功率法抽油机井平衡分析仪的设计与应用

李一凡 寿韬 谢玉海 陈伟兰 夏志学 董传文

1.中国石油华北油田分公司;2.中国石油渤海钻探井下作业公司

油田生产中抽油机平衡调整方法较多，每种方法调整效果不同。游梁式抽油机复杂的机械运动使其平衡调整难度较大。电能法、示功图法、平均功率法、曲柄轴转矩法等相关方法被广泛讨论，并通常采用某一特定的方法调整抽油机的平衡率。由于没有合适的测试评价手段，油田生产中，抽油机平衡的评价标准通常采用电流法，即用钳形电流表测量电机前端三相电的其中一相电流，当下冲程最大电流与上冲程最大电流之比在0.85～1.18之间时，判断该抽油机处于平衡状态。

2009年中国石油颁布了Q/SY 1233—2009 《游梁式抽油机平衡及操作规范》作为抽油机井调整平衡的操作标准。电流法简单易操作，但抽油机发电过程中电流方向相反，钳形电流表无法区分电流方向而容易误判；功率法能够避免电流法的弊端，准确判断抽油机平衡情况，但测试计算较电流法复杂。为此，将抽油机用电动机的功率曲线采集模块和Q/SY 1233—2009的平衡分析方法相结合，设计开发一种便携式的功率法平衡分析仪，可以现场测试、分析抽油机井平衡状况，提出调整建议，调整后可以通过测试数据进行调整结果的分析评价。

1 技术原理与设计过程

1.1 硬件设计

一般条件下，抽油机电机的三相功率负载基本平衡，功率曲线的采集采用单相有功功率即可，附带采集无功功率、电压、电流、功率因数、频率、有功电量、无功电量等参数。采集模块内置modbus-rtu协议，便于实时数据的通讯。

如图1所示，工作电源由V+、V-输入，通讯端口RX/A、RX/B、SGND同其他设备进行通讯。采样电压A相、B相、C相和N分别由UA、UB、UC、N端输入。采样电流A相、B相和C相分别由IA1IA2、IB1IB2、IC1IC2输入。

图1 功率采集原理电路图Fig. 1 Power acquisition principle circuit diagram

测量信号的采集方式与数字量的输入输出部分完全隔离，保证整个系统工作稳定可靠。功率采集模块的三相电压分别经过流电阻R1、R2、R3限流后再在经过精密互感器T1、T2、T3隔离进入电参数采集部分。三相电流经过T4、T5、T6等3个紧密电流互感器隔离后进入电参数采集部分。电参数采集部分采用专业采集芯片，完成电压、电流、有功、无功、因数等参数的采集，采集的数据经过SPI接口传进单片机。用户可通过隔离的通讯端口，用modbus-rtu协议读取采集的电参量。脉冲输入输出部分用于校标和即时采集的控制。

1.2 平衡分析计算方法

油井基础数据：抽油机型号、电动机型号、平衡方式（曲柄、游梁、复合）、曲柄长度、平衡块数量、平衡块单重（曲柄、游梁）、平衡块重心半径（曲柄、游梁）。

功率测试数据：曲柄旋转一周采集有功功率数据200点，按等时间间隔均匀采集数据。功率曲线分析如下。

（1）上、下冲程平均功率的计算。假设一个冲程周期测试记录了N组数据，对于曲柄平衡方式从曲柄位于 “12点钟位置”开始，对于游梁平衡方式从悬点位于下死点开始，前N/2组输入功率值平均就是抽油机上冲程平均功率，后N/2组输入功率值平均就是下冲程平均功率

（2）功率平衡度及平衡判别。功率平衡度为抽油机的上、下冲程平均功率之比，以较大值为分母，用小数表示

当上、下冲程的平均功率有一项为0或负值时，功率平衡度为0；当功率平衡度小于0.5时，可判定抽油机不平衡，需进行平衡调整。

（3）电流平衡度及平衡判别。电流平衡度为抽油机的下冲程峰值电流与上冲程峰值电流的比值，用小数表示。小于0.85表示抽油机处于欠平衡状态；在0.85～1.18之间表示抽油机处于平衡状态；大于1.18表示抽油机处于过平衡状态。欠平衡和过平衡均属于不平衡状态，均需进行平衡调整。

（4）平衡调整量的计算。抽油机的平衡可以由抽油机系统效率测试仪或专业软件按SY/T5044-2003标准中的均方根扭矩最小法则或上下冲程中最大扭矩相等的法则确定。

