游梁抽油機智能平衡調整技術節能效果研究

閆超（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

石油開采過程中地面驅動設備主要使用有桿抽油系統，抽油機是有桿系統其數量占油田采油設備總數的90%以上，同時其系統效率較低，某區塊2021年常規抽油機平均系統效率僅為31%。抽油機平衡狀況的好壞，直接影響抽油機連桿機構、減速箱和電動機的效率與壽命[1-2]。影響抽油機平衡的主要原因是抽油機懸點載荷規律的變化和平衡中的調節狀態，井下載荷隨著生產的運行會不斷發生變化，要實現再平衡就需要操作人員不斷的調整游梁式抽油機的平衡機構[3]。目前，某區塊抽油機平衡調整采取人工調整的方法，在實際操作過程中，三元復合驅抽油機井受到采出液濃度和垢的影響，上下沖程峰值電流不穩定且波動幅度較大，一次性調整到位的準確率低，有些抽油機井平衡塊已經調至最外端，長期處于不平衡狀態，嚴重影響了區塊機采節能管理水平的提升，給平衡調整工作帶來了很大的困難。

1 應用現狀

目前，針對游梁式抽油機平衡調節方式存在勞動強度大、工作效率和調整精度低、安全性差等問題，國內外均比較重視，并研制應用了相關的技術和措施[4]。2017年，A油田研制并應用了抽油機智能平衡裝置，該裝置安裝在游梁式抽油機游梁尾部的一個可調節配重力臂的尾游梁，尾游梁上安裝帶擺錘的游標式配重體，游標式配重體采用太陽能電池板給蓄電池充電，用蓄電池帶動電動機驅動減速機和齒輪旋轉，通過與齒條嚙合帶動配重體前后移動，再通過調節配重力臂達到調節抽油機平衡比的目的。2018年，B油田試驗應用了抽油機智能平衡調整技術，平衡比由76.11%～129.67%自動調節至95.14%～106.67%，功率因數平均提升0.25，綜合節能率22.09%～30.42%。2019年，C油田分公司試驗應用了智能平衡調整技術，平衡比由51.71%～154.42%自動調至97.61～102.29%，功率因數平均提升0.46，系統效率平均提升1.31%，平均節能率26.89%。D油田某采油廠研究并應用了智能平衡調節軟件，以示功圖為基礎，結合抽油機運動參數，繪制扭矩曲線，同時計算出平衡塊扭矩-曲柄轉角曲線和曲柄扭矩-曲柄轉角曲線，以凈扭矩最小為目標實現抽油機井平衡狀況監測、診斷、優化設計及調平衡量化分析，實現了抽油機平衡調整一步到位，提高了工作效率[5]。

根據本區塊弱堿三元復合驅抽油機能耗現狀，智能平衡調整技術可實現在不停機的狀態下完成平衡調整工作，具有較好的適應性，對優化抽油機運行狀態、降低抽油機能耗水平、控制井下作業成本、減輕基層勞動強度具有重要意義。

2 智能平衡調整技術原理及功能

智能平衡調整裝置是集成平衡調整、無功補償、電網優化、互聯互通等功能模塊為一體的數字化管理技術，通過自動化、數字化、智慧化三個技術鏈條實現不停機平衡調整，最大程度對抽油機進行力學和電網優化，達到提高功率因數、降低抽油機能耗水平的目的[6]。

2.1 技術原理

力矩平衡原理是智能平衡調整裝置的理論基礎。當平衡發生變化時，抽油機游梁尾部隨擺裝置通過移動調節隨擺配重力矩，可整合其他合力矩曲線趨向正弦曲線，使游梁式抽油機達到平衡狀態[7]。

智能平衡調整過程分為第一階段：當抽油機處于過平衡狀態時，下行峰值電流增大，則游梁尾端載荷增大，調節裝置將配重向驢頭端移動達到平衡位置；當抽油機處于欠平衡狀態時，上行峰值電流增大，則驢頭端載荷增大，調節裝置將配重向游梁尾端移動達到平衡位置。調節前，裝置自動識別平衡比變化情況，保障了平衡調整的符合性和穩定性。第二階段：上沖程時，內部平衡裝置向尾端移動，協助平衡塊和電動機共同克服驢頭載荷。下沖程時，裝置向驢頭端移動，協助電動機和抽油桿共同克服平衡塊載荷。

2.2 功能簡介

智能平衡調整裝置由智能尾擺平衡裝置與匯控柜配套使用，中間由線束進行數據傳輸。匯控柜中裝配無功補償、電網優化、互聯互通等功能，實現對生產工況的實時監測與優化。

2.2.1 無功補償

電網輸出的功率包括有功功率和無功功率兩部分。直接消耗電能，把電能轉變為機械能、熱能、化學能或聲能，利用這些能作功，這部分功率稱為有功功率[8]。不消耗電能，只是把電能轉換為另一種形式的能，這種能作為電氣設備做功的必備條件，并且這種能是在電網中與電能進行周期性轉換，這部分功率被稱為無功功率。該模塊采用了新一代動態無功補償裝置，由檢測單元、主控單元、投切執行單元和電容器組（含電抗器）四大部分構成。檢測單元通過電壓、電流傳感器實時檢測系統電壓和電流的瞬時值，并實時計算出電壓、電流有效值和系統所需無功功率等控制參量，由主控單元完成邏輯判斷并發出相應的控制指令，控制投切執行單元投切電容器組對負載無功功率的動態跟蹤補償[9]。

