抽油機井平衡比與能耗的關系

陳曉賀 陳俊聰 袁舟大慶油田采油五廠 西南石油大學

抽油機井平衡比與能耗的關系

陳曉賀1陳俊聰1袁舟21大慶油田采油五廠 2西南石油大學

把抽油機電機在上、下沖程中做的功作為能量考慮，在深入分析抽油機電機在一個完整沖程過程做功的基礎上，根據抽油機工作原理，建立抽油機系統能量隔離體系，分析能量轉換情況。在理想狀況下（載荷端和平衡端能量相互完全轉換），以電機做功的作用方向為正功，以上、下沖程曲柄各旋轉180°為條件，推導抽油機井電機在一個完整沖程的做功情況。試驗證明：抽油機井一個完整沖程內，在不產生負功的情況下，電機能耗與抽油機井平衡比無關，只與活塞以上液柱重量和沖程有關；當上、下沖程均產生負功時，平衡比調整不能改變負功大小。抽油機井平衡比調整的作用是下調裝機功率和保證抽油機設備安全運行。

抽油機井；能量守恒；平衡調整；電流平衡比；能耗

1 理論分析與數學模型的建立

1.1 抽油機井能耗狀況理論分析

把抽油機電機在上、下沖程中做的功作為能量考慮，在深入分析抽油機電機在一個完整沖程過程做功的基礎上，根據抽油機工作原理，建立抽油機系統能量隔離體系，分析能量轉換情況。

假設抽油機井在上、下沖程過程中，載荷端和平衡端能量相互完全轉換，即dAm≥0。上沖程時，曲柄平衡塊向下運動釋放的能量，被載荷端全部吸收；下沖程時，抽油桿柱向下運動釋放的能量被曲柄平衡塊全部吸收。在只考慮靜載荷的情況下，抽油機系統內部一個完整沖程消耗的能量是守恒的，即抽油桿柱和曲柄平衡塊之間的能量，在抽油機井體系內部的相互轉換過程中是守恒的，無論抽抽油機井平衡比如何變化，上、下沖程消耗能量的總和是恒定的。

1.2 數學模型的建立與推導

在理想狀況下（載荷端和平衡端能量相互完全轉換），以電機做功的作用方向為正功，以上、下沖程曲柄各旋轉180°為條件，推導抽油機井電機在一個完整沖程的做功情況。

上沖程中平衡塊釋放能量，幫助電機對懸點做功，則得電機在上沖程中做的功為

式中Amu為電機在上沖程中輸出的功；Au為抽油桿和液柱上行所消耗的功；Aw為平衡塊下行所釋放的能量。

當只考慮靜載荷做功時，懸點在上沖程中任意位置做的功為

式中m為平衡塊質量；g為重力加速度；L為平衡塊重心到曲柄輸出軸中心的距離；φ為曲柄平衡塊的轉角。

由此可知，在上沖程中任意位置電機所做的功為

上沖程過程電機所做功之和為

下沖程為平衡塊儲存能量，電機和懸點載荷一起對平衡塊做功，電機所做的功為

式中Amd為電機在下沖程中輸出的功；Ad為抽油桿柱下行所釋放的能量；Aw為平衡塊上行時所吸收的能量。

當只考慮靜載荷做功時，抽油桿在下沖程任意位置所釋放的能量為

平衡塊在儲存能量的過程中，其在任意位置所吸收的能量為

由此，可得出下沖程中任意位置電機所做的功為

在下沖程過程中電機做功之和為

抽油機井電機在一個完整沖程過程中做功總和等于式（5）+式（10），整理后得

由式（11）可知，當dAm≥0時，抽油機井電機在一個完整沖程中輸出功（能耗）的多少與平衡無關，只與活塞以上液柱重量（泵徑、含水、有效舉升高度）和沖程有關。說明按照目前標準調整抽油機井電流平衡比，對電機能耗沒有任何影響。

2 平衡比與能耗關系的驗證

根據相關標準中有關抽油機井平衡的原則，進行了功率法平衡調整試驗，但試驗結果并不符合標準描述的情況。又根據抽油機井電流平衡的相關規定，進行平衡比調整和電量測定。表1、表2為2口井的電流平衡比與對應的日耗電數據。

表1 1#井平衡比與對應的日耗電數據

表2 2#井平衡比與對應的日耗電數據

由1#井平衡比與對應的日耗電數據以及1#井調整數據曲線可看出，電機做功始終大于等于零時，抽油機井日耗電量的趨勢不隨平衡比向100%方向變化而降低，證明抽油機井在一個完整沖程中的耗電量與平衡比無關。

由2#井平衡比與對應的日耗電數據以及2#井調整數據曲線可看出，在上、下沖程均產生負功的情況下，不僅電流平衡比由小于100%向100%方向變化耗電量沒有降低的趨勢，而且平衡比由100%向大于100%方向變化耗電量也沒有上升的趨勢，進一步證明了抽油機井的能耗與平衡比無關。同時，通過單沖程測試功率曲線發現，隨著抽油機井平衡比的變化，在下死點附近和上死點附近產生的負功大小也在發生變化。但是，數據統計產生負功的總量變化不大，負功總量的變化趨勢也不和平衡比的變化趨勢一致。說明在此情況下，平衡比調整不能改變負功的大小。

通過對平衡比調整和電參數測量的數據、曲線進行分析，發現耗電量的變化和平衡比的變化無關；在上、下沖程均產生負功的情況下，調整電流平衡比也不能改變負功的大小。

3 抽油機調整平衡作用

根據平衡比調整前、后電流曲線對比分析，當電流平衡比小于100%時，通過調整抽油機井平衡比，隨著電流平衡比向100%的方向變化，上沖程最大電流隨著下沖程最大電流的上升而下降，反之亦然。使得電機在一個完整沖程運行中的最大電流有所下降，為降低裝機功率創造條件；同時也使減速箱最大輸出扭矩有所下降，緩解了減速箱齒輪受力不均的矛盾，有利于延長減速箱的使用壽命和安全運行。

4 結論

抽油機井一個完整沖程內，在不產生負功的情況下，電機能耗與抽油機井平衡比無關，只與活塞以上液柱重量和沖程有關；當上、下沖程均產生負功時，平衡比調整不能改變負功大小。抽油機井平衡比調整的作用是下調裝機功率和保證抽油機設備安全運行。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.003