抽油機(jī)井平衡比與能耗的關(guān)系

陳曉賀 陳俊聰 袁舟大慶油田采油五廠 西南石油大學(xué)

抽油機(jī)井平衡比與能耗的關(guān)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(xué)

把抽油機(jī)電機(jī)在上、下沖程中做的功作為能量考慮，在深入分析抽油機(jī)電機(jī)在一個(gè)完整沖程過(guò)程做功的基礎(chǔ)上，根據(jù)抽油機(jī)工作原理，建立抽油機(jī)系統(tǒng)能量隔離體系，分析能量轉(zhuǎn)換情況。在理想狀況下（載荷端和平衡端能量相互完全轉(zhuǎn)換），以電機(jī)做功的作用方向?yàn)檎Γ陨稀⑾聸_程曲柄各旋轉(zhuǎn)180°為條件，推導(dǎo)抽油機(jī)井電機(jī)在一個(gè)完整沖程的做功情況。試驗(yàn)證明：抽油機(jī)井一個(gè)完整沖程內(nèi)，在不產(chǎn)生負(fù)功的情況下，電機(jī)能耗與抽油機(jī)井平衡比無(wú)關(guān)，只與活塞以上液柱重量和沖程有關(guān)；當(dāng)上、下沖程均產(chǎn)生負(fù)功時(shí)，平衡比調(diào)整不能改變負(fù)功大小。抽油機(jī)井平衡比調(diào)整的作用是下調(diào)裝機(jī)功率和保證抽油機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行。

抽油機(jī)井；能量守恒；平衡調(diào)整；電流平衡比；能耗

1 理論分析與數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 抽油機(jī)井能耗狀況理論分析

把抽油機(jī)電機(jī)在上、下沖程中做的功作為能量考慮，在深入分析抽油機(jī)電機(jī)在一個(gè)完整沖程過(guò)程做功的基礎(chǔ)上，根據(jù)抽油機(jī)工作原理，建立抽油機(jī)系統(tǒng)能量隔離體系，分析能量轉(zhuǎn)換情況。

假設(shè)抽油機(jī)井在上、下沖程過(guò)程中，載荷端和平衡端能量相互完全轉(zhuǎn)換，即dAm≥0。上沖程時(shí)，曲柄平衡塊向下運(yùn)動(dòng)釋放的能量，被載荷端全部吸收；下沖程時(shí)，抽油桿柱向下運(yùn)動(dòng)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(jī)系統(tǒng)內(nèi)部一個(gè)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(jī)井體系內(nèi)部的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中是守恒的，無(wú)論抽抽油機(jī)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(shù)學(xué)模型的建立與推導(dǎo)

在理想狀況下（載荷端和平衡端能量相互完全轉(zhuǎn)換），以電機(jī)做功的作用方向?yàn)檎Γ陨稀⑾聸_程曲柄各旋轉(zhuǎn)180°為條件，推導(dǎo)抽油機(jī)井電機(jī)在一個(gè)完整沖程的做功情況。

上沖程中平衡塊釋放能量，幫助電機(jī)對(duì)懸點(diǎn)做功，則得電機(jī)在上沖程中做的功為

式中Amu為電機(jī)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(dāng)只考慮靜載荷做功時(shí)，懸點(diǎn)在上沖程中任意位置做的功為

式中m為平衡塊質(zhì)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(zhuǎn)角。

由此可知，在上沖程中任意位置電機(jī)所做的功為

上沖程過(guò)程電機(jī)所做功之和為

下沖程為平衡塊儲(chǔ)存能量，電機(jī)和懸點(diǎn)載荷一起對(duì)平衡塊做功，電機(jī)所做的功為

式中Amd為電機(jī)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(shí)所吸收的能量。

當(dāng)只考慮靜載荷做功時(shí)，抽油桿在下沖程任意位置所釋放的能量為

平衡塊在儲(chǔ)存能量的過(guò)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(jī)所做的功為

