游梁式抽油機平衡度與運行性能研究

馮子明， 方 欣， 趙 宇，高啟明

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452)

游梁式抽油機平衡度與運行性能研究

馮子明1， 方 欣1， 趙 宇2，高啟明1

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300452)

抽油機平衡調整的優劣直接影響到抽油機井系統的安全性和節能性。為游梁式抽油井提供一套可靠而科學的平衡調整依據，選用油田常用的常規抽油機為研究對象，分別就電流平衡度、扭矩平衡度和功率平衡度與電機效率、周期載荷系數和功率消耗進行關聯性研究。按文中案例計算結果表明：扭矩平衡度的合理范圍為0.65～1.05，電流平衡度值的合理范圍為0.7～1.1，功率平衡度值的合理范圍為0.8～1.2。

游梁式抽油機；平衡度；節能特性；周期載荷系數；額定功率

游梁式抽油機平衡調整的優劣程度，會影響抽油機井系統的運行性能和安全性能，國內很多高校和采油廠的科研人員都對電流法調平衡、扭矩法調平衡和功率法調平衡進行了實驗和理論研究。2008年趙美剛等人[1]經過對抽油機平衡度的連續對比測試，認為平均功率平衡度為1時地面效率最高。2009年陳永明[2]經過試驗測試研究后認為，抽油機在0.85～1.15平衡度范圍內的能耗最低。2013年楊胡坤等人[3]以電流平衡度為基本定義編制了電流法平衡調整軟件，并在采用一廠進行了很好的應用。2013年劉華偉等人[4]按功率曲線法和扭矩曲線法分別對游梁式抽油機進行了平衡調整，認為兩種方法都比較準確，其中扭矩曲線法更加精確，但計算繁瑣，而功率曲線法計算相對簡便。《SY/T 6275-2007 油田生產系統節能監測規范》和《SY/T 6374-2008 機械采油系統經濟運行規范》本別就游梁式抽油機的合理平衡度范圍給予了確定：0.8～1.1。但是沒有明確是哪種類型的游梁式抽油機。其實不同類型的抽油機，其結構參數不同會有不同特征扭矩曲線，因而合理平衡度范圍也有所差別。

以CYJ10-3-37HB型常規游梁抽油機為具體的研究對象，綜合考慮扭矩平衡度、電流平衡度和功率平衡度與周期載荷系數、能耗和電機效率等之間的關聯特性，經過理論計算和分析后，獲得了三種定義下的平衡度最佳調整范圍。本文的最佳平衡度指標的確立為油田機采井的高效安全運行提供了必要的理論指導和實踐依據。

1 相關概念和基本計算參數

我國各油田都是按中國石油天然氣行業標準《SY/T 5044-2003游梁式抽油機》提出抽油機的平衡調整方法進行抽油機平衡調整，主要有電流法、功率法和扭矩法。本文定義的三種平衡度如下所述。

電流法平衡度：下沖程最大電流值與上沖程最大電流值的比值。

功率法平衡度：下沖程平均功率與上沖程平均功率之比。

扭矩法平衡度：下沖程最大扭矩值與上沖程最大扭矩值之比。

電流峰值測量最方便，因此電流法平衡度應用最為廣泛，但是由于電流沒有負值，會有假平衡現象的出現，因此只有經驗豐富的技術人員才能對假平衡現象進行剔除。由于減速箱輸出扭矩并不好測量，傳統的經驗計算公式計算的峰值扭矩誤差較大，因此扭矩法平衡度應用并不廣，也不方便使用。電動機的輸入功率較好測量，功率法平衡度應用比較廣，很多研究人員都比較推崇功率法平衡度。

本文涉及的抽油機運動特性計算公式、懸點載荷計算和減速箱扭矩計算公式，均可參考1994年鄔亦炯編著的《有桿抽油設備與技術：抽油機》一書。

本文進行案例理論計算所涉及的抽油機和井況參數如表1所示，其它計算案例也參照本表數據進行延伸和擴展。

表1 常規機運行基本工況

2 結果與討論

圖1 常規機平衡度與周期載荷系數關系

圖1表示在不同平衡度定義下的常規機周期載荷系數的變化規律。由圖可知，大體上基于三種平衡度計算出的周期載荷系數都是隨著平衡度值的增加而先減小后增大的規律，周期載荷系數代表抽油機運行的平穩性，其值越小運行越平穩，扭矩平衡度值大概為0.7時抽油機運行最平穩，電流平衡度值大概為0.73時抽油機運行最平穩，而功率平衡度值為1時抽油機運行最平穩。即無論何種平衡度定義，只要找到最佳平衡位置，都可以使抽油機運行平穩。在本例計算結果可知，從常規機的周期載荷系數看，可以認定扭矩平衡度值的合理范圍為0.65～1.05，電流平衡度值的合理范圍為0.7～1.1，功率平衡度值的合理范圍為0.8～1.2。

圖2表示在不同平衡度定義下的常規機消耗功率的變化規律。由圖可知，隨著平衡度的增加，功耗是先減小然后增大，三種平衡度定義下的能耗曲線都有一個極值點是能耗最小的平衡位置，曲線谷低一小段變化緩慢的區域可以被確定為是抽油機合理運行的平衡指標。對比圖1可以發現，兩個圖中的三條曲線分別非常相似，最低功率消耗點與最小周期載荷系數完全重合到一起，說明抽油機在最平穩的運行工況下也恰恰是最節能的工作狀態。因此，從常規機的能耗角度看；也可以認為扭矩平衡度值的合理范圍為0.65～1.05，電流平衡度值的合理范圍為0.7～1.1，功率平衡度值的合理范圍為0.8～1.2。

