抽油机井平衡比与能耗的关系

陈晓贺 陈俊聪 袁舟大庆油田采油五厂 西南石油大学

抽油机井平衡比与能耗的关系

陈晓贺1陈俊聪1袁舟21大庆油田采油五厂 2西南石油大学

把抽油机电机在上、下冲程中做的功作为能量考虑，在深入分析抽油机电机在一个完整冲程过程做功的基础上，根据抽油机工作原理，建立抽油机系统能量隔离体系，分析能量转换情况。在理想状况下（载荷端和平衡端能量相互完全转换），以电机做功的作用方向为正功，以上、下冲程曲柄各旋转180°为条件，推导抽油机井电机在一个完整冲程的做功情况。试验证明：抽油机井一个完整冲程内，在不产生负功的情况下，电机能耗与抽油机井平衡比无关，只与活塞以上液柱重量和冲程有关；当上、下冲程均产生负功时，平衡比调整不能改变负功大小。抽油机井平衡比调整的作用是下调装机功率和保证抽油机设备安全运行。

抽油机井；能量守恒；平衡调整；电流平衡比；能耗

1 理论分析与数学模型的建立

1.1 抽油机井能耗状况理论分析

把抽油机电机在上、下冲程中做的功作为能量考虑，在深入分析抽油机电机在一个完整冲程过程做功的基础上，根据抽油机工作原理，建立抽油机系统能量隔离体系，分析能量转换情况。

假设抽油机井在上、下冲程过程中，载荷端和平衡端能量相互完全转换，即dAm≥0。上冲程时，曲柄平衡块向下运动释放的能量，被载荷端全部吸收；下冲程时，抽油杆柱向下运动释放的能量被曲柄平衡块全部吸收。在只考虑静载荷的情况下，抽油机系统内部一个完整冲程消耗的能量是守恒的，即抽油杆柱和曲柄平衡块之间的能量，在抽油机井体系内部的相互转换过程中是守恒的，无论抽抽油机井平衡比如何变化，上、下冲程消耗能量的总和是恒定的。

1.2 数学模型的建立与推导

在理想状况下（载荷端和平衡端能量相互完全转换），以电机做功的作用方向为正功，以上、下冲程曲柄各旋转180°为条件，推导抽油机井电机在一个完整冲程的做功情况。

上冲程中平衡块释放能量，帮助电机对悬点做功，则得电机在上冲程中做的功为

式中Amu为电机在上冲程中输出的功；Au为抽油杆和液柱上行所消耗的功；Aw为平衡块下行所释放的能量。

当只考虑静载荷做功时，悬点在上冲程中任意位置做的功为

式中m为平衡块质量；g为重力加速度；L为平衡块重心到曲柄输出轴中心的距离；φ为曲柄平衡块的转角。

由此可知，在上冲程中任意位置电机所做的功为

上冲程过程电机所做功之和为

下冲程为平衡块储存能量，电机和悬点载荷一起对平衡块做功，电机所做的功为

式中Amd为电机在下冲程中输出的功；Ad为抽油杆柱下行所释放的能量；Aw为平衡块上行时所吸收的能量。

当只考虑静载荷做功时，抽油杆在下冲程任意位置所释放的能量为

平衡块在储存能量的过程中，其在任意位置所吸收的能量为

由此，可得出下冲程中任意位置电机所做的功为

在下冲程过程中电机做功之和为

抽油机井电机在一个完整冲程过程中做功总和等于式（5）+式（10），整理后得

由式（11）可知，当dAm≥0时，抽油机井电机在一个完整冲程中输出功（能耗）的多少与平衡无关，只与活塞以上液柱重量（泵径、含水、有效举升高度）和冲程有关。说明按照目前标准调整抽油机井电流平衡比，对电机能耗没有任何影响。

2 平衡比与能耗关系的验证

根据相关标准中有关抽油机井平衡的原则，进行了功率法平衡调整试验，但试验结果并不符合标准描述的情况。又根据抽油机井电流平衡的相关规定，进行平衡比调整和电量测定。表1、表2为2口井的电流平衡比与对应的日耗电数据。

表1 1#井平衡比与对应的日耗电数据

表2 2#井平衡比与对应的日耗电数据

由1#井平衡比与对应的日耗电数据以及1#井调整数据曲线可看出，电机做功始终大于等于零时，抽油机井日耗电量的趋势不随平衡比向100%方向变化而降低，证明抽油机井在一个完整冲程中的耗电量与平衡比无关。

由2#井平衡比与对应的日耗电数据以及2#井调整数据曲线可看出，在上、下冲程均产生负功的情况下，不仅电流平衡比由小于100%向100%方向变化耗电量没有降低的趋势，而且平衡比由100%向大于100%方向变化耗电量也没有上升的趋势，进一步证明了抽油机井的能耗与平衡比无关。同时，通过单冲程测试功率曲线发现，随着抽油机井平衡比的变化，在下死点附近和上死点附近产生的负功大小也在发生变化。但是，数据统计产生负功的总量变化不大，负功总量的变化趋势也不和平衡比的变化趋势一致。说明在此情况下，平衡比调整不能改变负功的大小。

通过对平衡比调整和电参数测量的数据、曲线进行分析，发现耗电量的变化和平衡比的变化无关；在上、下冲程均产生负功的情况下，调整电流平衡比也不能改变负功的大小。

3 抽油机调整平衡作用

根据平衡比调整前、后电流曲线对比分析，当电流平衡比小于100%时，通过调整抽油机井平衡比，随着电流平衡比向100%的方向变化，上冲程最大电流随着下冲程最大电流的上升而下降，反之亦然。使得电机在一个完整冲程运行中的最大电流有所下降，为降低装机功率创造条件；同时也使减速箱最大输出扭矩有所下降，缓解了减速箱齿轮受力不均的矛盾，有利于延长减速箱的使用寿命和安全运行。

4 结论

抽油机井一个完整冲程内，在不产生负功的情况下，电机能耗与抽油机井平衡比无关，只与活塞以上液柱重量和冲程有关；当上、下冲程均产生负功时，平衡比调整不能改变负功大小。抽油机井平衡比调整的作用是下调装机功率和保证抽油机设备安全运行。

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.003