抽油機(jī)井功率法平衡調(diào)整在低滲透油田的應(yīng)用

劉杰（大慶油田有限責(zé)任公司第十采油廠）

據(jù)2013年低滲透油田機(jī)采能耗設(shè)備調(diào)查結(jié)果可知，全油田在用抽油機(jī)井2620臺，其中常規(guī)游梁抽油機(jī)、低矮及雙驢頭抽油機(jī)井等使用傳統(tǒng)電流法平衡調(diào)整的抽油機(jī)共2512口井，占總井?dāng)?shù)的95.9%。為了摸清這些抽油機(jī)的實(shí)際平衡狀況，對試驗(yàn)區(qū)205口井進(jìn)行了電流和功率平衡監(jiān)測，試驗(yàn)區(qū)電流平衡率高達(dá)98.0% ，而功率平衡率僅有72.7% （圖1）。因此，利用功率法對電流假平衡井進(jìn)行判斷和調(diào)整，對于降低抽油機(jī)機(jī)采能耗、延長設(shè)備使用壽命具有十分重要的意義。

圖1 試驗(yàn)區(qū)205口井電流和功率平衡率對比

1 平衡原理及判斷方法

1.1 平衡原理和目的

抽油機(jī)平衡原理是在曲柄或游梁尾部加裝平衡重，在下沖程時(shí)把能量存儲起來，在上沖程時(shí)利用存儲的能量幫助電動機(jī)做功。如果平衡重合適，不僅可使電動機(jī)上、下沖程做功相等，并且使曲柄軸扭矩值變化很小，使電動機(jī)、減速箱載荷均勻，抽油機(jī)運(yùn)行更加安全平穩(wěn)，更加節(jié)能[1]。

1.2 平衡判斷方法

1.2.1 電流法

根據(jù)油田《機(jī)采井管理細(xì)則》規(guī)定，平衡井是指小電流與大電流之比大于或等于85%的抽油井。單井平衡度是用鉗形電流表測出抽油機(jī)上、下沖程電流峰值，兩個(gè)峰值中的小者與大者的比值，即電流平衡度

當(dāng)平衡度小于85%，且上行電流小時(shí)，平衡過重，平衡塊應(yīng)向曲柄軸心方向移動；若上行電流大時(shí)，平衡過輕，平衡塊應(yīng)向曲柄末端移動。

1.2.2 功率法

中石油2009-3發(fā)布的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/S Y 1233—2009《游梁式抽油機(jī)平衡及操作規(guī)范》中定義功率平衡度為抽油機(jī)上、下沖程平均功率之比，以較大值為分母，用小數(shù)表示，即功率平衡度

當(dāng)功率平衡度小于0.5時(shí)，可判定抽油機(jī)不平衡，需要進(jìn)行平衡調(diào)整。當(dāng)上下沖程的平均功率有一項(xiàng)為零或負(fù)值時(shí)，功率平衡度為零。

關(guān)于平衡判別方法，《規(guī)范》建議優(yōu)先使用功率法判別。

1.3 電流平衡法的局限性

1）不能保證抽油機(jī)能耗最低。評判做功的嚴(yán)格量度應(yīng)當(dāng)是電功率，即可見電流僅是一個(gè)因子，不能完全表征電動機(jī)做功的情況，存在平衡的假象。以A 井的功率測試為例（圖2），該井上電流12.87A ，下電流12.94 A ，電流平衡度99.5%，上功率1.83kW ，下功率0kW ，功率平衡度0，從功率曲線上可以明顯看出，電動機(jī)下沖程明顯做負(fù)功，存在電流假平衡現(xiàn)象。

圖2 A井實(shí)測電流和功率曲線對比

2）平衡塊移動量憑經(jīng)驗(yàn)判斷，不能一次調(diào)整至最佳位置。平衡塊移動量僅憑經(jīng)驗(yàn)公式估算誤差較大，易造成反復(fù)平衡調(diào)整。

2 功率平衡法原理

功率平衡法是對抽油機(jī)功率曲線進(jìn)行傅里葉分解，求出造成不平衡功率，即一階正弦分量，即Pf均方根功率為[2]：

式中：a0為功率函數(shù)的直流分量；an為各次諧波的余弦部分幅度；bn為各次諧波的正弦部分幅度；ω 為曲柄角速度；T 為沖程周期。

而曲柄平衡塊是靠重力起作用的，平衡塊平衡功率可表示為Pp=-ω G L sin(ωt)，式中L 為平衡塊重心半徑， G 為平衡塊的總質(zhì)量，可見調(diào)整抽油機(jī)平衡塊的位置，只能改變上式中一階正弦分量的大小。因此，當(dāng)平衡塊的移動量時(shí)（值為正時(shí)向外移動，反之向內(nèi)移），正好可抵消不平衡功率，使均方根功率最小，均方根曲柄扭矩最小，此時(shí)，載荷扭矩波動最小，抽油機(jī)最安全，電動機(jī)負(fù)載扭矩值最小，抽油機(jī)最節(jié)能[3]。

