4.79%），即電參轉(zhuǎn)功圖與實(shí)測(cè)功圖曲線的吻合率可達(dá)到93.81%。從電參測(cè)試沖程看，與實(shí)測(cè)沖程的平均單井絕對(duì)誤差為0.06 m，最大誤差0.11 m，最小僅0.03 m，初步滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要。

表1 2020年7月8日單井電參測(cè)試功圖與低壓測(cè)試功圖對(duì)比情況

從工況診斷情況看，電參轉(zhuǎn)功圖與實(shí)測(cè)功圖形狀及趨勢(shì)一致，且能準(zhǔn)確反應(yīng)正常、漏失、氣影響、脫泵筒等各類典型工況，不同工況下機(jī)采井電參轉(zhuǎn)示功圖與實(shí)測(cè)功圖比對(duì)曲線見圖4，具備替代傳統(tǒng)功圖測(cè)試技術(shù)可行性。

圖4 不同工況下機(jī)采井電參轉(zhuǎn)示功圖與實(shí)測(cè)功圖比對(duì)曲線

目前，某油田區(qū)塊共有600 口抽油機(jī)井需要測(cè)試功圖，年人工測(cè)試15 000余井次，配置測(cè)試員工8人，車輛4臺(tái)，儀器6套，汽油年耗15 t，車輛及設(shè)備維護(hù)年成本30 萬元。電參轉(zhuǎn)功圖技術(shù)的應(yīng)用，可取消功圖測(cè)試員工及設(shè)備的投入和支出152萬元，且消除了功圖測(cè)試時(shí)的操作人員砸傷、摔傷安全風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，電參轉(zhuǎn)功圖技術(shù)滿足了工況的精準(zhǔn)分析、問題的及時(shí)處理需求，及時(shí)關(guān)停并處理泵況問題等故障井，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，避免故障井帶病運(yùn)行，大幅減少問題井無效耗能及產(chǎn)量影響。全區(qū)年可減少帶病運(yùn)行3 000 余井次，預(yù)計(jì)年可節(jié)電79.2×104kWh，節(jié)省電費(fèi)50 萬元，減少問題井影響采油5 700 t，累計(jì)年可創(chuàng)效1 798 萬元，單井年可創(chuàng)效3 萬元，單井設(shè)備改造1.8 萬元，投資回收期220天，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

1）分析了游梁式抽油機(jī)井電參轉(zhuǎn)示功圖理論上的可行性，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用，驗(yàn)證了電參轉(zhuǎn)示功圖的準(zhǔn)確性，基本滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。

2）電參轉(zhuǎn)功圖技術(shù)為配電柜供電，數(shù)據(jù)采集、傳輸、運(yùn)行穩(wěn)定，在線率高，可快速發(fā)現(xiàn)并處理運(yùn)行問題，減少問題井帶病運(yùn)行造成的無效耗能，提高產(chǎn)量貢獻(xiàn)。

3）電參轉(zhuǎn)功圖技術(shù)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并診斷各種典型工況，具備替代傳統(tǒng)功圖測(cè)試及載荷傳感器實(shí)時(shí)測(cè)試技術(shù)的條件，為機(jī)采井?dāng)?shù)字化建設(shè)提供了新的方法和手段。