抽油機(jī)電機(jī)能量平衡理論與試驗(yàn)研究

何賢

摘要：現(xiàn)階段，我國油田廣泛采用有杠抽油機(jī)設(shè)備作為油田生產(chǎn)的主力抽油機(jī)械。游梁抽油機(jī)是常見的有桿抽油機(jī)設(shè)備之一，其工作原理是通過變速箱、游梁等機(jī)械設(shè)備將電機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為抽油光桿的上下運(yùn)動(dòng)。光桿帶動(dòng)井下油泵柱塞實(shí)現(xiàn)抽油。對(duì)該抽油設(shè)備的管理中，機(jī)械平衡一直是工作重點(diǎn)和難點(diǎn)。抽油機(jī)不平衡會(huì)直接導(dǎo)致電機(jī)效率降低，降低產(chǎn)量，也對(duì)抽油設(shè)備的使用壽命造成影響。課題基于上述問題對(duì)抽油機(jī)電機(jī)能量梁平衡理論展開研究，并引入實(shí)際案例進(jìn)行試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：抽油機(jī)；電機(jī)；能量平衡。

游梁抽油機(jī)在進(jìn)行抽油作業(yè)時(shí)，機(jī)械作業(yè)流程分為上沖程和下沖程兩個(gè)部分。在上沖程時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)抽油光桿向上運(yùn)動(dòng)，需要克服光桿自身重力以及井下柱塞向上運(yùn)動(dòng)的阻力，載荷巨大。下沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)抽油桿自身重點(diǎn)會(huì)成為沖程的輔助動(dòng)力，載荷較小。因此抽油機(jī)設(shè)備在完成一個(gè)機(jī)械循環(huán)的過程中，載荷差距較大。為了提高電機(jī)工作效率以及抽油機(jī)械設(shè)備工作的穩(wěn)定性，需要對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行平衡作業(yè)。現(xiàn)階段我國油田通過添加平衡塊的物理平衡方式，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平衡。但受工藝本身限制，該平衡方法無法實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)設(shè)備的徹底平衡。抽油機(jī)機(jī)械設(shè)備仍存在大扭矩大扭矩波動(dòng)的現(xiàn)象，電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。為此仍需加強(qiáng)對(duì)電機(jī)能量的平衡研究，提高抽油機(jī)平衡質(zhì)量。

一、我國抽油機(jī)平衡的研究成果

（一）新型節(jié)能抽油機(jī)

新型節(jié)能型抽油機(jī)通過優(yōu)化改善抽油機(jī)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，來提高能源的機(jī)械轉(zhuǎn)化效率，完成節(jié)能增效的目的?；诂F(xiàn)有抽油機(jī)設(shè)備在達(dá)成機(jī)械平衡后，電機(jī)仍存在能量不平衡的現(xiàn)狀，對(duì)抽油機(jī)的四桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，重新確抽油機(jī)設(shè)備的機(jī)械平衡方式，降低運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的負(fù)扭矩現(xiàn)象。從而從根源上解決了抽油機(jī)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)周期載荷系數(shù)浮動(dòng)較大的問題，改善了電機(jī)的能量平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增產(chǎn)。該方法的適用范圍較廣，但施工成本較高，我油田有桿采油設(shè)備基數(shù)較大，無法實(shí)現(xiàn)全面推廣。

（二）改變動(dòng)力機(jī)的工作特性

現(xiàn)階段，油田生產(chǎn)所用抽油設(shè)備，多為以發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力來源的帶桿抽油設(shè)備，在對(duì)該設(shè)備的平衡調(diào)整工作中，存在機(jī)械平衡與電機(jī)電能平衡無法兼顧的弊端，因此業(yè)內(nèi)學(xué)者提出了改善電動(dòng)機(jī)工作特性的優(yōu)化辦法，以求優(yōu)化抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平衡。該方通過用適合抽油機(jī)載荷波動(dòng)的電機(jī)代替現(xiàn)有現(xiàn)使用的三相異步電機(jī)，如高轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)和超高轉(zhuǎn)速差電動(dòng)機(jī)等等。該方法從根源上解決了電機(jī)能量不平衡的問題，但與抽油機(jī)設(shè)備改良方法相同，受基采設(shè)備基數(shù)決定，大面積更換成本極高，無法實(shí)現(xiàn)。

（三）應(yīng)用節(jié)能元件改造抽油機(jī)