在下沖程過(guò)程中電機(jī)做功之和為

抽油機(jī)井電機(jī)在一個(gè)完整沖程過(guò)程中做功總和等于式（5）+式（10），整理后得

由式（11）可知，當(dāng)dAm≥0時(shí)，抽油機(jī)井電機(jī)在一個(gè)完整沖程中輸出功（能耗）的多少與平衡無(wú)關(guān)，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(guān)。說(shuō)明按照目前標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整抽油機(jī)井電流平衡比，對(duì)電機(jī)能耗沒(méi)有任何影響。

2 平衡比與能耗關(guān)系的驗(yàn)證

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)抽油機(jī)井平衡的原則，進(jìn)行了功率法平衡調(diào)整試驗(yàn)，但試驗(yàn)結(jié)果并不符合標(biāo)準(zhǔn)描述的情況。又根據(jù)抽油機(jī)井電流平衡的相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行平衡比調(diào)整和電量測(cè)定。表1、表2為2口井的電流平衡比與對(duì)應(yīng)的日耗電數(shù)據(jù)。

表1 1#井平衡比與對(duì)應(yīng)的日耗電數(shù)據(jù)

表2 2#井平衡比與對(duì)應(yīng)的日耗電數(shù)據(jù)

由1#井平衡比與對(duì)應(yīng)的日耗電數(shù)據(jù)以及1#井調(diào)整數(shù)據(jù)曲線可看出，電機(jī)做功始終大于等于零時(shí)，抽油機(jī)井日耗電量的趨勢(shì)不隨平衡比向100%方向變化而降低，證明抽油機(jī)井在一個(gè)完整沖程中的耗電量與平衡比無(wú)關(guān)。

由2#井平衡比與對(duì)應(yīng)的日耗電數(shù)據(jù)以及2#井調(diào)整數(shù)據(jù)曲線可看出，在上、下沖程均產(chǎn)生負(fù)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(méi)有降低的趨勢(shì)，而且平衡比由100%向大于100%方向變化耗電量也沒(méi)有上升的趨勢(shì)，進(jìn)一步證明了抽油機(jī)井的能耗與平衡比無(wú)關(guān)。同時(shí)，通過(guò)單沖程測(cè)試功率曲線發(fā)現(xiàn)，隨著抽油機(jī)井平衡比的變化，在下死點(diǎn)附近和上死點(diǎn)附近產(chǎn)生的負(fù)功大小也在發(fā)生變化。但是，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生負(fù)功的總量變化不大，負(fù)功總量的變化趨勢(shì)也不和平衡比的變化趨勢(shì)一致。說(shuō)明在此情況下，平衡比調(diào)整不能改變負(fù)功的大小。

通過(guò)對(duì)平衡比調(diào)整和電參數(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)、曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)耗電量的變化和平衡比的變化無(wú)關(guān)；在上、下沖程均產(chǎn)生負(fù)功的情況下，調(diào)整電流平衡比也不能改變負(fù)功的大小。

3 抽油機(jī)調(diào)整平衡作用

根據(jù)平衡比調(diào)整前、后電流曲線對(duì)比分析，當(dāng)電流平衡比小于100%時(shí)，通過(guò)調(diào)整抽油機(jī)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(jī)在一個(gè)完整沖程運(yùn)行中的最大電流有所下降，為降低裝機(jī)功率創(chuàng)造條件；同時(shí)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(zhǎng)減速箱的使用壽命和安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

抽油機(jī)井一個(gè)完整沖程內(nèi)，在不產(chǎn)生負(fù)功的情況下，電機(jī)能耗與抽油機(jī)井平衡比無(wú)關(guān)，只與活塞以上液柱重量和沖程有關(guān)；當(dāng)上、下沖程均產(chǎn)生負(fù)功時(shí)，平衡比調(diào)整不能改變負(fù)功大小。抽油機(jī)井平衡比調(diào)整的作用是下調(diào)裝機(jī)功率和保證抽油機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.003