基于數據融合的抽油機平衡度的研究

楊揚(中國石油大學勝利學院機械與電氣工程系， 山東 東營 257097)

基于數據融合的抽油機平衡度的研究

楊揚(中國石油大學勝利學院機械與電氣工程系， 山東 東營 257097)

本文通過對抽油機井平衡原理和標準的研究，在現有抽油機平衡度測算調整方法的基礎上，提出了一種基于抽油機示功圖和電參數同步測試數據融合的抽油機平衡度在線診斷技術，該技術能夠快速準確的判斷抽油井機井的平衡狀態，并實時對平衡度進行調整。本文選取某采油廠Y1X63井為例，采用輸入功率曲線傅里葉級數展開法和數據融合法分別辨識平衡塊的調整量，從調整結果中可以發現數據融合計算方法得到的調整量更為合理。

抽油機；平衡度；傅里葉級數

游梁式抽油機在整個工作循環內載荷是不均勻的，而懸點運動速度和加速度的變化又加劇這種不均勻性[1]。載荷的不均勻性會嚴重影響減速箱、四連桿機構的使用壽命及電動機的工作效率，導致了抽油桿工作條件的惡化和抽油桿斷裂次數的增加。為了避免上述缺點，必須合理解決游梁式抽油機的平衡問題，從而實現設備的可靠運行和高效節能。

考慮到影響減速箱壽命的主要因素是輸出軸的峰值扭矩和負扭矩，影響電動機功率的主要因素是均方根扭矩。因此，可以綜合應用這三個參數(峰值扭矩，負扭矩，均方根扭矩)來評價平衡效果[2]。

本文以某采油廠Y1X63井為例，在平滑度調整前其同步數據較差，利用輸入功率曲線傅里葉級數展開法和基于數據融合法分別對抽油機平衡塊進行調整，利用傅里葉級數展開法調整后抽油機呈現過平衡，而按數據融合方法調整的結果是比較理想。

1 抽油機井平衡度調整原理

目前游梁式抽油機的平衡主要分機械平衡和氣動平衡兩種方式[3]。機械平衡和氣動平衡的基本原理是一樣的：抽油機在上沖程過程中，平衡系統釋放的能量與電機的輸出能量共同做功，舉升抽油桿和油柱。下沖程過程中，在油柱的重力和電動機驅動力的作用下，抽油桿注舉升平衡系統，平衡系統儲存能量，對外做功。

2 抽油機井平衡度調整方法

2.1 基于傅里葉級數展開的平衡度調整方法

抽油機的功率曲線可以展開成收斂的三角函數——傅里葉級數。

式(1)為傅里葉級數，其中的ω為是曲柄軸的角速度，單位是rad/S， T為沖程周期，單位是S ，沖次N，單位為1/min。a0、an、bn單位為kW。

在式(1)中的待定常數有：

式(1)為平衡功率，是功率函數的恒定值；

式(2)為功率曲線中各次諧波的余弦分量；

式(3)為功率曲線中各次諧波的正弦分量。

該方法結合了抽油機機械平衡的基本原理，利用了均方根能量最小化原則，將一個沖程內的抽油機功率曲線作為一個整體進行考慮，比功率曲線調峰法得到的調整量要更可信一些，該方法的現場可操作性也比較強，然而該方法也有不足之處，首先，該方法沒有考慮抽油機的傳動效率，直接將功率曲線中包含的基波分量直接作為平衡系統的勢能，對于傳動效率較低的抽油機，這會造成較大的誤差，其次，該方法將平衡系統的勢能曲線定義為標準正弦形式，實際上在現場使用的抽油機中有相當一部分是異相曲柄抽油機，存在由極位夾角造成的上下速不一致和由曲柄相位偏置角造成的平衡勢能相位差，因此平衡系統的勢能曲線并非標準正弦形式。

3 實例分析

以某采油廠Y1X63井為例，在平衡調整前其平衡度較差，平均輸入有功功率4.53kW，平均功率法計算其平衡度為0.1857。屬于嚴重的欠平衡。

該抽油機有平衡塊2塊，利用輸入功率曲線傅里葉級數展開方法和基于數據融合技術的方法分別辨識平衡塊的調整量，得出的結論分別為2塊平衡塊向外側移動35cm和22cm，分別按照這兩種調整方法給出的方案對抽油機平衡塊進行調整，平均輸入有功功率為4.07kW，平均功率平衡度為1.391。而按數據融合方法調整的結果是相當理想的，平均輸入有功功率3.79kW，平均功率平衡度為0.9366。

表1 不同計算方法平衡度調整結果

如表1所示，這幾口油井為采用傅里葉級數展開方法和基于數據融合技術的方法計算的調整量后的調整結果比對，從中可以發現數據融合計算方法得到的調整量均比傅里葉級數展開方法得到的調整量要合理。

（文章題目：基于數據融合的抽油機平衡度的研究）

[1]崔煥武.游梁式抽油機平衡狀態測試儀的研制[D]. 杭州：浙江大學，2011.

[2]宋興盛.游梁式抽油機節點效率分析與平衡狀態測試儀的研制[D].東營：中國石油大學(華東)， 2005.

[3]陳國棟.電網規劃中負荷預測的分析與研究[D].長沙：湖南大學，2008.