抽油機井電參轉示功圖技術應用分析

賀清松（大慶油田有限責任公司第三采油廠）

抽油機井電動機端輸入功率電參數據的變化，集中反映了抽油機井地面設備及井下桿柱的運行狀態，而光桿示功圖主要反映井下桿柱的運行狀態，與電動機端電參數據的變化存在必然聯系。因此，通過分析抽油機井電動機輸入功率與電動機損耗、皮帶傳動、減速箱傳動、四連桿傳動及光桿懸點消耗功率間的關系[1]，建立電動機輸入功率與懸點功率轉化關系，并結合現場實際泵況診斷應用情況，分析電參轉功圖的適用性，實現抽油機井電參轉功圖功能，無需載荷傳感器實現功圖測試，減少功圖測試用工、數據采集、傳輸、處理及存儲節點，提高數字化運行效率[2-3]。

1 技術原理

1.1 光桿懸點載荷的確定

游梁式抽油機舉升動力來源為電動機的輸入功率，根據能量守恒定律，電動機的輸入功率為光桿懸點功率與抽油機的機械損耗功率之和，游梁式抽油機結構示意圖[4-6]見圖1。即：

圖1 游梁式抽油機結構示意圖

式中：p總為電動機輸入功率（電參測試得到），kW；pg為光桿懸點功率，kW；A為抽油機機械損耗，kW；A1，A2，A3，A4分別為減速箱、四連桿、皮帶傳動及電動機損耗，kW。

抽油機周期（上下往復1 次為1 個周期）運動過程中，抽油機機械損耗基本與光桿消耗功率無關。四連桿傳動損耗與鋼絲繩變形、鉸鏈摩擦等有關，在四連桿軸承保養得到情況下，其功率損失一般在5%左右，其中勢能呈周期性穩定變化，并相互抵消；減速箱損耗與軸承摩擦、齒輪嚙合損失有關，其功率損失一般在10%以內；皮帶傳動損耗與皮帶滑動及彎曲損耗，其功率損失一般在5%以內；電動機損耗主要是磁損、銅損及鐵損，其功率損失一般在0.5%～2.5%左右。

因此，電參法測量示功圖時，抽油機機械損耗，可以理解為一個對示功圖測量影響不大的固定值，可以不用再對其進行分析考慮。根據上述分析，光桿懸點載荷為電動機電參數據的函數。因此，根據實時測試電動機輸入功率，及計算實時光桿運行速度，便可得出光桿懸點載荷。

式中：Fg為光桿懸點載荷，N；Vg為光桿懸點運行速度，m/s。

1.2 光桿懸點位移的確定

根據游梁式抽油機四連桿運動過程中各運行參數的變化關系，游梁式抽油機強求構參數示意圖見圖2，不同機型，其結構參數是一定的。因此，根據不同曲柄轉速（通過在電動機及曲柄上安裝對應傳感器測得），可計算光桿懸點A的不同位置的位移Sg、加速度ag及運動速度Vg，結合上述光桿運行載荷計算公式，不同光桿位移對應的載荷便能相應計算出來[7-8]，從而實現電參轉示功圖的目的。

圖2 游梁式抽油機強求構參數示意圖

式中：Sg為懸點A的位移，m；ag為懸點A的加速度；δ為游梁后臂與垂直方向的夾角，°；δmin為游梁后臂b與垂直方向的最小夾角，°；J為中軸與曲柄銷軸的直線距離，m；K為中軸與曲柄軸的直線距離，m；a為游梁前臂長度，m；b為游梁后臂長度，m；ω為曲柄角速度，°/s；r為曲柄銷軸旋轉半徑，m；φ0為中軸與曲柄軸的連線與垂直方向的夾角，°；φ為曲柄與垂直方向的夾角，°；ψ為中軸與曲柄軸的連線與垂直方向的夾角，°。

2 現場應用情況

根據上述分析，電參轉示功圖具有充分的理論依據，采用先進的電子信息處理技術，以及配電柜三項電參、電動機、曲柄等關鍵節點靈敏度高傳感器技術，實時采集曲柄周期運動對應的電參數據，通過抽油機運動結構關系，將控制柜端周期電參曲線轉化成光桿端示功圖曲線[9-10]（圖3）。某油田區塊共應用電參轉示功圖裝置10 口井，由于原井配電柜供電，電參數據在線率長期穩定在95%以上。

圖3 電參曲線轉化成光桿端示功圖曲線

從10 口井電參轉功圖與實測功圖曲線點對點比對情況看（表1），電參轉功圖與實測功圖相同位置上載荷的絕對誤差為6.19%（最大7.83%，最小4.79%），即電參轉功圖與實測功圖曲線的吻合率可達到93.81%。從電參測試沖程看，與實測沖程的平均單井絕對誤差為0.06 m，最大誤差0.11 m，最小僅0.03 m，初步滿足現場生產需要。

表1 2020年7月8日單井電參測試功圖與低壓測試功圖對比情況

從工況診斷情況看，電參轉功圖與實測功圖形狀及趨勢一致，且能準確反應正常、漏失、氣影響、脫泵筒等各類典型工況，不同工況下機采井電參轉示功圖與實測功圖比對曲線見圖4，具備替代傳統功圖測試技術可行性。

圖4 不同工況下機采井電參轉示功圖與實測功圖比對曲線

目前，某油田區塊共有600 口抽油機井需要測試功圖，年人工測試15 000余井次，配置測試員工8人，車輛4臺，儀器6套，汽油年耗15 t，車輛及設備維護年成本30 萬元。電參轉功圖技術的應用，可取消功圖測試員工及設備的投入和支出152萬元，且消除了功圖測試時的操作人員砸傷、摔傷安全風險。

同時，電參轉功圖技術滿足了工況的精準分析、問題的及時處理需求，及時關停并處理泵況問題等故障井，優化運行參數，避免故障井帶病運行，大幅減少問題井無效耗能及產量影響。全區年可減少帶病運行3 000 余井次，預計年可節電79.2×104kWh，節省電費50 萬元，減少問題井影響采油5 700 t，累計年可創效1 798 萬元，單井年可創效3 萬元，單井設備改造1.8 萬元，投資回收期220天，具有較好的經濟效益。

3 結論

1）分析了游梁式抽油機井電參轉示功圖理論上的可行性，并經現場測試應用，驗證了電參轉示功圖的準確性，基本滿足現場生產需求。

2）電參轉功圖技術為配電柜供電，數據采集、傳輸、運行穩定，在線率高，可快速發現并處理運行問題，減少問題井帶病運行造成的無效耗能，提高產量貢獻。

3）電參轉功圖技術能及時發現并診斷各種典型工況，具備替代傳統功圖測試及載荷傳感器實時測試技術的條件，為機采井數字化建設提供了新的方法和手段。