數(shù)字感知平衡節(jié)能系統(tǒng)在解決抽油機(jī)不平衡問(wèn)題上的應(yīng)用

李博（大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心）

抽油機(jī)的平衡是保正抽油機(jī)井安全、可靠、長(zhǎng)壽命運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是抽油機(jī)井節(jié)能的重要措施，一直受到國(guó)內(nèi)外抽油機(jī)研究、制造和油田生產(chǎn)管理部門的重視[1]。抽油機(jī)平衡狀態(tài)的好壞，直接影響減速器和電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷大小和使用壽命以及整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性[2]。因此，抽油機(jī)平衡的調(diào)整應(yīng)先根據(jù)油井井況和抽油機(jī)工況，初步估算配重塊的組合，以免出現(xiàn)嚴(yán)重不平窗現(xiàn)象。抽油機(jī)投產(chǎn)后，應(yīng)根據(jù)抽油機(jī)電流情況及時(shí)調(diào)整平衡，以保證抽油機(jī)在最佳狀態(tài)下工作。

1 抽油機(jī)井平衡度調(diào)整

1.1 抽油機(jī)井平衡與反發(fā)電現(xiàn)象

游梁式抽油機(jī)是將電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為驢頭拉動(dòng)抽油桿上下往復(fù)直線擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)采油，抽油桿向上運(yùn)動(dòng)負(fù)載重，向下運(yùn)行負(fù)載較輕[3]。抽油機(jī)的曲柄平衡塊主要是為了平衡抽油機(jī)上下負(fù)載平衡，降低電動(dòng)機(jī)裝機(jī)功率，通過(guò)調(diào)節(jié)平衡塊可平衡上下沖程的最大載荷，但在該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)功，即抽油機(jī)產(chǎn)生反發(fā)電情況。如圖1所示抽油機(jī)工頻運(yùn)行狀況下2個(gè)周期都會(huì)產(chǎn)生負(fù)功。

圖1 抽油機(jī)運(yùn)行功率消耗曲線

抽油機(jī)負(fù)功產(chǎn)生的主要原因是平衡塊釋放儲(chǔ)能帶動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)超過(guò)了電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，該過(guò)程不僅不消耗電網(wǎng)的能量，還會(huì)產(chǎn)生發(fā)電現(xiàn)象。

1.2 抽油機(jī)井平衡與能耗關(guān)系

在某標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)井上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在平衡度60%、90%、110%、120%時(shí)，模擬了輸出軸凈扭矩曲線。如圖2所示，在平衡狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)有功功率變化較?。辉诓黄胶鉅顟B(tài)下，抽油機(jī)能耗增加。

圖2 扭矩曲線

對(duì)該井進(jìn)行了平衡度調(diào)整測(cè)試，如圖3 所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)有功功率變化趨勢(shì)與理論計(jì)算值趨勢(shì)基本一致。

圖3 抽油機(jī)有功功率與平衡度關(guān)系曲線曲線

1.3 抽油機(jī)調(diào)平衡方式

抽油機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于上、下沖程中懸點(diǎn)載荷并不均衡，滿足上沖程載荷的電動(dòng)機(jī)，在下沖程中將做負(fù)功，從而造成抽油機(jī)在上下沖程中受力極不平衡，這將嚴(yán)重降低電動(dòng)機(jī)的效率和壽命，使抽油機(jī)發(fā)生劇烈振動(dòng)，破壞曲柄旋轉(zhuǎn)速度的均勻性，惡化抽油桿和泵的工作條件[4]。因此，抽油機(jī)必須采用平衡裝置。要使抽油機(jī)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)，就應(yīng)使電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中都做正功并且做功相等[5]。簡(jiǎn)單的方法是在抽油機(jī)游梁后臂上加一重物，在上沖程時(shí)，則讓重物儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)幫助電動(dòng)機(jī)做功；在下沖程中讓抽油桿自重和電動(dòng)機(jī)一起對(duì)重物做功[6]。

目前常用的平衡方式有機(jī)械平衡和氣動(dòng)平衡。其中機(jī)械平衡方式是以增加配重塊的重力勢(shì)能來(lái)儲(chǔ)存能量，在上沖程中配重塊幫助電動(dòng)機(jī)做功。機(jī)械平衡有以下三種方式[7]：