該裝置可根據電網中動態變化的無功量實現快速補償，并且有穩定電網電壓功能，可以提高電網質量，沒有觸點，零電流投切技術既增加了電容器的使用壽命，而且該裝置主要用來補償電網中頻繁波動的無功功率，抑制電網閃變的諧波，提高電網的功率因數，改善配電網的供電質量和使用效率，進而降低網絡損耗[10]。

2.2.2 電網優化

在電網優化方面主要體現在涌流治理、諧波處理和巡檢補償三方面，可形成穩定電壓電流，大幅度降低電網損耗，有效延長電氣設備使用壽命。

1）涌流治理。涌流普遍存在于配電系統中，可加速電氣設備老化，危害生產安全和穩定，涌流治理可有效抑制峰值電壓和峰值電流，減少電動機和變壓器燒損，保護電氣設備。通過電網涌流治理，消除了過電壓和過電流的波動，避免了因過壓和過電流對電氣設備和電纜沖擊造成的損害。

2）諧波處理。油田電網中諧波普遍存在，且諧波波形復雜，通過運用電網諧波處理技術，可大幅減少或消除諧波，有效減少諧波疊加對用電設備損害，延長變壓器壽命。此外，日常節能測試容易忽略全波測量，進而降低諧波治理對節能的重要性，通過諧波有效治理，高次諧波幅值大幅減少，治理效果明顯，諧波節能率達90%。

3）巡檢補償。該功能可定時巡檢電壓電流相位角，對無功功率進行動態調節，提供感性負載所消耗的無功功率，從而減少電網電源無功功率輸送，提高功率因數。

2.2.3 互聯互通

互聯交互模塊可實現抽油機遠程控制、參數遠程管理和故障遠程治理等功能，與抽油機操作系統模塊組合安裝，現場試驗應用了NB-IOT傳輸方式對試驗井進行遠程控制，均取得了較好效果。可根據應用規模和油田要求，還可通過Cat.1、光纖等數據傳輸通道對生產電參數進行實時分析和遠程調控，通過預留I/O接口，可按油田數字化管理需求與其他系統進行嵌入，為數字化、智能化采油助力。

3 現場應用效果

3.1 抽油機平衡比調整情況

選取本區塊平衡比低、調整難度大的2口三元復合驅抽油機井開展現場試驗。安裝前后測試結果對比，試驗井平衡比由70.40%～80.77%調整到96.50%～98.53%，不停機自動調整成功率達100%。智能平衡裝置平衡比調節指標完成情況見表1。

表1 智能平衡裝置平衡比調節指標完成情況Tab.1 Completion of the balance ratio adjustment index of the intelligent balance device

3.2 智能平衡裝置節能效果

安裝后，試驗井平均有功功率降低7.46 kW，無功功率降低27.37 kW，有功百米噸液耗電降低1.37 kWh/100 m·t，無功百米噸液耗電降低3.51 kWh/100 m·t，系統效率提高7.8%，功率因數提高0.32，平均綜合節電率33.04%[11]。智能平衡調節裝置節能效果見表2。

表2 智能平衡調節裝置節能效果Tab.2 Energy-saving effect of intelligent balance regulating device

4 經濟效益評價

經測算，加工并安裝智能平衡裝置兩套，費用為20.2萬元，其中設備加工費20萬元，安裝費0.2萬元。根據現場試驗效果，對2口試驗井一年內預計取得的效益進行測算，合計貢獻效益11.84萬元。其中1#井預計年節電3.89×104kWh，節約電費2.66萬元；2#井預計年節電8.08×104kWh，節約電費5.52萬元，合計節電11.97×104kWh，預計年度節約電費8.18萬元，占效益總量的69%。智能平衡調節裝置產出經濟效益見表3。

表3 智能平衡調節裝置產出經濟效益Tab.3 Output and economic benefits of the intelligent balance regulating device

智能平衡調節裝置投入產出測算，安裝兩年即可盈利，按照三元見效期三年計算，此期間預計盈利15.35萬元，其中第二年盈利3.50萬元，第三年盈利11.85萬元。

該區塊三元見效期抽油機井180口，若全部安裝此裝置，總盈利約626.4萬元。智能平衡調節裝置使用壽命為8 a，該區塊進入后續水驅階段后，可將調節裝置利用在其他三元見效區塊繼續發揮作用，實現效益最大化。此外，對于三元見效期抽油機井，減少停機次數、縮短停機時間，可降低卡泵幾率，大幅縮短井下作業投入。

5 結論

1）智能平衡裝置能夠自動監測抽油機能耗狀態，通過調整隨擺配重位置，達到改變力矩、實現動態平衡的目的，現場試驗安裝2口井，平衡比均達到了96%以上，平均提升22.4%，達到了實驗的目的，滿足了油田管理要求。

2）該裝置能夠實現不停機調節平衡的目的，通過優化運行狀態，可有效降低上下沖程電流，在達到平衡要求的同時，降低抽油機能耗，現場試驗上沖程峰值電流平均降低44.94 A，下沖程峰值電流平均降低24.06 A，全年預計節電11.97×104kWh，預計節約電費8.18萬元，具有較好的節能效果，對油田的效益具有一定促進作用。

3）三元見效期抽油機井應用智能平衡調整裝置后，省去了反復調整平衡的工作量，大幅度減輕基層勞動強度，降低操作風險，使生產管理更加快捷高效。此外，該裝置可以拆除后重復利用，繼續發揮作用，實現效益最大化，具有較強的推廣價值。