抽油機井平衡比與能耗的關系

陳曉賀 陳俊聰 袁舟大慶油田采油五廠 西南石油大學

抽油機井平衡比與能耗的關系

陳曉賀1陳俊聰1袁舟21大慶油田采油五廠 2西南石油大學

把抽油機電機在上、下沖程中做的功作為能量考慮，在深入分析抽油機電機在一個完整沖程過程做功的基礎上，根據(jù)抽油機工作原理，建立抽油機系統(tǒng)能量隔離體系，分析能量轉(zhuǎn)換情況。在理想狀況下（載荷端和平衡端能量相互完全轉(zhuǎn)換），以電機做功的作用方向為正功，以上、下沖程曲柄各旋轉(zhuǎn)180°為條件，推導抽油機井電機在一個完整沖程的做功情況。試驗證明：抽油機井一個完整沖程內(nèi)，在不產(chǎn)生負功的情況下，電機能耗與抽油機井平衡比無關，只與活塞以上液柱重量和沖程有關；當上、下沖程均產(chǎn)生負功時，平衡比調(diào)整不能改變負功大小。抽油機井平衡比調(diào)整的作用是下調(diào)裝機功率和保證抽油機設備安全運行。

抽油機井；能量守恒；平衡調(diào)整；電流平衡比；能耗

1 理論分析與數(shù)學模型的建立

1.1 抽油機井能耗狀況理論分析

把抽油機電機在上、下沖程中做的功作為能量考慮，在深入分析抽油機電機在一個完整沖程過程做功的基礎上，根據(jù)抽油機工作原理，建立抽油機系統(tǒng)能量隔離體系，分析能量轉(zhuǎn)換情況。

假設抽油機井在上、下沖程過程中，載荷端和平衡端能量相互完全轉(zhuǎn)換，即dAm≥0。上沖程時，曲柄平衡塊向下運動釋放的能量，被載荷端全部吸收；下沖程時，抽油桿柱向下運動釋放的能量被曲柄平衡塊全部吸收。在只考慮靜載荷的情況下，抽油機系統(tǒng)內(nèi)部一個完整沖程消耗的能量是守恒的，即抽油桿柱和曲柄平衡塊之間的能量，在抽油機井體系內(nèi)部的相互轉(zhuǎn)換過程中是守恒的，無論抽抽油機井平衡比如何變化，上、下沖程消耗能量的總和是恒定的。

1.2 數(shù)學模型的建立與推導

在理想狀況下（載荷端和平衡端能量相互完全轉(zhuǎn)換），以電機做功的作用方向為正功，以上、下沖程曲柄各旋轉(zhuǎn)180°為條件，推導抽油機井電機在一個完整沖程的做功情況。

上沖程中平衡塊釋放能量，幫助電機對懸點做功，則得電機在上沖程中做的功為

式中Amu為電機在上沖程中輸出的功；Au為抽油桿和液柱上行所消耗的功；Aw為平衡塊下行所釋放的能量。

當只考慮靜載荷做功時，懸點在上沖程中任意位置做的功為

式中m為平衡塊質(zhì)量；g為重力加速度；L為平衡塊重心到曲柄輸出軸中心的距離；φ為曲柄平衡塊的轉(zhuǎn)角。

由此可知，在上沖程中任意位置電機所做的功為

上沖程過程電機所做功之和為

下沖程為平衡塊儲存能量，電機和懸點載荷一起對平衡塊做功，電機所做的功為

式中Amd為電機在下沖程中輸出的功；Ad為抽油桿柱下行所釋放的能量；Aw為平衡塊上行時所吸收的能量。

當只考慮靜載荷做功時，抽油桿在下沖程任意位置所釋放的能量為

平衡塊在儲存能量的過程中，其在任意位置所吸收的能量為

由此，可得出下沖程中任意位置電機所做的功為

在下沖程過程中電機做功之和為

抽油機井電機在一個完整沖程過程中做功總和等于式（5）+式（10），整理后得

由式（11）可知，當dAm≥0時，抽油機井電機在一個完整沖程中輸出功（能耗）的多少與平衡無關，只與活塞以上液柱重量（泵徑、含水、有效舉升高度）和沖程有關。說明按照目前標準調(diào)整抽油機井電流平衡比，對電機能耗沒有任何影響。

2 平衡比與能耗關系的驗證

根據(jù)相關標準中有關抽油機井平衡的原則，進行了功率法平衡調(diào)整試驗，但試驗結(jié)果并不符合標準描述的情況。又根據(jù)抽油機井電流平衡的相關規(guī)定，進行平衡比調(diào)整和電量測定。表1、表2為2口井的電流平衡比與對應的日耗電數(shù)據(jù)。

表1 1#井平衡比與對應的日耗電數(shù)據(jù)

表2 2#井平衡比與對應的日耗電數(shù)據(jù)

由1#井平衡比與對應的日耗電數(shù)據(jù)以及1#井調(diào)整數(shù)據(jù)曲線可看出，電機做功始終大于等于零時，抽油機井日耗電量的趨勢不隨平衡比向100%方向變化而降低，證明抽油機井在一個完整沖程中的耗電量與平衡比無關。

由2#井平衡比與對應的日耗電數(shù)據(jù)以及2#井調(diào)整數(shù)據(jù)曲線可看出，在上、下沖程均產(chǎn)生負功的情況下，不僅電流平衡比由小于100%向100%方向變化耗電量沒有降低的趨勢，而且平衡比由100%向大于100%方向變化耗電量也沒有上升的趨勢，進一步證明了抽油機井的能耗與平衡比無關。同時，通過單沖程測試功率曲線發(fā)現(xiàn)，隨著抽油機井平衡比的變化，在下死點附近和上死點附近產(chǎn)生的負功大小也在發(fā)生變化。但是，數(shù)據(jù)統(tǒng)計產(chǎn)生負功的總量變化不大，負功總量的變化趨勢也不和平衡比的變化趨勢一致。說明在此情況下，平衡比調(diào)整不能改變負功的大小。

通過對平衡比調(diào)整和電參數(shù)測量的數(shù)據(jù)、曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)耗電量的變化和平衡比的變化無關；在上、下沖程均產(chǎn)生負功的情況下，調(diào)整電流平衡比也不能改變負功的大小。

3 抽油機調(diào)整平衡作用

根據(jù)平衡比調(diào)整前、后電流曲線對比分析，當電流平衡比小于100%時，通過調(diào)整抽油機井平衡比，隨著電流平衡比向100%的方向變化，上沖程最大電流隨著下沖程最大電流的上升而下降，反之亦然。使得電機在一個完整沖程運行中的最大電流有所下降，為降低裝機功率創(chuàng)造條件；同時也使減速箱最大輸出扭矩有所下降，緩解了減速箱齒輪受力不均的矛盾，有利于延長減速箱的使用壽命和安全運行。

4 結(jié)論

抽油機井一個完整沖程內(nèi)，在不產(chǎn)生負功的情況下，電機能耗與抽油機井平衡比無關，只與活塞以上液柱重量和沖程有關；當上、下沖程均產(chǎn)生負功時，平衡比調(diào)整不能改變負功大小。抽油機井平衡比調(diào)整的作用是下調(diào)裝機功率和保證抽油機設備安全運行。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.003