1.3 软件设计

人机交互软件采用智能终端设备进行设计开发，软件运行环境为Android系统，主要功能为：系统参数设置、功率数据采集、功率曲线分析、平衡结果计算、平衡调整建议等，如图2。

图2 平衡分析系统逻辑框图Fig. 2 logical block diagram of equilibrium analysis system

2 现场试验

2.1 实验过程

选用一口装有自动调平衡装置的抽油机为实验设备，尾梁平衡块在平衡尾梁上距离抽油机最远端位置标记为1，最近端位置标记为0，平衡尾梁长3 m配重700 kg，连续调整尾梁平衡块的位置测量不同平衡状态下的电参量。统计结果如表1。

表1 电流法和功率法平衡测试结果Table 1 balance test results of current and power methods

2.2 实验分析

由表1可明显看出在平衡块顺序改变抽油机平衡情况时，电流法得出的平衡度数值线性增大，6次测量平衡度都处于0.85～1.18之间，均为平衡状态，而此时配重700 kg的平衡块已经向外移动了3 m，属于过平衡状态，计算日耗电的最大最小差值相差9.64 kW·h。而且上行程电流与下行程电流的大小关系发生了一次改变，而人为操作的变化过程是由欠平衡向过平衡调节，分析可得其中存在发电过程，出现了“假平衡”现象。可见在此次实验中电流法只显示出了平衡改变的趋势是连续改变未能判断出是否平衡，且在大范围改变平衡块位置时仍旧处于平衡值范围。

与电流法同时测量的功率法平衡分析仪测得的功率平衡度值不断变小，计算得出建议调整距离的改变趋势反映的正是人为改变平衡块的操作过程。测试6的极端状态下，上行程由于平衡块较重电机处于发电状态，下行程电机负载较大，在现场可听出下行程中电机做功较大发出的声音明显区别于上行程，通过电机负载大小不同而发出的声音可判断抽油机处于不平衡状态。因此功率法较电流法能清晰反应平衡变化情况，较准确地计算真实平衡度。

通过表1中日耗电的数据可看出，人为改变游梁式抽油机趋于不平衡的过程中各次测试得出的耗电量相比测试1（此次测量中最接近平衡的测试值）均有不同程度增大，可证明抽油机处于不平衡状态时相对平衡状态耗电量大。

在平衡度逐渐变大的过程中，最接近平衡状态0.71时计算日耗电量最小，功率平衡度为0.17时日计算耗电量最大。由于实验不能实现单一变量，在线性改变平衡情况的同时，日耗电并未随之线性改变，根据2个极端可以判断当游梁式抽油机出于不平衡状态时较平衡状态日耗电量大。

功率法平衡度在0.71～0.17时，日耗电随平衡度减小而增大，可以证明在平衡改变较大范围时，耗电量与功率平衡度成反比，电机载荷增大耗电量增大；平衡情况在0.17～0.09时，日耗电量与平衡度成正比，曲柄平衡块惯性带动电机运行的行程开始变大使电机输出减小，出现耗电量减小的情况。在0.09～0.01区间时，上下行程中曲柄的惯性带动电机的行程越来越大，电机运行不稳定，曲柄减速至与电机转速相等时的冲量变大，使得耗电量又出现上升趋势，0.01已为此抽油机不平衡的极端情况，在整个变化过程中可判断抽油机处于严重不平衡状态时耗电量增大。

以上过程中在耗电量随平衡度减小而减小后电机处于不稳定运行状态，曲柄惯性对电机的冲击变大，长时间在此状态运行会使电机出现额外损耗，有损电机寿命。

电流法中上下行程峰值电流最接近时电流平衡度为0.97，此时耗电量最大，该点两侧均出现耗电量减小的情况。曲柄惯性对电机的冲击载荷使电机不稳定运行，平衡度1.16时耗电量较1.08时大。在平衡逐渐改变的过程中，测得的下行程峰值电流开始时小于上行程电流，随着平衡改变测得的下行程峰值电流大于上行程电流。按照现场经验，此种情况属于欠平衡逐渐变为过平衡的过程。但根据人为改变平衡的过程与电机运行状态判断此过程为平衡至过平衡的过程，存在一定偏差。电流法平衡度6次测量都处于平衡范围。以往现场经验认为的上下行程峰值电流接近，即可判断平衡也是有前提条件的，抽油机处于功率严重不平衡状态时，也会表现为电流平衡，所以，抽油机的平衡测试应以平均功率平衡为准。

3 结论

功率法平衡分析仪适用于游梁式抽油机的平衡测试分析工作，能够在平衡情况发生改变时及时判断平衡情况，计算得出平衡调整建议，方便现场工作人员调平衡，提高工作效率。