1）游梁平衡：在游梁尾部加平衡配重，適用于小型抽油機(jī)。

2）曲柄平衡：平衡配重加在曲柄上，這種平衡方式便于調(diào)節(jié)平衡，并且可避免在游梁上造成過(guò)大的慣性力，適用于大型抽油機(jī)。

3）復(fù)合平衡：在游梁尾部和曲柄上都加平衡配重，多用于中型抽油機(jī)。

2 數(shù)字感知平衡節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)現(xiàn)使用抽油機(jī)尾部配重為固定設(shè)計(jì)，平衡率小于0.85 或大于1.15 的油井占比在70%以上（平衡率趨于1為最理想狀況），部分抽油機(jī)因尾部配重偏差過(guò)大已無(wú)法調(diào)節(jié)平衡[8]?，F(xiàn)有抽油機(jī)設(shè)備均不同程度存在平衡率過(guò)低導(dǎo)致的運(yùn)行平穩(wěn)性較差，電能有效利用率偏低，需要依靠人工定期現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)反復(fù)停機(jī)調(diào)整平衡，調(diào)整結(jié)果不精確，無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨井況變化動(dòng)調(diào)節(jié)平衡，致使浪費(fèi)大量人力物力，嚴(yán)重影響抽油機(jī)工作效率及節(jié)能方式的改進(jìn)[9]。因此，改善抽油機(jī)的尾擺平衡，進(jìn)一步提升抽油機(jī)系統(tǒng)效率成為油田節(jié)能增效的重要方面。

2.1 數(shù)字感知平衡節(jié)能系統(tǒng)原理

平衡調(diào)節(jié)是數(shù)字感知平衡節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的力學(xué)理論基礎(chǔ)，電能平衡補(bǔ)償是其設(shè)計(jì)的電學(xué)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)油井生產(chǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)采取和分析，采用改變抽油機(jī)配重力臂的方法，配合多種力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程智能調(diào)整配重。根據(jù)力矩平衡的原理，采用改變力臂的方法，使尾部配重移動(dòng)，進(jìn)而改變其力矩，再結(jié)合電能平衡補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸出優(yōu)化，通過(guò)“力”與“電”的智能融合——智能物聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地在線監(jiān)控每臺(tái)采油設(shè)備的運(yùn)行狀況，達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)、智能控制，使整個(gè)采油過(guò)程達(dá)到系統(tǒng)平衡的前提下實(shí)現(xiàn)最低能耗[10]。同時(shí)，固定點(diǎn)啟停，實(shí)現(xiàn)剎車功能，解決了無(wú)人值守啟停井的安全問(wèn)題。

2.2 數(shù)字感知平衡節(jié)能系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.2.1 節(jié)能效果

在某油田對(duì)5臺(tái)平衡度不合格抽油機(jī)井應(yīng)用數(shù)字感知平衡節(jié)能系統(tǒng)后，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)節(jié)能效果測(cè)試，通過(guò)對(duì)其安裝前后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)測(cè)試，5 臺(tái)抽油機(jī)井應(yīng)用數(shù)字感知平衡節(jié)能系統(tǒng)后，平均有功節(jié)電率為10.15%，無(wú)功節(jié)電率為15.95%，綜合節(jié)電率為10.46%，系統(tǒng)效率平均提高了5.62%，平衡度得到有效改善，取得了較好的節(jié)能效果，并有效提高了抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率，數(shù)字感知平衡節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)能效果見(jiàn)表1。

表1 數(shù)字感知平衡節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)能效果

2.2.2 數(shù)字化油田應(yīng)用效果

1）通過(guò)對(duì)抽油機(jī)的智能平衡調(diào)節(jié)，對(duì)機(jī)采供電電網(wǎng)的多維度管理節(jié)能理：自動(dòng)檢視系統(tǒng)檢視電網(wǎng)的運(yùn)行情況，并與系統(tǒng)相關(guān)硬件和軟件進(jìn)行匹配以達(dá)到最佳使用節(jié)能效果，發(fā)揮功率互換補(bǔ)償系統(tǒng)、能量計(jì)量系統(tǒng)、智能分析系統(tǒng)、專家系統(tǒng)的科學(xué)管理與應(yīng)用。

2）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，擺錘在無(wú)動(dòng)力狀態(tài)下自由擺動(dòng)，對(duì)電流、電壓、正有功、負(fù)有功、電能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、測(cè)量與記錄，解決了涌流、雜波、電網(wǎng)反向充電等問(wèn)題。

3）自主研發(fā)了多個(gè)分析、管理、監(jiān)測(cè)、控制軟件與程序。實(shí)現(xiàn)了對(duì)游梁式抽油機(jī)的遠(yuǎn)程智能自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。

4）同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)管理，程序分析自動(dòng)實(shí)現(xiàn)油井的間抽、剎車；實(shí)現(xiàn)間抽由人工向自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程控制，智能間抽的轉(zhuǎn)變，最終實(shí)現(xiàn)油井的智能遠(yuǎn)近程管理與控制。把油井生產(chǎn)參數(shù)數(shù)字化，利用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，故障診斷，科學(xué)管理，遠(yuǎn)程智能控制，指導(dǎo)生產(chǎn)及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。

3 結(jié)論

數(shù)字感知平衡節(jié)能系統(tǒng)解決了抽油機(jī)尾擺平衡的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)間拍時(shí)的剎車，為油田安全生產(chǎn)提供了保障，由人工操作向自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程控制，智能間抽的轉(zhuǎn)變。數(shù)據(jù)采集由人工采集、統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)確的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程智能采集、統(tǒng)計(jì)、分析，排除了人為因素造成的失誤，全面提升管理的有效性，工作的精確度，節(jié)約人力、物力，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確有效的管理，整體效益顯著提高。