抽油機電機能量平衡理論與試驗研究

何賢

摘要：現(xiàn)階段，我國油田廣泛采用有杠抽油機設(shè)備作為油田生產(chǎn)的主力抽油機械。游梁抽油機是常見的有桿抽油機設(shè)備之一，其工作原理是通過變速箱、游梁等機械設(shè)備將電機旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)化為抽油光桿的上下運動。光桿帶動井下油泵柱塞實現(xiàn)抽油。對該抽油設(shè)備的管理中，機械平衡一直是工作重點和難點。抽油機不平衡會直接導(dǎo)致電機效率降低，降低產(chǎn)量，也對抽油設(shè)備的使用壽命造成影響。課題基于上述問題對抽油機電機能量梁平衡理論展開研究，并引入實際案例進行試驗研究。

關(guān)鍵詞：抽油機；電機；能量平衡。

游梁抽油機在進行抽油作業(yè)時，機械作業(yè)流程分為上沖程和下沖程兩個部分。在上沖程時，電機帶動抽油光桿向上運動，需要克服光桿自身重力以及井下柱塞向上運動的阻力，載荷巨大。下沖程運動時抽油桿自身重點會成為沖程的輔助動力，載荷較小。因此抽油機設(shè)備在完成一個機械循環(huán)的過程中，載荷差距較大。為了提高電機工作效率以及抽油機械設(shè)備工作的穩(wěn)定性，需要對抽油機進行平衡作業(yè)。現(xiàn)階段我國油田通過添加平衡塊的物理平衡方式，實現(xiàn)抽油機運轉(zhuǎn)平衡。但受工藝本身限制，該平衡方法無法實現(xiàn)抽油機設(shè)備的徹底平衡。抽油機機械設(shè)備仍存在大扭矩大扭矩波動的現(xiàn)象，電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動。為此仍需加強對電機能量的平衡研究，提高抽油機平衡質(zhì)量。

一、我國抽油機平衡的研究成果

（一）新型節(jié)能抽油機

新型節(jié)能型抽油機通過優(yōu)化改善抽油機設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)，來提高能源的機械轉(zhuǎn)化效率，完成節(jié)能增效的目的。基于現(xiàn)有抽油機設(shè)備在達成機械平衡后，電機仍存在能量不平衡的現(xiàn)狀，對抽油機的四桿結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，重新確抽油機設(shè)備的機械平衡方式，降低運轉(zhuǎn)過程中的負扭矩現(xiàn)象。從而從根源上解決了抽油機機械運轉(zhuǎn)周期載荷系數(shù)浮動較大的問題，改善了電機的能量平衡狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能增產(chǎn)。該方法的適用范圍較廣，但施工成本較高，我油田有桿采油設(shè)備基數(shù)較大，無法實現(xiàn)全面推廣。

（二）改變動力機的工作特性

現(xiàn)階段，油田生產(chǎn)所用抽油設(shè)備，多為以發(fā)電機作為動力來源的帶桿抽油設(shè)備，在對該設(shè)備的平衡調(diào)整工作中，存在機械平衡與電機電能平衡無法兼顧的弊端，因此業(yè)內(nèi)學(xué)者提出了改善電動機工作特性的優(yōu)化辦法，以求優(yōu)化抽油機運轉(zhuǎn)平衡。該方通過用適合抽油機載荷波動的電機代替現(xiàn)有現(xiàn)使用的三相異步電機，如高轉(zhuǎn)差電動機和超高轉(zhuǎn)速差電動機等等。該方法從根源上解決了電機能量不平衡的問題，但與抽油機設(shè)備改良方法相同，受基采設(shè)備基數(shù)決定，大面積更換成本極高，無法實現(xiàn)。

（三）應(yīng)用節(jié)能元件改造抽油機

抽油機機械平衡與電機能量平衡無法兼顧的根本原因是，抽以及設(shè)備運轉(zhuǎn)時，載荷存在波動，同時抽油機啟動載荷和運轉(zhuǎn)載荷相差較大，導(dǎo)致電機功率無法良好匹配。最終造成電機的效率低下，為此加裝節(jié)能元件的方式可以改善上述問題。現(xiàn)階段投入使用的節(jié)能元件種類較多，變頻控制器、安全連軸器、超越離合器、節(jié)能蓄能器為常用的元件。