圖2 常規機平衡度與其消耗有功功率的關系

圖3 常規機平衡度與電機效率的關系

圖3表示常規抽油機不同平衡狀態下，一個運行周期內的37kW三相異步電動機的平均效率。隨著平衡度的增加，三種定義下的效率曲線都是先增加到一個峰值點后再減小。說明從電動機效率角度來說，合理平衡應該有一個范圍是可以被接受的，電機的最高效率點的平衡度和最小周期載荷系數、最小能耗點是保持一致的。從電動機高效運行角度看，扭矩平衡度值的合理范圍為0.65～1.05，電流平衡度值的合理范圍為0.7～1.1，功率平衡度值的合理范圍為0.8～1.2。

圖4 常規機不同平衡度下所需電機額定功率的理論計算值

圖4表示抽油機不同平衡位置，按理論計算的電機額定功率值，從圖中可以看出，對于常規抽油機，平衡度的變化對電機容量基本沒有影響，如果按《SY/T 6374-2008 機械采油系統經濟運行規范》確定的平衡指標0.8～1.1，合理運行的抽油機無需更換電機，及時平衡在超出平衡指標范圍，也無需更換電機。

圖5 各型號常規機最佳平衡度范圍

圖5表示不同型號的常規抽油機的最佳平衡點。對于扭矩平衡度，6型、8型和10型機對應值分別為0.544、0.588和0.578，三者相差不大。對于電流平衡度，6型、8型和10型機對應值分別為0.86、0.67和0.64，與行業標準提供的平衡指標并非完全吻合。對于功率平衡度，三種型號抽油機的最佳平衡指標則完全一致，這是因為功率平衡度定義本身即暗含最小能耗原則。

圖6 不同型號常規機抽油機的節電潛力

圖6表示不同型號常規抽油機按電流平衡度1的運行工況下還具有的節能潛力，即按《SY/T 6374-2008 機械采油系統經濟運行規范》的規定，電流平衡度為1是判為平衡運行點，但對于常規游梁抽油機，此時并非是最節能平衡運行點，對于這三種型號抽油機還有1%左右的節電率。節電率是相對值，機型越大，消耗功率越大，此時節電率潛力相對就小，這是隨著機型增大，節電率空間變小的原因。

結論

對于常規游梁式抽油機來說，有以下關于平衡度的規律。

(1)扭矩、電流和功率平衡度分別為0.7、0.73和1時

的周期載荷系數最小；

(2)扭矩、電流和功率平衡度分別在0.65～1.05，0.7～1.1和 0.8～1.2時，有功功率消耗量最少；

(3)電機最高效率點時的平衡度和最小周期載荷系數、最小能耗點是保持一致的；

(4)在較大平衡度范圍內，常規游梁式抽油機電動機額定功率可以保持不變；

(5)不同型號的異相抽油機，最佳扭矩和電流平衡度并不相同，功率平衡度則都為1；

(6)對于常規游梁抽油機，電流平衡度為1并非最節能的運行點，此時抽油機還有一定的節能空間。

[1]趙美剛，吳永峰，印梅，楊新平，丁明華，程豪．抽油機平衡度連續對比測試[J]．新疆石油科技，2008(1)．

[2]陳永明．抽油機平衡度與能耗的關系[J]．油氣田地面工程，2009(9)．

[3]楊胡坤，秦麗豐，盧玉，王慧．常規游梁式抽油機電流平衡調整方法研究[J]．石油礦場機械，2013(6)．

[4]劉華偉，李振林，孫東．抽油機平衡度調整方法解析及其比對研究[J]．石油工業技術監督，2013(9)．

Class No.:TE933.107 Document Mark：A

(責任編輯：蔡雪嵐)

On the Balance and Operation Performance of Beam Pumping Unit

Feng Ziming1, Fang Xin, Zhao Yu2, Gao Qiming1

(1.School of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University,Daqing, Heilongjiang 163318,China；2.CNOOC (China) Co., LTD. Tianjin Branch , Bohai Petroleum Institute,Tianjing 300452，China)

The pros and cons of pumping unit balance adjustment directly affects the safety and energy efficiency of pumping well system. Providing a reliable and scientific balance adjustment basis for the beam pumping well, The conventional pumping unit used in oil field is chosen as the research object. The study on the correlation of the degree balance of current、the degree balance of torque、the power balance、the motor efficiency、the periodic load factor and the power consumption is carried out. According to the calculation results of the case in the article, the reasonable range of the degree balance of torque is 0.65～1.05, the reasonable range of the degree balance of current value is 0.7～1.1, the reasonable range of the power balance value is 0.8～1.2.

beam pumping unit; degree of balance; energy saving characteristics; periodic load factor; rated power

馮子明，博士，副教授，東北石油大學機械科學與工程學院。研究方向：機械采油技能技術和流體機械數值仿真技術。

黑龍江省教育廳科學技術資助項目“游梁抽油機與電機耦合運行及合理匹配理論研究”(No.12541099)。

1672-6758(2016)12-0052-3

TE933.107

A