自平衡抽油机平衡调节技术研究

孙鹏程

（中国石化集团公司能源管理与环境保护部，北京 100728）

常规游梁式抽油机以结构简单、易损件少、耐用、可靠性高、操作简便、维修方便、维修费用低等特点一直占据有杆泵采油地面装置的主导地位，在胜利油田两万余口抽油机井中，游梁式抽油机占抽油机总数70%以上。但由于智能化程度低、工作效率低且数量庞大，导致游梁式抽油机年耗电量约占油田总能耗的1/3。随着各大油田进入中、高含水期，电能的高消耗增加了原油的开采成本，抽油机井的优化运行成为油田节能降耗亟待解决的问题。

游梁式抽油机是一个大惯量、变载荷的系统，其平衡度是影响抽油机能耗的关键因素之一。一方面目前普遍的人工调平衡需3～4人调2小时以上，工人劳动强度大、操作时间长、降低油井开井时率，平衡度达标率仅60%左右，且抽油机不平衡（平衡度＜80%或平衡度＞120%）运行，电机倒发电、耗能高、机架振幅加大，影响传动系统寿命；另一方面，利用电流平衡率判断抽油机平衡度的方法不能保证抽油机的平衡，电流不平衡抽油机也有可能平衡。电流法抽油机平衡测试方法在理论和实际操作上有着很大的缺陷，准确度较差，存在虚假平衡问题。利用这种方法对抽油机平衡度进行改善，效果较差，还可出现抽油机能耗增大的情况。

针对传统的游梁式抽油机存在人工调平衡困难，平衡度达标率低等问题，中国石油与中国石化分别研究设计了智能自平衡游梁式抽油机，以适应各油田规范化、智能化的管理要求。

1 游梁式抽油机自动调平衡技术现状

现阶段，应用平衡度自动调整技术主要有两大类型抽油机，分别为尾游梁摆动自平衡抽油机和尾游梁弯矩自平衡抽油机，技术原理及应用现状分别见表1、2。

大庆油田采用的“抽油机功率随动控制技术”在现场进行了大量实验，测试结果显示平均单井日节电约30kW·h，系统效率平均提高约15百分点，节能效果非常明显。图1为优化前后电功率曲线。

胜利油田“四化”建设示范区针对区块进行了集成配套，开发了油井实时监控、功图量油、远程调参等技术。胜利油田石油工程技术研究院自主研发了自平衡抽油机，平衡块通过丝杆、减速器与固定在曲柄上的异步电机相连，当需要平衡调节时，启动电机，通过控制电机运行时间控制平衡块位置。这样的设计使平衡调整变得方便、容易，不需要多人工现场操作，更加安全，且在调平衡过程中不需要停机，不妨碍油井的正常生产。

表1 尾游梁摆动自平衡抽油机技术原理及应用现状

表2 尾游梁弯矩自平衡抽油机技术原理及应用现状

图1 优化前后功率曲线

通过技术调研，现有游梁机调平衡技术和智能调控技术取得了一定的节能效果，但胜利油田油井负荷大，平衡点的选取是自动调平衡的关键。

2 平衡测试技术的研究

2.1 现有平衡度测试技术

由于现场环境和测试条件的限制，传统平衡度测试技术和计算方法往往基于简单的运行参数，对精度要求较高以及不同井况的测试环境适应性很差。根据相关标准，目前平衡度测试和计算方法有以下几种：

1）电流法

电流平衡法中，抽油机平衡度即抽油机下冲程对应的电动机最大输入电流与抽油机上冲程对应的电动机最大输入电流之比。

电流平衡法在早期国内各油田游梁抽油机管理中应用最为广泛，测试耗时短，简单方便。抽油机下冲程最大电流与上冲程最大电流之比在80%～110%之间，即抽油机平衡；当小于80%时，认为抽油机平衡过轻（即欠平衡）；当大于110%时，认为平衡过重。在实际测试中，一般仅使用电流互感器接在抽油机电机的三相电端，测试记录电机的电流值，取上、下冲程的最大电流比值作为此时抽油机的平衡度。

在实际工作中，电流法调平衡存在很多问题，比如电机空载时电流就达额定电流的30%～40%，负载增加时，电流变化并不大，而功率因数在变化，所以对于大马拉小车的抽油机（油田上这种情况很普遍）就算是不平衡从电流上也看不出来。并且电流法所用钳形电流表无法区分电流方向，当抽油井含有较大负功时容易产生虚假平衡问题（对于不平衡抽油机均存在倒发电现象，即存在负功率问题），所以说，电流平衡抽油机也不一定平衡。

2）功率法

功率法分为最大功率法与平均功率法，最大功率法与电流法类似，这里只介绍平均功率法。平均功率法就是下冲程电动机平均输出功率与上冲程电动机平均输出功率之比。

平均功率法的普及依赖于现场测试仪器的发展更新，获取更多更准确的抽油机参数变得容易，可以较方便地测试出抽油机在一个冲程周期内的功率曲线。与电流平衡法相比，平均功率法有很多优点。首先，平均功率会降低虚假平衡的影响；其次，抽油机调平衡就是调整抽油机配重装置的质量或位置，使用平均功率法计算出的平衡块位移量相对准确，调整次数减少。

2.2 平衡度测试技术现场实验分析

为了分析游梁式抽油机平衡度与节能效果的关系，在油田现场进行了大量的平衡度实验，以下为部分实验数据。

第一组测试井的具体参数如表3所示，改变平衡块位置前后实验数据如表4所示，测试井初始位置地面示功图如图2所示。

第一组数据显示抽油机运行情况良好，抽油机平衡度在较正常的范围内调整。由数据可知，第一次调整后日用电量减少3.1%左右，第二次调整后，日用电量减少5.3%左右。电流法计算的平衡度在第一次调整后达到平衡标准要求，第二次调整后反而超出标准范围。而平均功率法显示，在第二次调整后平衡度更为合适。