抽油機(jī)機(jī)械平衡與電機(jī)能量平衡無法兼顧的根本原因是，抽以及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，載荷存在波動(dòng)，同時(shí)抽油機(jī)啟動(dòng)載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)載荷相差較大，導(dǎo)致電機(jī)功率無法良好匹配。最終造成電機(jī)的效率低下，為此加裝節(jié)能元件的方式可以改善上述問題?，F(xiàn)階段投入使用的節(jié)能元件種類較多，變頻控制器、安全連軸器、超越離合器、節(jié)能蓄能器為常用的元件。

二、電機(jī)能量?jī)?yōu)化成果概述

前文所述的各項(xiàng)平衡優(yōu)化方法都是基于優(yōu)化電機(jī)能力平衡以及抽油機(jī)平衡的工藝方法，不同方法有著不同優(yōu)缺點(diǎn)以及使用范圍。如新型抽油機(jī)機(jī)械設(shè)備，該方法在新井投產(chǎn)時(shí)使用有著良好的效果。但對(duì)于已經(jīng)服役的現(xiàn)有抽油機(jī)設(shè)備，改造成本較高，其成本降低的作用不足以彌補(bǔ)改造成本投入，難以普及，現(xiàn)階段油田進(jìn)入開采末期，新投油井?dāng)?shù)量較少，該方法不具備節(jié)能戰(zhàn)略價(jià)值。更換電機(jī)也存在相同的問題。同時(shí)高轉(zhuǎn)速差電機(jī)在我國油田投產(chǎn)初期就已經(jīng)存在，但因其轉(zhuǎn)子電阻較高，滿載發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重沒有被選擇使用，該問題雖然近年來得到了優(yōu)化，但仍沒有從根源上解決。變頻控制器元件成本高昂，而安全連軸其和超越離合器的工作穩(wěn)定性只能作為實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，無法全面普及。因此完善抽油機(jī)設(shè)備平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增產(chǎn)還是應(yīng)從平衡電機(jī)能量角度出發(fā)。

增大抽油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以減少電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，提高效率，具有一定的節(jié)能效果。其節(jié)能原理為，對(duì)抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)慣量和鉆速的平衡關(guān)系，從而在不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的前提下實(shí)現(xiàn)能量平衡。該方法施工成本較低，比較適合大面積的在產(chǎn)抽油機(jī)設(shè)備改造。

三、電機(jī)能量平衡理論研究方法

（一）抽油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)效率的理論研究

首選應(yīng)充分分析研究抽油機(jī)設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各機(jī)械結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)部件的關(guān)系，對(duì)曲柄在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各個(gè)位置下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行計(jì)算。從而確定電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩之間的關(guān)系。研究改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量后，轉(zhuǎn)速和扭矩的變化情況。從而進(jìn)一步研究效率變化。

（二）研制電機(jī)能量平衡裝置

在電機(jī)能量平衡裝置的研究中，不僅要保障設(shè)備對(duì)電機(jī)能量的理論平衡參數(shù)，也需要充分考慮設(shè)備體積以及安裝是否便捷。還要保障設(shè)備的使用穩(wěn)定性以及可維護(hù)性。裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小應(yīng)與理論計(jì)算一致。同時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定在抽油機(jī)設(shè)備啟動(dòng)前以及抽油機(jī)設(shè)備啟動(dòng)啟動(dòng)區(qū)分設(shè)計(jì)。

（三）能量平衡裝置的試驗(yàn)研究

進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證飛輪蓄能裝置的實(shí)際節(jié)能效果。在室內(nèi)對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行各個(gè)沖次和載荷的試驗(yàn)，驗(yàn)證在各個(gè)沖次和載荷下抽油機(jī)的節(jié)能情況?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，用現(xiàn)場(chǎng)一口工況穩(wěn)定的生產(chǎn)井進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比安裝抽油機(jī)節(jié)能蓄能器前后抽油機(jī)電機(jī)能量消耗。

四、電機(jī)能量平衡裝置的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

為了確保電機(jī)能量平衡裝置的實(shí)際效果，在設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)束后需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，首先對(duì)目標(biāo)抽油機(jī)安裝電能平衡裝置，并啟動(dòng)裝置的飛輪蓄能器。在飛輪蓄能器與抽油機(jī)電機(jī)設(shè)備完全連接后，進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。飛輪蓄能器帶動(dòng)電機(jī)建立動(dòng)力連接與電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)時(shí)，飛輪蓄能器做出相應(yīng)的裝素改變，完成了能量的存儲(chǔ)與釋放，飛輪蓄能器現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖1所示。

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