低渗透油田功率平衡技术应用及节能潜力分析

于海山　（大庆油田有限责任公司第八采油厂）



低渗透油田功率平衡技术应用及节能潜力分析

于海山（大庆油田有限责任公司第八采油厂）

在低渗透油田应用电流法调整游梁式抽油机平衡，因电动机功率因数过低而无法真实反映抽油机平衡状况，常出现虚假平衡现象。传统电流法无法满足油田日益增长的变频设备的需求，不能有效降低机采能耗；因此，现场应用了功率平衡技术调整游梁式抽油机曲柄平衡。应用功率法判定抽油机平衡可以避免虚假平衡的发生，相比于电流法更加准确、更加节能，而且适用于变频设备。试验得出功率平衡可以在电流平衡的基础上实现平均单井日节电8.87 kWh的节能效果，若功率平衡标准P下/P上为60%～150%时，节能效果更好；功率平衡与电流平衡在功率因数大于0.6时存在一定的相关性，此时电流平衡度至少在85%～125%范围内，功率都是平衡的；应用功率平衡技术能够实现年节电555.4×104kWh。

游梁式抽油机；功率平衡；电流平衡；机采节能

平衡是抽油机安全、节能运行的重要保障，可以降低减速箱冲击、增加皮带及电动机使用寿命、优化抽油杆工作条件、延长检泵周期，实现降低油田生产成本的作用［1］。目前，针对游梁式抽油机平衡调整的方法主要有功法、电流法、功率法3种，功法由于低渗透油田产液量低，油井生产多且供液不足，基本不适用；电流法操作方便、仪器价位较低，在现场得到广泛应用，但常出现虚假平衡现象，在造成抽油机运行能耗增加的同时也带来了安全生产隐患；功率法在近几年的研究中技术得到长足发展，技术设备实现了便捷化，可以有效避免载荷过低现象，实现抽油机节能运行［2-4］。低渗透油田具有井深、油稠、含蜡量高的特点，机采井开采产量低、泵效低、能耗高，节能降本问题突出。现场应用功率法调整抽油机平衡，节能效果显著，可有效降低开采成本，具有广阔的应用前景。

1　抽油机平衡调整现状

目前，现场平衡调整主要采用电流法，对功率法进行局部推广。电流法平衡判断标准为I下max/I上max的比值在85%～100%；功率法平衡判断标准为P下与P上之中的小值与大值之比在50%～100%（换算成P下/P上的比值在50%～200%），出现负值时功率平衡度为0［5］。现场随机测试138口井平衡状况，其中电流平衡127口井，电流平衡率92%；功率平衡87口井，功率平衡率63%。造成电流平衡率与功率平衡率之间差值为29%的主要原因是由于电流法存在以下几方面的问题：

1）虚假平衡。钳形电流表测试出的电流值不分正负，无法判断是电动机发电电流还是输电电流。如A1井上冲程电流峰值23 A，下冲程电流峰值20.4 A，电流平衡度为88.7%，判定抽油机处于平衡运行状态。但是，功率法测试结果显示下冲程过程中存在负功，因而判定抽油机处于严重不平衡状态（图1）。所以，该井下冲程电流峰值为假峰值，是电动机发电产生的，此时的电流平衡不能代表该井处于平衡运行状态［6-7］。

2）读值误差。钳形电流表测试电流随抽油机运行读数时刻发生变化，测试时需要一边看上下冲程情况，一边观察钳形电流表峰值电流，因而读数时存在取值误差，影响平衡判定的准确性。

3）调整量不确定。应用电流法调整抽油机平衡时，常依据现场工人的经验进行判断，相差1个电流大概调整几个齿，调整量因人而异，因而常出现平衡反复多次调整现象，费时、费力，增加了工人的劳动强度。

图1　A1井实测电流、功率曲线

4）变频设备不适用。应用钳形电流表测试使用变频设备的抽油机平衡时，需要先把变频设备的运行状态转换成工频再进行测试，常造成安装变频设备的抽油机平衡度差，甚至无法变频运行。在目前油田大量应用变频设备的情况下，电流法已经无法满足现场平衡调整的需要，成为造成资源浪费的重要因素。

