试谈新型抽油机平衡度测试仪的研制方法与现场应用效果

朱益飞

中国石化胜利油田分公司孤东采油厂（山东东营257237）

试谈新型抽油机平衡度测试仪的研制方法与现场应用效果

朱益飞

中国石化胜利油田分公司孤东采油厂（山东东营257237）

在此则介绍了一种新型电能法平衡度测试仪的设计思路、工作原理、研制过程、现场操作方法、抽油机平衡块调整估算以及现场应用情况等，新研制的测试仪采取电能法测试原理，其在价格、使用方便程度以及可靠性、耐用性等各方面都与电流法的钳形电流表相当，而准确度与功率法测试仪器一致，具有很高的推广应用价值。

抽油机平衡度测试仪负功率电能表平衡块

游梁式抽油机是原油生产的主要设备，其设备成本和耗电量占生产成本的比重非常大，而游梁式抽油机工作处于平衡状态有非常重要的意义，其平衡度是油田生产中抽油机运行评价的一项重要参数，涉及到抽油机运行效率、节能及使用寿命等问题。因此保持抽油机平衡运行以及对不平衡井进行平衡调整便成为油田很重要的一项基础管理工作。

长期以来，各油田一直延用电流法进行抽油机平衡测试，[1]但在实践中人们发现此法存在2个问题：一是电流法与抽油机平衡的理论定义差距较大；二是电流法所用钳形电流表无法区分电流的相位，当抽油井含有较大负功时容易产生虚假平衡问题（对于不平衡抽油机均存在倒发电现象，即存在负功率问题）。针对电流法平衡测试存在的上述问题，一些地方采用各种类型的功率法平衡测试仪在进行现场测试，从总体上来看这些仪器虽然测试准确率较高（都在1级以上），但存在价格较高、操作复杂，要求现场测试的数据多，携带不方便，可靠性及耐用性较差，故障率高等问题,使得功率法抽油机平衡测试仪难以得到广泛应用,大部分采油队仍采用电流法测试。为此，我们提出了研制新型电能法平衡度测试仪的想法。

1 新型抽油机平衡度测试仪的研制过程

1.1 新型测试仪器的设计思路

游梁式抽油机的平衡运行状态就是指电动机在上冲程和下冲程中都做正功且相等。这就是说，抽油机是否平衡，可以通过电动机在上冲程和下冲程中的输出电能是否相等来加以判断，而电动机的输出电能与输入电能成正比。由此可得出抽油机平衡度的2种表示形式：

（1）分别测量运行中的电动机在驴头的上冲程和下冲程中所耗电能，用两值中的小者与大者相比，其比值即为抽油机平衡度，用百分度表示：

（2）分别测量运行中的电动机在驴头的上冲程和下冲程中所耗电能，用下冲程消耗的电能与上冲程消耗的电能相比，其比值作为抽油机平衡度，用百分度表示：平衡度所采用的公式，是根据严格的理论定义推导出来的，它综合考虑了反映抽油机平衡的各个要素，因此能够真实地反映抽油机的平衡状况。

1.2 工作原理

根据上述设计思路，新研制的抽油机平衡度测试仪采用电能法工作原理。所谓电能法平衡测试就是分别测量运行中的电动机在驴头的上冲程和下冲程中所耗电能，用两者的比值作为平衡度，用百分度表示。目前游梁式抽油机电能法平衡率有2种表示形式：①分别测量运行中的电动机在驴头的上冲程和下冲程中所耗电能，用两值中的小者与大者相比，其比值作为平衡度，用百分度表示；②分别测量运行中的电动机在驴头的上冲程和下冲程中所耗电能，用下冲程消耗的电能与上冲程消耗的电能相比，其比值作为平衡度，用百分度表示[2]。

公式（1）和公式（2）中的平衡度是通过测试游梁式抽油机上冲程和下冲程三相电动机所耗的三相电能而得出的。由于油田生产现场变压器负载单一，均为三相电动机，故游梁式抽油机井电机三相对称度较好,不存在严重偏相问题,通过实施对电动机上冲程和下冲程的单相电能进行计量，用上冲程和下冲程的单相电能代替公式（1）和公式（2）中的三相电能参加运算,其得到的游梁式抽油机电能平衡度结果应该是完全一致的。

1.3 抽油机平衡度测试仪的研制

测试仪器采用机械转盘式单相电能表作为主要部件,并对其进行技术改造，所选电能表的准确度等级为1级,标定电流为2.5A,最大电流为5A,电表常数为1 200r/kW·h。