第二组测试井的具体参数如表5所示，改变平衡块位置前后记录的实验数据如表6所示，测试井初始位置地面示功图如图3所示。

表3 第一组测试井的具体参数

图2 第一组测试井地面示功图

表4 第一组测试井实验数据

表5 第二组测试井的具体参数

第二组数据中，第一次调整后日用电量减少8.2%左右，第二次调整后，日用电量减少8.6%左右。在此组实验中，当平衡块处于原始位置时，功率法平衡度值非常大，是因为抽油机上行时电机做负功较大，平均功率很小。在第一次与第二次调整后，平衡度靠近标准值。电流法计算平衡度比较正确的反映了抽油机平衡度的变化。

第三组测试井的具体参数如表7所示，改变平衡块位置前后记录的实验数据如表8所示，测试井初始位置地面示功图如图4所示。

第三组数据中，调整后日用电量减少2.6%左右。此次试验数据中，平均功率法计算得到的平衡度为负值，距离标准值相差较远，这是由抽油机自身局限和境况决定。在这种情况下，使用电流法和平均功率法无法使抽油机到达理想的平衡状态，只能由其变化趋势判断抽油机平衡程度是否合理，指导抽油机平衡度调整。

表6 第二组测试井实验数据

图3 第二组测试井地面示功图

图4 第三组测试井地面示功图

表7 第三组测试井的具体参数

由以上三组数据可以看出，不同井况条件下，电流平衡法和平均功率平衡法不一定能准确反映抽油机平衡度，具有一定局限性和不确定性。

2.3 基于“最小功率”的平衡调节方法

要使抽油机平衡条件下最节能，归根结底就是使抽油机的输入电功率最小。“最小功率”的平衡调节方法就是基于这个思想。通过不断改变抽油机平衡状态，检测其在一个冲次内的输入功率，将其最小时的状态认定为理想平衡状态。对于一台具体的抽油机，通过电参数检测系统自动检测记录其一个完整冲程的平均功率，同时控制平衡块向一个方向调节特定的步进值。一段特定时间后，待抽油机运行稳定，重复测试，同时继续调节平衡块。多次测量与调节后得到抽油机平均功率随时间变化的曲线图，如图5所示，确定曲线上功率最小值点为最佳平衡状态。

表8 第三组测试井实验数据

在实际生产应用中，可以结合现场油井状况，综合运用功率、电流和基于“最小功率”的平衡调节方法，实现抽油机稳定安全高效运行。

2.4 常规平衡度计算与“最小功率”平衡度调节方法现场试验对比

针对自平衡抽油机平衡度调节简单方便的特点，在现场选取一口油井进行试验，通过改变抽油机曲柄平衡块位置，对比不同平衡度计算方法的效果，测试抽油机的各项参数如表9所示。

图5 基于“最小功率”的平衡反馈调节

表9 自平衡抽油机各项参数

1）基于常规平衡度计算的现场试验

通过测试抽油机平衡块在不同位置时的电机运行数据，分析不同计算方法计算平衡度的结果，取记录的平均值做曲线，见图6、图7。

由图6、图7可以看出，由电流法测出的抽油机平衡度均在90%～100%之间，满足标准要求，但是由平均功率法计算的平衡度很小，为极度不平衡状态，两种计算方法出现了较大的差别，无法确定哪种方法正确。

图6 电流法平衡度测试结果

图7 平均功率法平衡度测试结果

从测试数据中提取了平稳运行时两个冲程的功率曲线，如图8所示。由图8可知，该井功率极值出现在上、下死点附近，但是在整个冲程中存在比较大的倒发电功，因此引起了电流法平衡度计算合理，而平均功率法计算不准的情况，也说明对于这类油井，电流法和功率法无法判断抽油机的平衡状态，不能为抽油机平衡调节和节能运行提供支持。

图8 抽油机电机功率曲线

2）基于“最小功率”的平衡度计算现场试验

为了解决上述问题，使用最小功率法进行了平衡度计算及判别，调整平衡块在不同位置，记录的抽油机电功率数据（平衡块每次移动的距离为10 cm），得到抽油机电机正向和倒发电功率随平衡块位置变化趋势如图9、图10所示。

由图9、图10可知，平衡块在位置6和位置7时，抽油机电机倒发电功率最少，正向有功功率最低，抽油机处相对用电最低状态。可以看出，在测试井这类井况下，基于“最小功率”的平衡调节方案，可以避免常规平衡度计算方法不一致引起的困扰，能够对抽油机的平衡调节给出指导建议，有较大的现场实用价值。

图9 平衡块不同位置抽油机正向功率

图10 平衡块不同位置抽油机倒发电功率

3 结论

通过实验室和现场测试、分析与改进，针对抽油机平衡度计算得出以下几点结论：

1）完成了在自平衡抽油机上的平衡度算法评价功能，分析了电流法、平均功率法的适用性，在部分特殊井况下，这两种方法都存在不适用的问题。

2）使用基于“最小功率”的平衡调节方法进行了现场测试和应用，结果显示在部分井况下，该方法可以作为平衡度判别的辅助方法。

3）抽油机平衡度测试、计算及调整是一个看似简单、实则复杂的问题，不同的计算方法都存在着自身的适用范围，而现行标准中的平衡度合理范围也需要随着计算方法的不同而进行修正。因此在今后的工作中，需进一步扩大平衡度测试范围，对比不同机型、不同平衡度位置时，不同平衡度计算方法的差异，最终得出最适合的平衡度判别方法。