数字感知平衡节能系统在解决抽油机不平衡问题上的应用

李博（大庆油田技术监督中心）

抽油机的平衡是保正抽油机井安全、可靠、长寿命运行的基础，也是抽油机井节能的重要措施，一直受到国内外抽油机研究、制造和油田生产管理部门的重视[1]。抽油机平衡状态的好坏，直接影响减速器和电动机的负荷大小和使用寿命以及整机运转的平稳性[2]。因此，抽油机平衡的调整应先根据油井井况和抽油机工况，初步估算配重块的组合，以免出现严重不平窗现象。抽油机投产后，应根据抽油机电流情况及时调整平衡，以保证抽油机在最佳状态下工作。

1 抽油机井平衡度调整

1.1 抽油机井平衡与反发电现象

游梁式抽油机是将电动机高速旋转运动转化为驴头拉动抽油杆上下往复直线摆动实现采油，抽油杆向上运动负载重，向下运行负载较轻[3]。抽油机的曲柄平衡块主要是为了平衡抽油机上下负载平衡，降低电动机装机功率，通过调节平衡块可平衡上下冲程的最大载荷，但在该过程中会产生大量的负功，即抽油机产生反发电情况。如图1所示抽油机工频运行状况下2个周期都会产生负功。

图1 抽油机运行功率消耗曲线

抽油机负功产生的主要原因是平衡块释放储能带动抽油机运动超过了电动机的同步转速，该过程不仅不消耗电网的能量，还会产生发电现象。

1.2 抽油机井平衡与能耗关系

在某标准试验井上进行实验，在平衡度60%、90%、110%、120%时，模拟了输出轴净扭矩曲线。如图2所示，在平衡状态下，电动机有功功率变化较小；在不平衡状态下，抽油机能耗增加。

图2 扭矩曲线

对该井进行了平衡度调整测试，如图3 所示，现场实测有功功率变化趋势与理论计算值趋势基本一致。

图3 抽油机有功功率与平衡度关系曲线曲线

1.3 抽油机调平衡方式

抽油机在运行时，由于上、下冲程中悬点载荷并不均衡，满足上冲程载荷的电动机，在下冲程中将做负功，从而造成抽油机在上下冲程中受力极不平衡，这将严重降低电动机的效率和寿命，使抽油机发生剧烈振动，破坏曲柄旋转速度的均匀性，恶化抽油杆和泵的工作条件[4]。因此，抽油机必须采用平衡装置。要使抽油机平衡运转，就应使电动机在上、下冲程中都做正功并且做功相等[5]。简单的方法是在抽油机游梁后臂上加一重物，在上冲程时，则让重物储存的能量释放出来帮助电动机做功；在下冲程中让抽油杆自重和电动机一起对重物做功[6]。

目前常用的平衡方式有机械平衡和气动平衡。其中机械平衡方式是以增加配重块的重力势能来储存能量，在上冲程中配重块帮助电动机做功。机械平衡有以下三种方式[7]：

1）游梁平衡：在游梁尾部加平衡配重，适用于小型抽油机。

2）曲柄平衡：平衡配重加在曲柄上，这种平衡方式便于调节平衡，并且可避免在游梁上造成过大的惯性力，适用于大型抽油机。

3）复合平衡：在游梁尾部和曲柄上都加平衡配重，多用于中型抽油机。

2 数字感知平衡节能系统应用

国内现使用抽油机尾部配重为固定设计，平衡率小于0.85 或大于1.15 的油井占比在70%以上（平衡率趋于1为最理想状况），部分抽油机因尾部配重偏差过大已无法调节平衡[8]。现有抽油机设备均不同程度存在平衡率过低导致的运行平稳性较差，电能有效利用率偏低，需要依靠人工定期现场检测反复停机调整平衡，调整结果不精确，无法实现随井况变化动调节平衡，致使浪费大量人力物力，严重影响抽油机工作效率及节能方式的改进[9]。因此，改善抽油机的尾摆平衡，进一步提升抽油机系统效率成为油田节能增效的重要方面。

2.1 数字感知平衡节能系统原理

平衡调节是数字感知平衡节能系统设计的力学理论基础，电能平衡补偿是其设计的电学基础。通过对油井生产参数的实时采取和分析，采用改变抽油机配重力臂的方法，配合多种力学结构进行远程智能调整配重。根据力矩平衡的原理，采用改变力臂的方法，使尾部配重移动，进而改变其力矩，再结合电能平衡补偿系统的实时输出优化，通过“力”与“电”的智能融合——智能物联，可实现远程异地在线监控每台采油设备的运行状况，达到自动检测、智能控制，使整个采油过程达到系统平衡的前提下实现最低能耗[10]。同时，固定点启停，实现刹车功能，解决了无人值守启停井的安全问题。

2.2 数字感知平衡节能系统现场应用

2.2.1 节能效果

在某油田对5台平衡度不合格抽油机井应用数字感知平衡节能系统后，进行了现场节能效果测试，通过对其安装前后进行现场比对测试，5 台抽油机井应用数字感知平衡节能系统后，平均有功节电率为10.15%，无功节电率为15.95%，综合节电率为10.46%，系统效率平均提高了5.62%，平衡度得到有效改善，取得了较好的节能效果，并有效提高了抽油机井的系统效率，数字感知平衡节能系统应用节能效果见表1。

表1 数字感知平衡节能系统应用节能效果

2.2.2 数字化油田应用效果

1）通过对抽油机的智能平衡调节，对机采供电电网的多维度管理节能理：自动检视系统检视电网的运行情况，并与系统相关硬件和软件进行匹配以达到最佳使用节能效果，发挥功率互换补偿系统、能量计量系统、智能分析系统、专家系统的科学管理与应用。

2）实现实时自动调节，摆锤在无动力状态下自由摆动，对电流、电压、正有功、负有功、电能的实时监测、测量与记录，解决了涌流、杂波、电网反向充电等问题。

3）自主研发了多个分析、管理、监测、控制软件与程序。实现了对游梁式抽油机的远程智能自动平衡调节。

4）同时通过数据管理，程序分析自动实现油井的间抽、刹车；实现间抽由人工向自动控制，远程控制，智能间抽的转变，最终实现油井的智能远近程管理与控制。把油井生产参数数字化，利用数据管理系统分析数据，故障诊断，科学管理，远程智能控制，指导生产及实现生产自动化。

3 结论

数字感知平衡节能系统解决了抽油机尾摆平衡的问题，同时实现间拍时的刹车，为油田安全生产提供了保障，由人工操作向自动控制，远程控制，智能间抽的转变。数据采集由人工采集、统计转变为准确的实时远程智能采集、统计、分析，排除了人为因素造成的失误，全面提升管理的有效性，工作的精确度，节约人力、物力，实现更加准确有效的管理，整体效益显著提高。