抽油机井平衡测试方法及电流记录卡片的分析与探讨

李桂莉（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

抽油机井平衡测试方法及电流记录卡片的分析与探讨

李桂莉（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

对抽油机井上、下冲程电动机的电流进行连续检测、记录，通过对所测得的抽油机电流卡片观察与分析，以抽油机平衡的定义为基础，提出了用测量抽油机井上、下冲程内的电流图形形状作为平衡率的新方法。该方法综合考虑了抽油机平衡的各个要素，能够真实地反映抽油机的平衡状况及曲柄、平衡块和抽油机的做功状况，完全克服了原电流法存在的虚假平衡问题，现场实验表明，该技术的测试法和判定标准准确可靠，是抽油机平衡测试的理想方法。

抽油机 平衡 电流卡片 功率平衡 电流峰值

目前，我国各油田的抽油机总数已超过10×104台，据统计，抽油机的耗电量约占油田电力系统总用电量的。按每台电动机容量30 kW（实际上不止于此，在油田使用最多的是37 kW和45 kW电动机，部分使用55 kW和75 kW电动机）计算，装机总容量在300×104kW以上。大庆油田的采油设备主要以游梁式抽油机（四连杆机构）为主，占采油设备总量的75%以上，其设备成本和耗电量占油田生产成本的比重非常大。游梁式抽油机工作于平衡状态，既可延长抽油机的使用寿命，又可节约大量电能。作为油田生产中使用最多的耗能设备，抽油机平衡调整不好，就会造成能源浪费。在实际开采作业过程中，抽油机受油井的井深、油质、杂质、含沙量、含水量等诸多客观因素的影响，须调整抽油机平衡。由于各油田只录取抽油机上、下冲程的峰值电流，以及规定平衡率［（下冲程的最大电流/上冲程的最大电流）×100%］大于85%为平衡，目前在油田抽油机井上使用的电流表只能单一地测量电动机上、下冲程的最大电流，来进行抽油机平衡率的计算，而无法体现电动机实际功率及电动机利用率。油田广泛使用的电流法抽油机平衡测试方法理论和实际操作上有着很大的缺陷，准确度较差，存在虚假平衡问题。抽油机电流能够达到平衡，但是却不能保证在合理的工作范围内，因此，研制了抽油机电流记录仪，使电动机能在合理的范围内工作，还能使常规抽油机平衡块摆放在最佳位置。

1 抽油机平衡标准要求

1.1 目前使用平衡标准

2000年石油工业出版社出版的《石油工业节能技术》[1]及2002年石油大学出版社出版的《提高抽油机井系统效率技术》[2]中抽油机平衡度（即我们通常所说的“平衡率”）的计算是：

电动机平衡度=（下冲程的最大电流/上冲程的最大电流）×100%

该数值小于100%大于85%为平衡。目前这个抽油机平衡度标准为全国各油田所采用。

1.2 行业标准要求

1.2.1 抽油机的平衡

抽油机的平衡可采用“平衡电流法”或“平均功率法”调整。“平衡电流法”调整平衡时，应使上、下冲程的最大电流差值小于最大电流的15%，最大电流值不应超过电动机的额定电流值。

1.2.2 抽油机的平衡计算

调整抽油机的平衡，可根据下述三个原则中的一个原则来计算：上、下冲程电动机做功相等；上、下冲程中减速器曲柄轴的最大净扭矩相等；减速器曲柄轴瞬时切线力与平均切线力的偏差平方和最小。

SY/T 5044—2003《游梁式抽油机》[3]中提到了平衡电流法及平均功率法两种平衡标准及平衡计算方法，上、下冲程作功相等，涉及到了功率平衡的概念，但该标准未能详细阐述功率平衡计算方法及实施方法。

功率平衡技术以抽油机最节能和最安全为标准，对抽油机功率曲线进行分解，求出不平衡功率——功率曲线中的一阶正弦分量。计算出最佳平衡调整量，使之正好抵消不平衡功率，这时抽油机最安全，电动机发热量最少。由于上、下冲程电动机做功计算复杂，一般不采用。

从保证抽油机安全运行的角度看，调平衡就是使减速器的输出扭矩最小。由于减速器的扭矩有正有负，减速器的载荷扭矩有周期性波动，不能反映实际的载荷大小。

从节能的角度看，对于一台具体的抽油机而言，机械传动损耗与电动机的固定损耗是相对不变的，只有电动机的变动损耗与电流成正比。要使抽油机最节能，就要使电动机的变动损耗最小，也就是电流变量最小。