应用功率法可以有效解决以上4个方面的问题，平衡判定准确、方便，技术方法适用于不同供液能力的井，对变频设备也适用，能够实现抽油机最节能运行状态［8］。

2　功率平衡技术应用效果分析

2.1节能效果分析

从测试的138口井中集中选取27口井应用功率法调整平衡。其中，26口井实现节能，平均单井日节电10.2 kWh，节电率7.4%；1口井日耗电增加12.96 kWh，27口井平均单井日节电9.3 kWh，节电率6.5%（表1）。从27口井应用功率法调整抽油机平衡的效果对比中可以得到以下几个结论：

1）功率平衡相比于电流平衡节电效果明显。27口井中有22口是电流平衡功率不平衡的井，功率平衡调整后22口井平均单井日节电8.87 kWh，去除功率平衡标准宽泛引起能耗增加的A2井，21口井平均单井日节电9.94 kWh，可见功率平衡相对于电流平衡更加节电。

2）功率法平衡判别标准过于宽泛。如A2井平衡调整后功率平衡度由810%下降到197%，满足功率平衡标准，但日耗电增加；A3井平衡调整后功率平衡度由54%上升到139%，仍节电。这说明功率平衡判定标准P下/P上的比值在50%～200%，在低渗透油田应用范围较宽，根据测试数据得出P下/P上在60%～150%时，节能效果更好。

表1　27口井功率平衡调整效果对比

3）电流平衡度与节电量多少无关。如A18井平衡调整后电流平衡度由94%下降到87%，但日节电7.92 kWh；A6井平衡调整后电流平衡度由87%上升到91%，日节电41.04 kWh；A2井平衡调整后电流平衡度由97%上升到100%，电流平衡度虽然上升了，但是日耗电增加了12.96 kWh。可见，平衡调整前后电流平衡度差值的大小并不能决定节电量的多少。

4）功率法可以有效避免电流法出现的虚假平衡现象。从A1井平衡状况看，A1井用电流法判定均平衡，但功率法判定均为严重不平衡。按功率法调整后，A1井消除了负功，避免了电流法存在的虚假平衡现象（图2），产生了节电效果。

图2　A1井功率平衡调整后实测电流、功率曲线

5）功率平衡技术能够提高电动机用电效率。从27口井测试数据可以看出，所有井的功率因数或多或少都有提升，可见功率平衡技术能够消除负功、降低无功消耗、提高有功功率、降低视在功率，从而提升电动机的功率因数。

2.2功率平衡度与电流平衡度相关性分析

从27口井功率平衡调整数据中很难得出功率平衡度与电流平衡度之间是否存在相关性，但从138口井测试数据统计情况可以发现，功率平衡度与电流平衡度通过功率因数表现出一定的相关性（图3）。

图3　功率平衡度与电流平衡度相关关系

1）功率因数大的井，功率平衡度与电流平衡度相关性好。pf≥0.6时，功率平衡度与电流平衡度之间可以拟合出合理的对数曲线，表明功率平衡度与电流平衡度存在对数相关性。图3中散点与拟合曲线充分说明，随着功率因数的提高，相关性更加明显、合理，功率因数在0.8及以上时，功率平衡度与电流平衡度之间的相关性高。并且，从5条拟合曲线走势可以看出，电流平衡度至少在85%～125%范围内，功率都是平衡的；随着功率因数的增加，这个范围会不断扩大，在70%～150%以内，功率会处于平衡状态。

2）功率因数小的井，功率平衡度与电流平衡度相关性差或不存在相关性。pf＜0.6时，相同功率因数的点分布散乱，无法拟合出合理的相关性曲线，表明功率平衡度与电流平衡度之间相关性差或不存在相关性。并且，随着功率因数的减小，电流敏感度下降，功率敏感度提升；功率因数过小时，电流平衡度失去判定意义，无法真实反映抽油机平衡。在测试的138口井中，有101口井的pf＜0.6，占测试总数的75.9%（表2）。由此可见，在低渗透油田中，电动机功率因数普遍较低，这种情况下仍然应用电流法进行平衡判定具有很强的不确定性，平衡调整后无法实现抽油机的节能、安全运行，应用功率法更加合理。