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)塊位于低滲透油田東部，目前生產(chǎn)井336口，抽油機(jī)全部為曲柄平衡方式，機(jī)型以6型為主，占總井79.8%，在用電動機(jī)均為節(jié)能電動機(jī)，日產(chǎn)液1.97t，日產(chǎn)油1.14 t，含水42.1%，沖程2.11 m，沖速3.2 min-1，泵效18.05%，平衡率99.14%。抽油機(jī)井一直采取電流法判斷平衡，且平衡率很高，應(yīng)用功率法可進(jìn)一步降低電流假平衡井的耗電量。

3.2 調(diào)整實(shí)例

B 井機(jī)型為CY JY 6-2.5-26H B，電動機(jī)LP/CJT-3.5C，日產(chǎn)液1.3t，日產(chǎn)油0.8t，含水36.0%，泵深938.75 m，沖程1.8m，沖速4 min-1，泵效12.26%，上電流14 A ，下電流15 A ，電流平衡度93.3%。

測試抽油機(jī)平衡監(jiān)測儀測試該井功率曲線，鉗形電流表測試上下沖程電流峰值，系統(tǒng)效率測試儀測試系統(tǒng)效率參數(shù)，并記錄當(dāng)前平衡塊數(shù)目、質(zhì)量及安裝位置。

調(diào)整前測試上電流14.08A ，下電流14.41 A ，電流平衡度97.7%；上行功率平均值0.63kW ，下行功率平均值1.32kW ，平均功率平衡度0.48，日耗電為82.40kW h（圖3）。

圖3 B井平衡調(diào)整前功率曲線

建議曲柄平衡塊全部向內(nèi)調(diào)整0.19 m，移到0.91 m處。

預(yù)計(jì)電流平衡度為0.94，功率平衡度為0.75，可日節(jié)電量3.92kW h左右（圖4）。

圖4 B井平衡調(diào)整前和建議方案預(yù)測功率曲線

調(diào)整前：5 kN×0.68m×2塊，5 kN×1.52m×2塊，平均重心在1.1 m處。

調(diào)整后：5 kN×0.68m×2塊，5 kN×1.12m×2塊，平均重心在0.9m處。

選擇外側(cè)一組平衡塊，現(xiàn)場由于曲柄狗牙限制，向內(nèi)移動0.40m。與建議方案平均重心在0.91 m處基本一致。

表1 B井調(diào)整前后效果對比

表2 試驗(yàn)區(qū)42口井調(diào)整前后效果對比

測試該井功率曲線、電流峰值和系統(tǒng)效率，并記錄日耗電量（圖5）。

圖5 B井調(diào)整前后功率對比曲線

調(diào)整后上、下沖程峰值電流略降，電流平衡度98.2% ，功率平衡度0.81，功率平衡度提高了0.33，有功功率降低0.27kW ，系統(tǒng)效率提高0.34，日節(jié)電6.48kW h，年節(jié)電2270 kW h，節(jié)電率8.76% （表1）。

3.3 試驗(yàn)區(qū)效果分析

現(xiàn)場應(yīng)用抽油機(jī)平衡監(jiān)測儀測試205口井，有56口井功率不平衡，經(jīng)過對單井平衡情況核實(shí)后，現(xiàn)場對節(jié)電效果明顯的42口井進(jìn)行了平衡調(diào)整，調(diào)整后日節(jié)電6.4 kW h，節(jié)電率8.3%，功率法平衡調(diào)整在該區(qū)塊的節(jié)電潛力為20.5% （表2）。

配備功率平衡監(jiān)測分析儀一臺，3.57萬元。42口井平均日節(jié)約電量6.40kW h，生產(chǎn)時(shí)率0.96，電價(jià)0.59元/kW h，年節(jié)約電費(fèi)5.56萬元。投入產(chǎn)出比為1∶1.56，當(dāng)年即可回收投資，年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1.99萬元，如在全油田2512口游梁式抽油機(jī)井上推廣，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 結(jié)論

1）抽油機(jī)平衡調(diào)整目標(biāo)是最大限度的節(jié)能與安全運(yùn)行，只要使電動機(jī)輸入功率的均方根最小，就可達(dá)到最佳平衡狀態(tài)。

2）功率法平衡調(diào)整后，油井相關(guān)電能參數(shù)均發(fā)生了變化，電流曲線及功率曲線峰值減小，有功功率降低，功率平衡度及系統(tǒng)效率提高，抽油機(jī)運(yùn)行更加安全平穩(wěn)，更加節(jié)能。

3）試驗(yàn)區(qū)應(yīng)用功率法平衡調(diào)整可在電流法平衡的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)日節(jié)電6.4 kW h，節(jié)電率8.3%，節(jié)電潛力20.5%，節(jié)能效果顯著。

4）現(xiàn)場應(yīng)用表明，功率法平衡測試簡單快捷，軟件處理方便，平衡塊移動量計(jì)算準(zhǔn)確，便于抽油機(jī)井的科學(xué)管理，應(yīng)大力推廣該技術(shù)。

[1]張曉玲,于海迎.抽油機(jī)節(jié)能技術(shù)概述[J].機(jī)械工程師,2006(8):136-137.

[2]顧永強(qiáng),周靜,李玲,等.改進(jìn)抽油機(jī)井“功率平衡”測試實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗[J].油氣田環(huán)境保護(hù),2009,19(4):45-47.

[3]李金華,華偉棠.游梁式抽油機(jī)節(jié)能新技術(shù)探討[J].石油機(jī)械.1999,27(12):42-44.