抽油机电机能量平衡理论与试验研究

何贤

摘要：现阶段，我国油田广泛采用有杠抽油机设备作为油田生产的主力抽油机械。游梁抽油机是常见的有杆抽油机设备之一，其工作原理是通过变速箱、游梁等机械设备将电机旋转动力转化为抽油光杆的上下运动。光杆带动井下油泵柱塞实现抽油。对该抽油设备的管理中，机械平衡一直是工作重点和难点。抽油机不平衡会直接导致电机效率降低，降低产量，也对抽油设备的使用寿命造成影响。课题基于上述问题对抽油机电机能量梁平衡理论展开研究，并引入实际案例进行试验研究。

关键词：抽油机；电机；能量平衡。

游梁抽油机在进行抽油作业时，机械作业流程分为上冲程和下冲程两个部分。在上冲程时，电机带动抽油光杆向上运动，需要克服光杆自身重力以及井下柱塞向上运动的阻力，载荷巨大。下冲程运动时抽油杆自身重点会成为冲程的辅助动力，载荷较小。因此抽油机设备在完成一个机械循环的过程中，载荷差距较大。为了提高电机工作效率以及抽油机械设备工作的稳定性，需要对抽油机进行平衡作业。现阶段我国油田通过添加平衡块的物理平衡方式，实现抽油机运转平衡。但受工艺本身限制，该平衡方法无法实现抽油机设备的彻底平衡。抽油机机械设备仍存在大扭矩大扭矩波动的现象，电机出现转速波动。为此仍需加强对电机能量的平衡研究，提高抽油机平衡质量。

一、我国抽油机平衡的研究成果

（一）新型节能抽油机

新型节能型抽油机通过优化改善抽油机设备的机械结构，来提高能源的机械转化效率，完成节能增效的目的。基于现有抽油机设备在达成机械平衡后，电机仍存在能量不平衡的现状，对抽油机的四杆结构进行优化，重新确抽油机设备的机械平衡方式，降低运转过程中的负扭矩现象。从而从根源上解决了抽油机机械运转周期载荷系数浮动较大的问题，改善了电机的能量平衡状态，实现节能增产。该方法的适用范围较广，但施工成本较高，我油田有杆采油设备基数较大，无法实现全面推广。

（二）改变动力机的工作特性

现阶段，油田生产所用抽油设备，多为以发电机作为动力来源的带杆抽油设备，在对该设备的平衡调整工作中，存在机械平衡与电机电能平衡无法兼顾的弊端，因此业内学者提出了改善电动机工作特性的优化办法，以求优化抽油机运转平衡。该方通过用适合抽油机载荷波动的电机代替现有现使用的三相异步电机，如高转差电动机和超高转速差电动机等等。该方法从根源上解决了电机能量不平衡的问题，但与抽油机设备改良方法相同，受基采设备基数决定，大面积更换成本极高，无法实现。

（三）应用节能元件改造抽油机

抽油机机械平衡与电机能量平衡无法兼顾的根本原因是，抽以及设备运转时，载荷存在波动，同时抽油机启动载荷和运转载荷相差较大，导致电机功率无法良好匹配。最终造成电机的效率低下，为此加装节能元件的方式可以改善上述问题。现阶段投入使用的节能元件种类较多，变频控制器、安全连轴器、超越离合器、节能蓄能器为常用的元件。

二、电机能量优化成果概述

前文所述的各项平衡优化方法都是基于优化电机能力平衡以及抽油机平衡的工艺方法，不同方法有着不同优缺点以及使用范围。如新型抽油机机械设备，该方法在新井投产时使用有着良好的效果。但对于已经服役的现有抽油机设备，改造成本较高，其成本降低的作用不足以弥补改造成本投入，难以普及，现阶段油田进入开采末期，新投油井数量较少，该方法不具备节能战略价值。更换电机也存在相同的问题。同时高转速差电机在我国油田投产初期就已经存在，但因其转子电阻较高，满载发热现象严重没有被选择使用，该问题虽然近年来得到了优化，但仍没有从根源上解决。变频控制器元件成本高昂，而安全连轴其和超越离合器的工作稳定性只能作为实验产品，无法全面普及。因此完善抽油机设备平衡状态，实现节能增产还是应从平衡电机能量角度出发。

增大抽油机转动惯量可以减少电机转速波动，提高效率，具有一定的节能效果。其节能原理为，对抽油机运转过程中的电机转动惯量和电机转速的关系，实现惯量和钻速的平衡关系，从而在不改变机械结构的前提下实现能量平衡。该方法施工成本较低，比较适合大面积的在产抽油机设备改造。

三、电机能量平衡理论研究方法

（一）抽油机转动惯量与电机效率的理论研究

首选应充分分析研究抽油機设备在运转过程中各机械结构以及运动部件的关系，对曲柄在运转过程中各个位置下的转动惯量进行计算。从而确定电机转速与扭矩之间的关系。研究改变电机转动惯量后，转速和扭矩的变化情况。从而进一步研究效率变化。

（二）研制电机能量平衡装置

在电机能量平衡装置的研究中，不仅要保障设备对电机能量的理论平衡参数，也需要充分考虑设备体积以及安装是否便捷。还要保障设备的使用稳定性以及可维护性。装置的转动惯量大小应与理论计算一致。同时应根据实际情况，设定在抽油机设备启动前以及抽油机设备启动启动区分设计。

（三）能量平衡装置的试验研究

进行室内和现场试验，验证飞轮蓄能装置的实际节能效果。在室内对抽油机进行各个冲次和载荷的试验，验证在各个冲次和载荷下抽油机的节能情况。现场试验，用现场一口工况稳定的生产井进行试验验证，对比安装抽油机节能蓄能器前后抽油机电机能量消耗。

四、电机能量平衡装置的现场实验

为了确保电机能量平衡装置的实际效果，在设备设计结束后需要进行现场实验，首先对目标抽油机安装电能平衡装置，并启动装置的飞轮蓄能器。在飞轮蓄能器与抽油机电机设备完全连接后，进行参数测试。飞轮蓄能器带动电机建立动力连接与电机同步转动，在电机转速发生波动时，飞轮蓄能器做出相应的装素改变，完成了能量的存储与释放，飞轮蓄能器现场安装如图1所示。

参考文献：

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