表2　133口井电动机功率因数情况

2.3变频控制柜适应性分析

根据油井运行工况应用智能变频控制柜，通过对抽油机电动机转速、加速度、输出转矩等的精确控制，实现冲速调节，从而减少了电动机有功用电量和无功用电量，提高了电动机功率因数，在提高泵效的同时实现了高节电率。目前，油田上应用了SURF柔性控制柜、SEEKA系列伺服控制柜、纯崖控制柜、润裕控制柜等变频控制柜。现场测试了9口安装变频控制柜的抽油机井，其中5口井处于变频运行状态，变频运行井数占测试总井数的55.6%（表3）。

表3测试数据中，电流平衡井数有6口井，功率平衡井数有5口井，工频运行的抽油机电流都平衡，而变频运行的抽油机功率都平衡，电流却不一定平衡。数据说明，变频运行的抽油机电流平衡度不一定符合平衡标准，但功率平衡度必须在平衡范围内。因为应用电流法只能在工频状态下调整抽油机平衡，在变频运行状态下抽油机平衡度不一定好，致使控制系统由变频运行跳转为工频运行。功率平衡技术之所以适用于节能设备是由其平衡原理决定的，功率平衡调整使电动机的均方根功率最小，保证了抽油机曲柄轴均方根扭矩最小，进而实现抽油机运行的最节能状态。此时不仅消除了负功影响，在电动机均方根功率最小的情况下，电动机功率变化幅度最小，变频运行后，功率变化也相对稳定，不会出现大幅度变化。不存在相关性。功率因数过小，电流平衡度无法真实反映抽油机平衡状况，低渗透油田应用功率法判定抽油机平衡更加准确、可靠。

3）低渗透油田可用功率法调整的不平衡井达到运行井数的37%，应用功率平衡技术能够实现年节电555.4×104kWh，年节省成本费用355.5万元的节能效果。

表3　变频设备油井测试情况

3　节能潜力分析

目前，油田运行4521口油井，其中抽油机4409口井、电潜柱塞泵49口井、螺杆泵63口井，抽油机井占运行油井总数的97.5%，是油田生产最重要的举升方式，应用功率平衡技术具有很大的机采节能潜力。

按测试的138口井中功率平衡率63%，不平衡率37%计算，4409口抽油机井的功率不平衡井数达到1631口。按功率平衡试验中27口井平均单井日节电9.33 kWh计算，1631口井功率平衡调整后实现日节电1.5×104kWh，年节电555.4×104kWh，年节省成本费用355.5万元。

4　结论

1）应用功率法调整抽油机平衡相比于电流法更加节能，能够实现平均单井日节电8.87 kWh的节能效果。若功率平衡标准P下/P上的比值为60%～150%时，节能效果更好。

2）功率平衡与电流平衡通过功率因数存在一定的相关性，但是功率因数小于0.6时相关性差或

［1］冯微.功率平衡法在油田生产中的应用［J］.石油石化节能，2014（7）：19-21.

［2］孙延安.游梁式抽油机合理平衡判别方法研究［J］.石油机械，2014，42（3）：72-75.

［3］吉效科，高长乐，郭顺清，等.国内外抽油机平衡测试技术综述［J］.石油地质与工程，2013，27（2）：121-124.

［4］顾永强，周静，李玲，等.改进抽油机井“功率平衡”测试实现节能降耗［J］.油气田环境保护，2009，19（4）：45-47.

［5］中国石油天然气集团总公司.游梁式抽油机平衡及操作规范：Q/SY 233—2009［S］.北京：石油工业出版社，2009，1-3.

［6］张朝晖.功率平衡法与电流平衡法在抽油机井平衡计算中的对比分析［J］.石油石化节能，2014（10）：45-46.

［7］刘杰.抽油机井功率法平衡调整在低渗透油田的应用［J］.石油石化节能，2014（10）：17-19.

［8］尹强，罗炼钢，陈广晔，等.抽油机井功率平衡技术探讨［J］.油气田地面工程，2009，28（5）：52-53.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.09.007

2016-03-23

（编辑贾洪来）

于海山，工程师，2011年毕业于东北石油大学（矿产普查与勘探专业），从事机采、节能管理相关工作，E-mail：yuhaishan@petrochina.com.cn，地址：黑龙江省大庆油田第八采油厂工程技术大队机采室，163514。