对单相电能表进行以下几个方面的技术改造：

（1）将电压线圈与电流线圈的外部连接片去掉,使电压线圈与电流线圈相互独立。

（2）打开玻璃外壳,将单相机械式电能表的字轮式计度器卸下。

（3）电能表机械转盘的直径大约是10cm,其周长大约为31.4cm,以人眼能够较好分辨为前提,将转盘圆周分为180等份,并标上刻度线和相应数码。机械转盘经改造后的俯视图如图1所示。

由图1所示的刻度方式,我们可知图中标尺的分度值为2度/格,而数据估读的最大误差为1/2格,于是整个标尺由估读而产生的引用误差的最大值为此估读误差与电能表的误差限1%相比较可看成微小误差。

图1 机械转盘府视图

（4）单相电能表电压线圈的输入采样电压,采用人工中点的方法获得A相的相电压。

单相电能表电流线圈的输入采样电流,采用带活动开口的钳式电流互感器方式。

整个单相电能表的测量接线原理如图2所示。

图2中O为人工中点，这样可使加到单相电能表电压线圈上的电压为A相的相电压，3个电阻的电阻值都为1MΩ，它们所消耗的电能可忽略不计。

（5）在电能表内部原字轮式计度器的位置处,安装一个固定指针,以便转盘转动时能准确地指示刻度。

经上述改造后,单相机械式电能表就可计量抽油机上冲程和下冲程的单相电能,从而可计算出游梁式抽油机的电能平衡度。通过选用合适的电能表常数以及钳式电流互感器的变比,以使所要测试的采油区块最大功率的游梁式抽油机和最小功率的抽油机,在上冲程或下冲程所耗电能都能落在转盘转动一周的范围内，钳式电流互感器可以设计成2种不同的变比类型,以适应不同的采油区块,它们是100A/5A钳式电流互感器和50A/5A钳式电流互感器。

将改造后的单相电能表垂直固定在一个小的仪器盒中,在仪器盒的上方留出观察读数的窗口，这样一个新型的测量游梁式抽油机电能平衡度的测试仪器就全部研制完毕。

2 新型抽油机平衡度测试仪现场应用效果

2.1 现场操作方法

（1）将测试仪器垂直放在水平地面上；

（2）打开抽油机控制柜,将仪器的钳式电流互感器套入A相火线；

（3）将仪器的3个电压接线夹对应接到三相电源的3个火线接线端子上；

（4）记录抽油机从上死点到下死点电能表转盘正向累积所转过的刻度数,以便计算下冲程单相电能；

（5）记录抽油机从下死点到上死点电能表转盘正向累积所转过的刻度数,以便计算上冲程单相电能。

要特别注意含有负功的抽油机井,若抽油机下冲程含有负功,则在下冲程的时间段内分别记录电能表转盘正向累积所转过的刻度数以及电能表反向累积所转过的刻度数,正向累积所转过的刻度数用以计算下冲程的累积单相电能,而反向累积所转过的刻度教用以计算下冲程所含的负功。同理可处理抽油机上冲程含有负功的情况。

2.2 抽油机平衡块调整尺度的估算

根据抽油机平衡度的定义：抽油机平衡运行状态，就是指电动机在上冲程和下冲程中都做正功且相等。抽油机不平衡是因为抽油机在上冲程和下冲程所做的功不相等。假设上冲程所做的功大（对下冲程所做的功大，可作同样的分析），若用A上、A下分别表示上冲程和下冲程所做的正功，那么上冲程和下冲程的功耗差＝（A上－A下）。如果通过移动平衡块使上冲程减少功耗（A上－A下）／2，那么下冲程将增加功耗（A上－A下）／2。这样一来，上下冲程的功耗正好相等，抽油机也就平衡了。根据这个思路，可推出平衡块调整尺度的估算最大值公式如下：

式中，ΔL就是若让抽油机达到理想平衡状态时平衡块应移动的最大尺度，而A上、A下可分别由新型抽油机平衡度测试仪器测出的上冲程和下冲程的累积单相电能乘以3获得，G则为平衡块的总重量。

