游梁式抽油机平衡度与运行性能研究

冯子明， 方 欣， 赵 宇，高启明

(1.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452)

游梁式抽油机平衡度与运行性能研究

冯子明1， 方 欣1， 赵 宇2，高启明1

(1.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452)

抽油机平衡调整的优劣直接影响到抽油机井系统的安全性和节能性。为游梁式抽油井提供一套可靠而科学的平衡调整依据，选用油田常用的常规抽油机为研究对象，分别就电流平衡度、扭矩平衡度和功率平衡度与电机效率、周期载荷系数和功率消耗进行关联性研究。按文中案例计算结果表明：扭矩平衡度的合理范围为0.65～1.05，电流平衡度值的合理范围为0.7～1.1，功率平衡度值的合理范围为0.8～1.2。

游梁式抽油机；平衡度；节能特性；周期载荷系数；额定功率

游梁式抽油机平衡调整的优劣程度，会影响抽油机井系统的运行性能和安全性能，国内很多高校和采油厂的科研人员都对电流法调平衡、扭矩法调平衡和功率法调平衡进行了实验和理论研究。2008年赵美刚等人[1]经过对抽油机平衡度的连续对比测试，认为平均功率平衡度为1时地面效率最高。2009年陈永明[2]经过试验测试研究后认为，抽油机在0.85～1.15平衡度范围内的能耗最低。2013年杨胡坤等人[3]以电流平衡度为基本定义编制了电流法平衡调整软件，并在采用一厂进行了很好的应用。2013年刘华伟等人[4]按功率曲线法和扭矩曲线法分别对游梁式抽油机进行了平衡调整，认为两种方法都比较准确，其中扭矩曲线法更加精确，但计算繁琐，而功率曲线法计算相对简便。《SY/T 6275-2007 油田生产系统节能监测规范》和《SY/T 6374-2008 机械采油系统经济运行规范》本别就游梁式抽油机的合理平衡度范围给予了确定：0.8～1.1。但是没有明确是哪种类型的游梁式抽油机。其实不同类型的抽油机，其结构参数不同会有不同特征扭矩曲线，因而合理平衡度范围也有所差别。

以CYJ10-3-37HB型常规游梁抽油机为具体的研究对象，综合考虑扭矩平衡度、电流平衡度和功率平衡度与周期载荷系数、能耗和电机效率等之间的关联特性，经过理论计算和分析后，获得了三种定义下的平衡度最佳调整范围。本文的最佳平衡度指标的确立为油田机采井的高效安全运行提供了必要的理论指导和实践依据。

1 相关概念和基本计算参数

我国各油田都是按中国石油天然气行业标准《SY/T 5044-2003游梁式抽油机》提出抽油机的平衡调整方法进行抽油机平衡调整，主要有电流法、功率法和扭矩法。本文定义的三种平衡度如下所述。

电流法平衡度：下冲程最大电流值与上冲程最大电流值的比值。

功率法平衡度：下冲程平均功率与上冲程平均功率之比。

扭矩法平衡度：下冲程最大扭矩值与上冲程最大扭矩值之比。

电流峰值测量最方便，因此电流法平衡度应用最为广泛，但是由于电流没有负值，会有假平衡现象的出现，因此只有经验丰富的技术人员才能对假平衡现象进行剔除。由于减速箱输出扭矩并不好测量，传统的经验计算公式计算的峰值扭矩误差较大，因此扭矩法平衡度应用并不广，也不方便使用。电动机的输入功率较好测量，功率法平衡度应用比较广，很多研究人员都比较推崇功率法平衡度。

本文涉及的抽油机运动特性计算公式、悬点载荷计算和减速箱扭矩计算公式，均可参考1994年邬亦炯编著的《有杆抽油设备与技术：抽油机》一书。

本文进行案例理论计算所涉及的抽油机和井况参数如表1所示，其它计算案例也参照本表数据进行延伸和扩展。

表1 常规机运行基本工况

2 结果与讨论

图1 常规机平衡度与周期载荷系数关系

图1表示在不同平衡度定义下的常规机周期载荷系数的变化规律。由图可知，大体上基于三种平衡度计算出的周期载荷系数都是随着平衡度值的增加而先减小后增大的规律，周期载荷系数代表抽油机运行的平稳性，其值越小运行越平稳，扭矩平衡度值大概为0.7时抽油机运行最平稳，电流平衡度值大概为0.73时抽油机运行最平稳，而功率平衡度值为1时抽油机运行最平稳。即无论何种平衡度定义，只要找到最佳平衡位置，都可以使抽油机运行平稳。在本例计算结果可知，从常规机的周期载荷系数看，可以认定扭矩平衡度值的合理范围为0.65～1.05，电流平衡度值的合理范围为0.7～1.1，功率平衡度值的合理范围为0.8～1.2。

图2表示在不同平衡度定义下的常规机消耗功率的变化规律。由图可知，随着平衡度的增加，功耗是先减小然后增大，三种平衡度定义下的能耗曲线都有一个极值点是能耗最小的平衡位置，曲线谷低一小段变化缓慢的区域可以被确定为是抽油机合理运行的平衡指标。对比图1可以发现，两个图中的三条曲线分别非常相似，最低功率消耗点与最小周期载荷系数完全重合到一起，说明抽油机在最平稳的运行工况下也恰恰是最节能的工作状态。因此，从常规机的能耗角度看；也可以认为扭矩平衡度值的合理范围为0.65～1.05，电流平衡度值的合理范围为0.7～1.1，功率平衡度值的合理范围为0.8～1.2。

