抽油机井功率法平衡调整在低渗透油田的应用

刘杰（大庆油田有限责任公司第十采油厂）

据2013年低渗透油田机采能耗设备调查结果可知，全油田在用抽油机井2620台，其中常规游梁抽油机、低矮及双驴头抽油机井等使用传统电流法平衡调整的抽油机共2512口井，占总井数的95.9%。为了摸清这些抽油机的实际平衡状况，对试验区205口井进行了电流和功率平衡监测，试验区电流平衡率高达98.0% ，而功率平衡率仅有72.7% （图1）。因此，利用功率法对电流假平衡井进行判断和调整，对于降低抽油机机采能耗、延长设备使用寿命具有十分重要的意义。

图1 试验区205口井电流和功率平衡率对比

1 平衡原理及判断方法

1.1 平衡原理和目的

抽油机平衡原理是在曲柄或游梁尾部加装平衡重，在下冲程时把能量存储起来，在上冲程时利用存储的能量帮助电动机做功。如果平衡重合适，不仅可使电动机上、下冲程做功相等，并且使曲柄轴扭矩值变化很小，使电动机、减速箱载荷均匀，抽油机运行更加安全平稳，更加节能[1]。

1.2 平衡判断方法

1.2.1 电流法

根据油田《机采井管理细则》规定，平衡井是指小电流与大电流之比大于或等于85%的抽油井。单井平衡度是用钳形电流表测出抽油机上、下冲程电流峰值，两个峰值中的小者与大者的比值，即电流平衡度

当平衡度小于85%，且上行电流小时，平衡过重，平衡块应向曲柄轴心方向移动；若上行电流大时，平衡过轻，平衡块应向曲柄末端移动。

1.2.2 功率法

中石油2009-3发布的企业标准Q/S Y 1233—2009《游梁式抽油机平衡及操作规范》中定义功率平衡度为抽油机上、下冲程平均功率之比，以较大值为分母，用小数表示，即功率平衡度

当功率平衡度小于0.5时，可判定抽油机不平衡，需要进行平衡调整。当上下冲程的平均功率有一项为零或负值时，功率平衡度为零。

关于平衡判别方法，《规范》建议优先使用功率法判别。

1.3 电流平衡法的局限性

1）不能保证抽油机能耗最低。评判做功的严格量度应当是电功率，即可见电流仅是一个因子，不能完全表征电动机做功的情况，存在平衡的假象。以A 井的功率测试为例（图2），该井上电流12.87A ，下电流12.94 A ，电流平衡度99.5%，上功率1.83kW ，下功率0kW ，功率平衡度0，从功率曲线上可以明显看出，电动机下冲程明显做负功，存在电流假平衡现象。

图2 A井实测电流和功率曲线对比

2）平衡块移动量凭经验判断，不能一次调整至最佳位置。平衡块移动量仅凭经验公式估算误差较大，易造成反复平衡调整。

2 功率平衡法原理

功率平衡法是对抽油机功率曲线进行傅里叶分解，求出造成不平衡功率，即一阶正弦分量，即Pf均方根功率为[2]：

式中：a0为功率函数的直流分量；an为各次谐波的余弦部分幅度；bn为各次谐波的正弦部分幅度；ω 为曲柄角速度；T 为冲程周期。

而曲柄平衡块是靠重力起作用的，平衡块平衡功率可表示为Pp=-ω G L sin(ωt)，式中L 为平衡块重心半径， G 为平衡块的总质量，可见调整抽油机平衡块的位置，只能改变上式中一阶正弦分量的大小。因此，当平衡块的移动量时（值为正时向外移动，反之向内移），正好可抵消不平衡功率，使均方根功率最小，均方根曲柄扭矩最小，此时，载荷扭矩波动最小，抽油机最安全，电动机负载扭矩值最小，抽油机最节能[3]。

