功率曲線法判斷和調(diào)整抽油機(jī)平衡

劉學(xué)慶（大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠）

引言

目前，抽油機(jī)、電泵、螺桿泵是油田生產(chǎn)中常見的三種舉升方式，而游梁式抽油機(jī)在油田生產(chǎn)中占有較高的比例，但在實(shí)際生產(chǎn)中利用效率很低，基本上均低于30%。在日常生產(chǎn)管理中不難發(fā)現(xiàn)，抽油機(jī)平衡狀況的好壞，直接影響到油田生產(chǎn)效率及油田生產(chǎn)設(shè)備使用壽命，對油田生產(chǎn)經(jīng)營情況影響很大。而在實(shí)際生產(chǎn)中，井下載荷隨著生產(chǎn)的進(jìn)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(jī)原有的平衡，平衡狀況被破壞后，抽油機(jī)在生產(chǎn)過程中消耗的電能就會不斷增多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其平衡狀況下的耗能量，節(jié)能目的很難實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)平衡就需要操作人員不斷調(diào)整游梁式抽油機(jī)的平衡機(jī)構(gòu)，這給操作人員帶來很大工作量；因此，如何判斷油機(jī)是否平衡、如何調(diào)整抽油機(jī)平衡的研究，在實(shí)際生產(chǎn)中就顯得尤為重要。依據(jù)理論研究及現(xiàn)場試驗(yàn)可以得出，在旋轉(zhuǎn)平衡或復(fù)合平衡方式的抽油機(jī)上，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)平衡塊的平衡半徑是調(diào)整平衡最方便的方法。

1 功率曲線法和調(diào)整平衡塊的計(jì)算公式

功率曲線法，是把電動機(jī)的功率變化曲線用功率記錄儀記錄下來，先進(jìn)行判斷抽油機(jī)的平衡狀況，然后依據(jù)平衡狀況進(jìn)行調(diào)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(rèn)為功率是平衡的；反之，認(rèn)為功率是不平衡的。當(dāng)計(jì)算出來的功率不平衡時(shí)，可以用功率曲線法調(diào)整平衡率半徑[1]。

抽油機(jī)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(xué)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(jī)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(jī)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(diǎn)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(diào)整抽油機(jī)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(xiàng)為零。調(diào)整平衡塊重心位置時(shí)，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(jì)算公式 （9） 平衡塊調(diào)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(fù)，表示向內(nèi)移；m。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

針對全廠不平衡井且平衡塊到頭井進(jìn)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(diào)平衡（表1、圖1、圖2）和減塊調(diào)平衡（表2、圖3、圖4）兩種形式。

2.1 加塊調(diào)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(diào)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(diào)平衡前N3-2-B440井電力測試(2016-06-20T10:21:02)

圖1 調(diào)平衡前單井電力測試

圖2 調(diào)平衡后單井電力測試

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

圖3 調(diào)平衡前單井電力測試

圖4 調(diào)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(dāng)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(jié)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(diào)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(diào)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(dāng)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(jié)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(yùn)用功率曲線法和調(diào)整平衡塊的計(jì)算公式對全廠不平衡的273口井進(jìn)行分析計(jì)算，并對每口單井計(jì)算出來的結(jié)果以加塊調(diào)平衡和減塊調(diào)平衡的兩種形式進(jìn)行調(diào)整，調(diào)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(jié)論

1）抽油機(jī)平衡調(diào)整的最終目標(biāo)是最大限度的節(jié)能與安全運(yùn)行，只要使抽油機(jī)電動機(jī)的均方根功率最小，就可以實(shí)現(xiàn)上述兩個目標(biāo)。

2）功率曲線法判斷抽油機(jī)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(jī)的平衡更符合實(shí)際。

3）用功率曲線法計(jì)算出的平衡塊位移比較準(zhǔn)確，能做到一次調(diào)整好。

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

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

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

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

[4]張明亮.抽油機(jī)曲柄平衡的調(diào)整計(jì)算及效果預(yù)測[J].石油機(jī)械，2001（5）：37-38.

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

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