图2 常规机平衡度与其消耗有功功率的关系

图3 常规机平衡度与电机效率的关系

图3表示常规抽油机不同平衡状态下，一个运行周期内的37kW三相异步电动机的平均效率。随着平衡度的增加，三种定义下的效率曲线都是先增加到一个峰值点后再减小。说明从电动机效率角度来说，合理平衡应该有一个范围是可以被接受的，电机的最高效率点的平衡度和最小周期载荷系数、最小能耗点是保持一致的。从电动机高效运行角度看，扭矩平衡度值的合理范围为0.65～1.05，电流平衡度值的合理范围为0.7～1.1，功率平衡度值的合理范围为0.8～1.2。

图4 常规机不同平衡度下所需电机额定功率的理论计算值

图4表示抽油机不同平衡位置，按理论计算的电机额定功率值，从图中可以看出，对于常规抽油机，平衡度的变化对电机容量基本没有影响，如果按《SY/T 6374-2008 机械采油系统经济运行规范》确定的平衡指标0.8～1.1，合理运行的抽油机无需更换电机，及时平衡在超出平衡指标范围，也无需更换电机。

图5 各型号常规机最佳平衡度范围

图5表示不同型号的常规抽油机的最佳平衡点。对于扭矩平衡度，6型、8型和10型机对应值分别为0.544、0.588和0.578，三者相差不大。对于电流平衡度，6型、8型和10型机对应值分别为0.86、0.67和0.64，与行业标准提供的平衡指标并非完全吻合。对于功率平衡度，三种型号抽油机的最佳平衡指标则完全一致，这是因为功率平衡度定义本身即暗含最小能耗原则。

图6 不同型号常规机抽油机的节电潜力

图6表示不同型号常规抽油机按电流平衡度1的运行工况下还具有的节能潜力，即按《SY/T 6374-2008 机械采油系统经济运行规范》的规定，电流平衡度为1是判为平衡运行点，但对于常规游梁抽油机，此时并非是最节能平衡运行点，对于这三种型号抽油机还有1%左右的节电率。节电率是相对值，机型越大，消耗功率越大，此时节电率潜力相对就小，这是随着机型增大，节电率空间变小的原因。

结论

对于常规游梁式抽油机来说，有以下关于平衡度的规律。

(1)扭矩、电流和功率平衡度分别为0.7、0.73和1时

的周期载荷系数最小；

(2)扭矩、电流和功率平衡度分别在0.65～1.05，0.7～1.1和 0.8～1.2时，有功功率消耗量最少；

(3)电机最高效率点时的平衡度和最小周期载荷系数、最小能耗点是保持一致的；

(4)在较大平衡度范围内，常规游梁式抽油机电动机额定功率可以保持不变；

(5)不同型号的异相抽油机，最佳扭矩和电流平衡度并不相同，功率平衡度则都为1；

(6)对于常规游梁抽油机，电流平衡度为1并非最节能的运行点，此时抽油机还有一定的节能空间。

[1]赵美刚，吴永峰，印梅，杨新平，丁明华，程豪．抽油机平衡度连续对比测试[J]．新疆石油科技，2008(1)．

[2]陈永明．抽油机平衡度与能耗的关系[J]．油气田地面工程，2009(9)．

[3]杨胡坤，秦丽丰，卢玉，王慧．常规游梁式抽油机电流平衡调整方法研究[J]．石油矿场机械，2013(6)．

[4]刘华伟，李振林，孙东．抽油机平衡度调整方法解析及其比对研究[J]．石油工业技术监督，2013(9)．

Class No.:TE933.107 Document Mark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

On the Balance and Operation Performance of Beam Pumping Unit

Feng Ziming1, Fang Xin, Zhao Yu2, Gao Qiming1

(1.School of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University,Daqing, Heilongjiang 163318,China；2.CNOOC (China) Co., LTD. Tianjin Branch , Bohai Petroleum Institute,Tianjing 300452，China)

The pros and cons of pumping unit balance adjustment directly affects the safety and energy efficiency of pumping well system. Providing a reliable and scientific balance adjustment basis for the beam pumping well, The conventional pumping unit used in oil field is chosen as the research object. The study on the correlation of the degree balance of current、the degree balance of torque、the power balance、the motor efficiency、the periodic load factor and the power consumption is carried out. According to the calculation results of the case in the article, the reasonable range of the degree balance of torque is 0.65～1.05, the reasonable range of the degree balance of current value is 0.7～1.1, the reasonable range of the power balance value is 0.8～1.2.

beam pumping unit; degree of balance; energy saving characteristics; periodic load factor; rated power

冯子明，博士，副教授，东北石油大学机械科学与工程学院。研究方向：机械采油技能技术和流体机械数值仿真技术。

黑龙江省教育厅科学技术资助项目“游梁抽油机与电机耦合运行及合理匹配理论研究”(No.12541099)。

1672-6758(2016)12-0052-3

TE933.107

A