对于不平衡抽油机，由于抽油机存在较大的负功，要消除负功的影响，则可得出平衡块调整尺度的估算最小值公式如下：

式中，ΔL1就是若让抽油机达到理想平衡状态时平衡块应移动的最小尺度，而A-可由新型抽油机平衡度测试仪器测出的上冲程和下冲程的单相负功乘以3获得。

一般情况下，可以取抽油机平衡块应移动的最大尺度和最小尺度二者的平均值作为平衡块调整尺度的估算值。

2.3 现场应用情况

下面以胜利油田某油井为例对现场应用情况进行分析和说明。

该油井在电能法平衡测试与平衡调整前,单相电流峰值不超过50A,则选用平衡测试仪器的钳式电流互感器的变比为50A/5A，所测出的参数如下：

下冲程累积转过的正向刻度数：123个刻度；

下冲程累积转过的反向刻度数：0；

上冲程累积转过的正向刻度数：8个刻度；

上冲程累积转过的反向刻度数：37个刻度。

对上述测量参数进行计算以换算成上下冲程的单相电能值：

首先,下冲程累积转过的正向刻度数为123个刻度,由于钳式电流互感器的变比为50A/5A=10，而我们选择的电能表常数为1 200r/kW·h，且转盘一周的总刻度数为180。

据此,下冲程的正向累积单相电能计算式如下：

(123/180)×(1/1 200)×10=0.005 69（kW·h）；

下冲程单相负功为0.000 00（kW·h）。

同理，上冲程正向累积单相电能计算式如下：

(8/180)×(1/1 200)×10=0.003 7（kW·h）。

上冲程单相负功计算式如下：

(37/180)×(1/1 200)×10=0.001 71（kW·h）；

抽油井的平衡度=(0.005 69×3)/(0.001 71×3-0.000 37×3)×100=424.1(%)。

由此可见,此井上冲程含有较大负功,抽油机平衡度严重偏离正常要求,属于严重不平衡井。观察此井的平衡块数为2块,且2块平衡块的位置都处在曲柄的最外端,平衡块单块重量为1.2t。由于该油井的上冲程含有较大负功,所以平衡块的调整方向为向内调整。

根据前面平衡块调整尺度的计算公式,可对平衡块的调整尺度进行计算,在使用计算公式进行预测时,要注意G应为2块平衡块的总重量,而上冲程和下冲程的单相电能应乘以3以转化为上冲程和下冲程的3相电能,同时还要注意将公式中的各种数据都转化成法定的米制单位,最终我们有：

取平衡块调整尺度的最大值和平衡块调整尺度的最小值2个值的平均值为0.404m。按此尺度对平衡块进行调整,调整后3～4h,等油井运行情况稳定后,重新对此井进行平衡测试,所测出的参数如下：

下冲程累积转过的正向刻度数：46个刻度；

下冲程累积转过的反向刻度数：0；

上冲程累积转过的正向刻度数：49个刻度；

上冲程累积转过的反向刻度数：0个刻度。

对上述测量参数进行计算以换算成上下冲程的单相电能值：

下冲程累积正向单相电能：0.002 13kW·h；

下冲程单相负功：0.000 00kW·h；

上冲程累积正向单相电能：0.002 23kW·h；

上冲程单相负功：0.000 00kW·h。

该油井调整后抽油井的平衡度=（0.00213×3）/（00223×3）×100=93.9(%)。

通过上述数据可以看出,该油井经平衡调整后负功完全消除,上冲程和下冲程的电能差别大幅度缩小,因此平衡效果大幅度改善，抽油机平衡度由原来的424.1%调整到93.9%，完全满足了油井生产要求。经统计，该油井日耗电量由调整前的229.8kW·h下降到调整后的148.1kW·h，日节能达81.7kW·h，节电效果明显。

3 结语

平衡测试与平衡调整有其自身的特点,平衡测试的最终目的是平衡调整,平衡测试仪器的准确度应与平衡调整的要求相适应,而新研制的电能法抽油机平衡度测试仪器，以其体积小、价格低、操作简单、维修方便，并与油田现实相适应的特点，它既具有电流法操作简单、使用方便的优点，又具有功率法测试仪器测量准确，便于平衡调整和快速调整到位的优点，完全能满足油田生产现场调平衡的测试要求，具有很高的推广应用价值。

[1]朱益飞,张卫东.OEC微电脑采油控制器在中低产油田中的应用[J].计量技术,2005(7):35-37.

[2]郭富禄,周明卿,尹强,等.游梁式抽油机二次平衡技术的应用[J].石油矿场机械2004(3):76-78.

The paper introduces a new equilibrium test instrument of electrical energy,including its design idea,working principle,developing process,on-site operating methods,the estimation on counter weight adjustment of pumping unit,and the state of on-site application.New developed test instrument is based on the testing principle of electrical energy,which is not only equal to the tong ammeter of electrical current at the aspects of price,convenience of application,reliability,and the endurance,but also is similar to the instrument of power in the aspect of accuracy,thus having high value of popularization and application.

well pumping unit;equilibrium;testing instrument;negative power,electrical energy meter;counter weight

2010-02-10▎

朱益飞（1967-），男，高级工程师，主要从事技术质量监督工作