二、電機能量優(yōu)化成果概述

前文所述的各項平衡優(yōu)化方法都是基于優(yōu)化電機能力平衡以及抽油機平衡的工藝方法，不同方法有著不同優(yōu)缺點以及使用范圍。如新型抽油機機械設(shè)備，該方法在新井投產(chǎn)時使用有著良好的效果。但對于已經(jīng)服役的現(xiàn)有抽油機設(shè)備，改造成本較高，其成本降低的作用不足以彌補改造成本投入，難以普及，現(xiàn)階段油田進入開采末期，新投油井數(shù)量較少，該方法不具備節(jié)能戰(zhàn)略價值。更換電機也存在相同的問題。同時高轉(zhuǎn)速差電機在我國油田投產(chǎn)初期就已經(jīng)存在，但因其轉(zhuǎn)子電阻較高，滿載發(fā)熱現(xiàn)象嚴重沒有被選擇使用，該問題雖然近年來得到了優(yōu)化，但仍沒有從根源上解決。變頻控制器元件成本高昂，而安全連軸其和超越離合器的工作穩(wěn)定性只能作為實驗產(chǎn)品，無法全面普及。因此完善抽油機設(shè)備平衡狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能增產(chǎn)還是應(yīng)從平衡電機能量角度出發(fā)。

增大抽油機轉(zhuǎn)動慣量可以減少電機轉(zhuǎn)速波動，提高效率，具有一定的節(jié)能效果。其節(jié)能原理為，對抽油機運轉(zhuǎn)過程中的電機轉(zhuǎn)動慣量和電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系，實現(xiàn)慣量和鉆速的平衡關(guān)系，從而在不改變機械結(jié)構(gòu)的前提下實現(xiàn)能量平衡。該方法施工成本較低，比較適合大面積的在產(chǎn)抽油機設(shè)備改造。

三、電機能量平衡理論研究方法

（一）抽油機轉(zhuǎn)動慣量與電機效率的理論研究

首選應(yīng)充分分析研究抽油機設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中各機械結(jié)構(gòu)以及運動部件的關(guān)系，對曲柄在運轉(zhuǎn)過程中各個位置下的轉(zhuǎn)動慣量進行計算。從而確定電機轉(zhuǎn)速與扭矩之間的關(guān)系。研究改變電機轉(zhuǎn)動慣量后，轉(zhuǎn)速和扭矩的變化情況。從而進一步研究效率變化。

（二）研制電機能量平衡裝置

在電機能量平衡裝置的研究中，不僅要保障設(shè)備對電機能量的理論平衡參數(shù)，也需要充分考慮設(shè)備體積以及安裝是否便捷。還要保障設(shè)備的使用穩(wěn)定性以及可維護性。裝置的轉(zhuǎn)動慣量大小應(yīng)與理論計算一致。同時應(yīng)根據(jù)實際情況，設(shè)定在抽油機設(shè)備啟動前以及抽油機設(shè)備啟動啟動區(qū)分設(shè)計。

（三）能量平衡裝置的試驗研究

進行室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，驗證飛輪蓄能裝置的實際節(jié)能效果。在室內(nèi)對抽油機進行各個沖次和載荷的試驗，驗證在各個沖次和載荷下抽油機的節(jié)能情況。現(xiàn)場試驗，用現(xiàn)場一口工況穩(wěn)定的生產(chǎn)井進行試驗驗證，對比安裝抽油機節(jié)能蓄能器前后抽油機電機能量消耗。

四、電機能量平衡裝置的現(xiàn)場實驗

為了確保電機能量平衡裝置的實際效果，在設(shè)備設(shè)計結(jié)束后需要進行現(xiàn)場實驗，首先對目標抽油機安裝電能平衡裝置，并啟動裝置的飛輪蓄能器。在飛輪蓄能器與抽油機電機設(shè)備完全連接后，進行參數(shù)測試。飛輪蓄能器帶動電機建立動力連接與電機同步轉(zhuǎn)動，在電機轉(zhuǎn)速發(fā)生波動時，飛輪蓄能器做出相應(yīng)的裝素改變，完成了能量的存儲與釋放，飛輪蓄能器現(xiàn)場安裝如圖1所示。

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