功率法在抽油机平衡调节中的应用与实践

杜肖飞

摘 要：本文介绍了抽油机平衡调节的电流法、功率曲线法、扭矩曲线法，并结合实际工程项目应用，介绍了功率法在抽油机平衡调节中的具体应用过程。该方法根据抽油机下死点处电机功率因数值最小，且功率值也在最小值附近的特点，通过选取一段时间功率数据中的极小值点，并综合利用各极小值点间的时间间隔、幅值变化范围等多个判据实现了对一个冲程功率数据的准确判断，通过周期性地采集原始功率图数据，采用自定义斜率法和数字信号处理术中的五点三次平滑滤波法对异常数据点进行了平滑处理，形成正确完整的功率图，以一定的步长调节平衡块，从而调节抽油机的平衡度。该方法克服了电流法调平衡度单纯以电流衡量抽油机平衡度的不足，能真实反映在整个抽油过程中抽油机的功耗，减小了以电流峰值计算平衡度的误差。通过在实际应用现场的测试，可以看出使用功率法可以有效节省电能，延长抽油机的运行寿命，保证系统稳定运行。

关键词：游梁式抽油机； 功率法； 平衡度； 测试

在油气田开采领域，游梁式抽油机应用广泛，发挥着重要作用。抽油机的平衡度直接影响其耗电量，同时也影响以及其他设备运转的平稳性。因此，在工业现场，需要对抽油机的平衡度进行实时调节，避免出现严重的不平衡现象，以实现高效、节能采油。本文总结了抽油机平衡调节的三种方法，并结合实际工程应用介绍了功率法在抽油机平衡调节过程中的应用。目前，在国内外机械采油中，游梁式抽油机以其牢固可靠、可连续运行以及适于野外无人看守等优点而被广泛采用，约占油田机械采油系统的90%。平衡度是抽油机运行状态的重要参数之一。这种游梁式抽油机工作时，其负荷是变化的。当抽油机在上冲程过程中，电动机对驴头做功，将抽油杆柱和液柱提起。在下冲程中，抽油杆柱在其自身重力作用下下落，此时杆柱转而对电动机做功，通过电动机向电网回馈电力，即电动机做负功。在这种情况下，由于电动机的发电频率、电压与供电网不同，因而对电网及其它用电设备会造成损害。因此，需要调节抽油机的平衡度，使电动机对抽油机在上、下冲程运动过程中做的功相等，进而实现节能的效果。

1 抽油机平衡度调节法

目前，抽油机平衡度调节主要有：电流法、功率法、扭矩曲线法。工程上使用较多的是电流法。在实际应用中，利用电流法判断平衡度是通过采用钳形电流表分别测量抽油机在上、下冲程过程中电动机所产生的不同电流峰值，计算两者的比得到平衡度。此方法简便快捷，方便工程应用，但也有不足：上下冲程的最大电流不能反映抽油机在整个抽油过程的工作状况，以上下冲程的最大电流衡量平衡度存在较大的误差；抽油机的平衡状态是指抽油机机在上下冲程中都做正功且相等，抽油机的功率能正确反映抽油机的平衡状态，而单纯以电流是不能衡量抽油机的功率的。因此，为了更加准确地调节抽油机的平衡度，需要使用功率法等方法。本文介绍了使用功率法调节平衡度的原理，以及该方法在油田数字化改造中的应用。

2 抽油机平衡调节方式

2.1电流法

使用电流法判断抽油机平衡的标准是利用抽油机井运行时下冲程电动机最大电流与上冲程最大电流的比。抽油机平衡度在80%～110%之间为合格，否则为不合格。最佳平衡度值应为100%。

2.2 功率曲线法

功率曲线法是以电动机上下冲程的功率曲线为依据，以上下冲程功率曲线包围的面积的比值来衡量抽油机的平衡度。这种方法将抽油机的平衡判断转化为测量电动机在驴头上下冲程运动的输入电能是否相等。采用功率曲线法衡量抽油机的平衡度，综合考虑了抽油机在工作过程中电机的电流、电压、功率因数，克服了使用电流法仅以最大电流衡量平衡度的不足，因此这种方法能够较准确地反映抽油机的平衡状况。使用功率法调节抽油机的平衡度，即能实现节能目的，又能保证抽油机安全运行。

2.3 扭矩曲线法

扭矩曲线法是通过计算出每个曲柄转角对应的曲柄轴瞬时净扭矩，绘制曲柄轴瞬时净扭矩曲线和抽油机减速器输出轴极限扭矩线，分别找出上下冲程净扭矩曲线的峰值，用上下冲程净扭矩曲线峰值的比值判断抽油机的平衡度。如果比值接近1，则认为抽油机处于平衡状态。如果抽油机不平衡，则根据上下冲程最大净扭矩与曲柄转角计算出平衡块应该移动的位置，如式（2）所示：

S 为平衡块应该移动的位置，Tn上为上冲程的最大净扭矩，Tn下为下冲程的最大净扭矩，Q曲为原安装的平衡块重量。

3 应用实例分析

在工程应用中，通过采集抽油机电量参数，对其工作状态进行分析，进而调节抽油机的平衡度，在油田实际应用中平衡调节的过程如下：（1）利用井口控制器采集功率图数据；（2）对采集的原始功率图数据处理，形成正确完整的功率图；（3）根据设定算法（功率法），计算平衡度；（4）与平衡度设定限比较，判断当前为平衡、欠平衡还是过平衡状态。（5）当为平衡状态时不调节；当为欠平衡状态时，触发左调继电器闭合一定时間，增加配重使平衡度增加；当为过平衡状态时，触发右调继电器闭合一定时间，减少配重使平衡度降低；（6）不断重复以上过程调节平衡度。

在油田现场，应用以上介绍的平衡调节方式得到的功率图如图3所示。图3表示的是在一个冲程内，抽油机的功率变化曲线图。红线表示抽油机驴头在上冲程运动过程中，电机功率的变化过程；蓝线表示抽油机驴头在下冲程运动过程中，电机功率的变化过程。上下冲程的功率曲线构成一条闭合的曲线。通过在油田数字化改造中应用该方案，抽油机运行稳定，单井日耗电量从207kWh降到180.3kWh，节电26.7kWh，节电率为12.89%。预计节电量可达：365×24×26.7=233892kWh，以按电价每千瓦时0.6元价格计算，则全年可节约电费：0.6×233892=140335.2（元）。这充分说明功率法调平衡技术节电效果良好。此外，功率调平衡后电机及减速箱振动及噪音也有了明显下降，有效降低了电机及减速箱的磨损程度，减少了抽油机的维护费用，延长了其使用寿命，提高了系统运行的稳定性。

参考文献：

[1] 师国臣，冯子明，张德实，姜民政. 惯性载荷对游梁式抽油机动力特性影响[J]. 石油矿场机械. 2015（03）

[2] 李新忠. 抽油机平衡测试方法的研究与改进[J]. 化工中间体. 2015（05）endprint