应用变频控制装置对抽油机井平衡度测试分析

李波 （大庆油田有限责任公司技术监督中心）

游梁式抽油机井的平衡调节是设备节能管理的重要内容[1]，直接关系到抽油机的运行效率，对系统能耗影响较大[2]。在实际生产中，随着开采过程的不断进行，井况的改变会导致抽油机井的不平衡，增大系统的能量损失，降低电动机效率，影响抽油机井的寿命和系统效率[3]。近年来，具有调参方便、软启动且节能效果较好的变频控制抽油机井逐年增加[4]，但在生产管理与节能监测过程中对于变频控制抽油机井平衡度的测试方法还存在差异，如何准确判断变频控制抽油机井平衡状况，是机采井节能降耗的重点之一。

1 平衡度测试评价方法

目前游梁式抽油机井平衡度测试评价标准见表1。便于现场操作的平衡度测试方法主要分为电流法、最大功率法，各标准对于平衡度的指标要求也略有不同。

表1 平衡度测试评价标准Tab.1 Balance test evaluation criteria

2 测试分析

2.1 生产井试验数据

通过应用变频器测试生产井平衡度，得到如下结果：变频器进线端和出线端平衡度数值差距较大。生产井平衡度测试数据见表2，外围5 口油井平均冲次为2.4 次/min，运行频率较低，相对平缓，平衡度差值较小，变频器进、出端平衡度最大差值为8% ； 中区测试5 口油井平均冲次为4.0 次/min，平衡度最大差值为26%。部分油井变频器进、出端电流平衡度测试结果差距较大，影响了抽油机井平衡状况的判断，因此，需对应用变频控制装置的抽油机井的平衡度现场测试方法进一步研究。

表2 生产井平衡度测试数据Tab.2 Production well balance test data

2.2 仪器同步对比试验数据

为了反映变频抽油机井平衡度测试方法的准确性，在标准井装置（水力模拟试验井） 进行了试验，对比了五种在线及现场测试仪器，包括生产单位使用的钳形电流表（F407：精度1.0 级，具备功率测试功能；MS2198JZ：精度1.0 级，不具备功率测试功能；FB-DM6266：精度1.0 级，不具备功率测试功能）、节能监测使用的钳式功率计（日制3169：精度0.5 级，具备功率及功率曲线测试功能）及实验室的在线功率分析仪（日制3390：精度0.1 级，具备功率及功率曲线测试功能；FLUKE NORMA5000：精度0.1 级，具备功率及功率曲线测试功能）。试验对油井的电流及功率参数进行了同步测量，以输入端电流平衡为调节基准，以能耗最低为原则，在30 Hz 频率下对抽油机井的过、平、欠平衡工况进行了测试。标准井抽油机型号为CYJ10-53HB，该机型采用复合平衡方式，试验平衡采用下偏杠铃调整，电动机型号为Y280S-8，电动机额定功率37 kW，采用伺服控制配电箱进行频率调节。

仪器同步测试结果对比见表3，分析可知：①部分钳形表只能测试电流，个别钳形表存在一定误差，测试的电流和平衡度数值与其他仪器测试结果相差较大，因此钳形表使用前要进行检定，且最好与具有功率测试功能的仪表进行比对；②在线仪表及功率分析仪可以测试最大功率、平均功率、电流及功率曲线，测量结果更加直观；③平衡状态下，变频器输入、输出端各仪表电流测试数据及平衡度计算数值差别较小；④欠平衡和过平衡状态下，变频器输入、输出端平衡度数值差别较大。

表3 仪器同步测试结果对比Tab.3 Comparison of instrument synchronization test results

2.3 标准井变频试验数据对比

标准井平衡度及能耗测试对比（30 Hz，定频）见表4，可以看出：①欠平衡状态下输入端电流平衡度61.9%，功率平衡度60.8%，未在标准规定的平衡范围内（80%≤L≤110%，以下同），变频器输出端电流及功率平衡度计算值分别为89.6%和82.2%，均在标准规定范围内，但能耗相比平衡状态稍大，平衡状态下耗电量（输入电量）最小，过平衡能耗明显增大且输出端电流平衡度数值与其他三组平衡度数据差别较大，因此，变频状态下，根据能耗最低原则，平衡度应在变频器进线端进行测试；②标准规定的平衡状态下由变频器输入、输出端最大电流及最大功率计算的平衡度数值非常接近；③变频器输入端电流、功率平衡度数值接近，欠平衡状态下变频器输出端电流、功率平衡度和过平衡状态下电流平衡度相比变频器输入端电流、功率平衡度数值差值较大，由此可知用输出端电流最大值测试平衡度不能准确反映油井平衡状态。

表4 标准井平衡度及能耗测试对比Tab.4 Comparison of standard well balance and energy consumption test

通过功率分析仪（FLUKE NORMA5000）在定频30 Hz 同步测试变频器输入及输出端，测试电流、功率及转矩曲线（三周期），见图1～图3。测试分欠平衡、平衡、过平衡三种状态。

图1 30 Hz 欠平衡状态下抽油机井电流、转矩、功率曲线Fig.1 Current， torque and power curve of pumping well under 30 Hz under-balanced state

图2 30 Hz 平衡状态下抽油机井电流、转矩、功率曲线Fig.2 Current， torque and power curve of pumping well under 30 Hz balanced state

图3 30 Hz 过平衡状态下抽油机井电流、转矩、功率曲线Fig.3 Current， torque and power curve of pumping unit well under 30 Hz over-balance state

从图中可以看出：①一个周期内电流和功率曲线都会产生两个波峰，平衡工况下变频器输入、输出端采用电流法和功率法平衡度测量结果基本一致，欠平衡和过平衡不同测点及方法得出的平衡度结果差别较大；②输入功率曲线永远在输出功率曲线上方，因为变频器是一个能量传输器件，效率在97%左右[10]；③输入电流远小于输出电流，原因是变频器采用无功补偿，提高了变频器输入端功率因数，降低了无功功率[11]；④计算中由于变频器输出端存在负功，因此在输出端使用平均功率法进行平衡度计算时，平均功率的选取值得商榷；⑤应用变频控制装置后，变频器输入端电流和功率曲线都有为0 的时间段，原因为变频器对产生的反发电使用热电阻消耗掉了[12]，应探讨减少负功的平衡调节方法。

3 结论

1） 对于变频运行抽油机井进行平衡度测试时，应在变频进线端进行测试，采用电流和最大功率法均可，抽油机在标准规定的平衡状态下运行相对节能。

2） 现场仅有电流表的情况下，可采用输入、输出端相结合的测试方法，变频器输入、输出端最大电流平衡度测试结果接近且在标准规定的平衡范围内，可视为抽油机井平衡，数值差别较大可采用功率法进一步测量以便及时调整平衡度，降低油井运行能耗。

3）对于变频条件下的抽油机调平衡度测试推荐采用具有测试功率曲线功能的仪器，判断更为直观，且能观察到反发电产生的时长和大小，通过观察电流或功率曲线的峰值能够比较准确地判断油井平衡情况。