3.1 试验区概况

试验区块位于低渗透油田东部，目前生产井336口，抽油机全部为曲柄平衡方式，机型以6型为主，占总井79.8%，在用电动机均为节能电动机，日产液1.97t，日产油1.14 t，含水42.1%，冲程2.11 m，冲速3.2 min-1，泵效18.05%，平衡率99.14%。抽油机井一直采取电流法判断平衡，且平衡率很高，应用功率法可进一步降低电流假平衡井的耗电量。

3.2 调整实例

B 井机型为CY JY 6-2.5-26H B，电动机LP/CJT-3.5C，日产液1.3t，日产油0.8t，含水36.0%，泵深938.75 m，冲程1.8m，冲速4 min-1，泵效12.26%，上电流14 A ，下电流15 A ，电流平衡度93.3%。

测试抽油机平衡监测仪测试该井功率曲线，钳形电流表测试上下冲程电流峰值，系统效率测试仪测试系统效率参数，并记录当前平衡块数目、质量及安装位置。

调整前测试上电流14.08A ，下电流14.41 A ，电流平衡度97.7%；上行功率平均值0.63kW ，下行功率平均值1.32kW ，平均功率平衡度0.48，日耗电为82.40kW h（图3）。

图3 B井平衡调整前功率曲线

建议曲柄平衡块全部向内调整0.19 m，移到0.91 m处。

预计电流平衡度为0.94，功率平衡度为0.75，可日节电量3.92kW h左右（图4）。

图4 B井平衡调整前和建议方案预测功率曲线

调整前：5 kN×0.68m×2块，5 kN×1.52m×2块，平均重心在1.1 m处。

调整后：5 kN×0.68m×2块，5 kN×1.12m×2块，平均重心在0.9m处。

选择外侧一组平衡块，现场由于曲柄狗牙限制，向内移动0.40m。与建议方案平均重心在0.91 m处基本一致。

表1 B井调整前后效果对比

表2 试验区42口井调整前后效果对比

测试该井功率曲线、电流峰值和系统效率，并记录日耗电量（图5）。

图5 B井调整前后功率对比曲线

调整后上、下冲程峰值电流略降，电流平衡度98.2% ，功率平衡度0.81，功率平衡度提高了0.33，有功功率降低0.27kW ，系统效率提高0.34，日节电6.48kW h，年节电2270 kW h，节电率8.76% （表1）。

3.3 试验区效果分析

现场应用抽油机平衡监测仪测试205口井，有56口井功率不平衡，经过对单井平衡情况核实后，现场对节电效果明显的42口井进行了平衡调整，调整后日节电6.4 kW h，节电率8.3%，功率法平衡调整在该区块的节电潜力为20.5% （表2）。

配备功率平衡监测分析仪一台，3.57万元。42口井平均日节约电量6.40kW h，生产时率0.96，电价0.59元/kW h，年节约电费5.56万元。投入产出比为1∶1.56，当年即可回收投资，年创造经济效益1.99万元，如在全油田2512口游梁式抽油机井上推广，经济效益可观。

4 结论

1）抽油机平衡调整目标是最大限度的节能与安全运行，只要使电动机输入功率的均方根最小，就可达到最佳平衡状态。

2）功率法平衡调整后，油井相关电能参数均发生了变化，电流曲线及功率曲线峰值减小，有功功率降低，功率平衡度及系统效率提高，抽油机运行更加安全平稳，更加节能。

3）试验区应用功率法平衡调整可在电流法平衡的基础上实现日节电6.4 kW h，节电率8.3%，节电潜力20.5%，节能效果显著。

4）现场应用表明，功率法平衡测试简单快捷，软件处理方便，平衡块移动量计算准确，便于抽油机井的科学管理，应大力推广该技术。

[1]张晓玲,于海迎.抽油机节能技术概述[J].机械工程师,2006(8):136-137.

[2]顾永强,周静,李玲,等.改进抽油机井“功率平衡”测试实现节能降耗[J].油气田环境保护,2009,19(4):45-47.

[3]李金华,华伟棠.游梁式抽油机节能新技术探讨[J].石油机械.1999,27(12):42-44.