对于一台具体的电动机，电流的大小只取决于其负载扭矩，只有保证电动机的负载扭矩值最小，才能保证电流的值最小。从上面的分析可以看出，只要保证曲柄扭矩最小，就能保证电动机负载扭矩及电动机的电流值最小。平衡调整对抽油机的安全运行与节能这两个目标的作用是一致的，只要能保证抽油机最节能，就同时保证了抽油机最安全。常规电动机的转差不大，转速变化很小，在这种情况下，可以认为电动机转速及曲柄轴角速度是一个常数，曲柄转矩与电动机的负载扭矩大体成正比。由于电动机的负载扭矩不易测量，电动机的负载扭矩与电动机输入功率成正比，电动机的功率=电流×3×电压×cosφ，电网电压波动很小，功率因数是一个常数，所以通过电流的变化就可以反应电动机负载扭矩的大小和减速器输出轴载荷扭矩的大小。

调整抽油机平衡的三个原则中的计算过程，都与抽油机电动机电流有直接关系，而且大体成正比。抽油机平衡调整的终极目的有两个，一是保证抽油机安全运行，二是节能。电流平衡法简单快捷，众所周知，由于井下负荷及抽油机工作状态的不断变化，平衡也处于一个动态变化过程中，经多次实践和研究表明：只有把抽油机平衡度控制在85%～100%范围内，电能损耗才最低。所以，在抽油机平衡度上，具有很大的优化潜力和节能空间。

为了给抽油机平衡调整工作提供更精确的数据，促使调平衡工作再上新台阶，进一步拓宽节能空间，实现了方法创新，节能效果更加明显。在广泛使用电流平衡法的基础上，技术人员首先将测得的电流、电压数据存入仪器存储卡，然后应用读卡器将数据输入电脑，画出电功率曲线，编制功率平衡法优化方案，准确确定平衡度调整参数。

2 抽油机电流记录仪原理与电流卡片分析

2.1 抽油机电流记录仪原理

把拉线挂在悬绳器上，拉线拉动减程轮随抽油机驴头的往复运动做顺、逆时针运动，减程轮带动卡纸筒运动，由互感器感应电线电流，互感器输出电流信号通过导线输送至电流记录仪，通过阻尼线圈带动笔尖做机械运动，笔尖把抽油机电动机电流同步画在记录纸上。

2.2 抽油机电流卡片分析

2.2.1 抽油机电动机电流卡片（方形）

抽油机电动机电流方形卡片是描绘抽油机井电动机电流、电压与光杆位移和曲柄旋转角度的关系曲线，纵坐标为电流、电压，横坐标为冲程和曲柄旋转角度。通过比较直观的图形分析可以判断抽油机电动机工作状况，见图1。

由图1可知，所测的抽油机电流平衡率大于85%为平衡的说法不准确。准确的说法是上、下电流的峰值电流接近于上、下电流的谷值为平衡。通过电流卡片可以计算出：

电动机实际功率=上下电流的平均值×3×电压×cosϕ

电动机功率利用率=（电动机实际功率/电动机额定功率）×100%

2.2.2 抽油机电动机电流卡片（圆形）

抽油机电动机电流圆形卡片（记录电流运行的曲线）是反应抽油机运行过程中输出轴旋转角度与抽油机电动机的电流变化关系曲线。通过比较直观的图形分析可以判断抽油机电动机工作状况，见图2。以抽油机下死点曲柄所处的位置为0°角，抽油机上死点曲柄所处的位置为180°角。

电流卡片全程记录了曲柄旋转角度与电流的关系，从卡片曲线上看出抽油机曲柄运行至50°角和240°角时，呈现抽油机一个冲程中的电流最大峰值；抽油机曲柄运行至0°角和180°角时呈现抽油机一个冲程中电流最小值。电流曲线圈闭面积为抽油机电动机在一个冲程中所做的功。

2.2.3 抽油机电动机电流卡片分析

抽油机电动机电流卡片的录取可与抽油机示功图测试同步进行，通过电流卡片（方形）和示功图对比可知该井的系统效率。在示功图未发生变化而电流卡片图型发生变化时，可判断地面设备是否发生故障，同时还可以通过电流卡片的形状来判断电动机功率是否在合理的范围内，从而对抽油机进行调整，以保证电动机做功趋于合理。

通过电流卡片（圆形）可知该井的曲柄扭矩最大、最小值所在角度，以确定平衡块安装位置，达到节能的目的；可观察输出轴齿轮旋转角度吃力点，方便检查齿轮磨损位置。

3 抽油机电动机电流记录仪的优点

1）使用该仪器可解决采油工人测电动机电流时目测的不精确，及单一测量上电流及下电流峰值的问题，同时提高了抽油机电动机电流录取的准确性。

2）抽油机相关设备运转情况可通过电流曲线反映出来，及时判断处理，提高设备完好运转率。

3）可以判断电动机做功是否在合理的范围内，通过参照仪器的实测电流卡片来对抽油机进行调整，使其在最合理的范围内进行工作，使电动机的功率利用率在最合理的范围内，用电量达到最小，达到节能的目的。

4）可以判断井下抽油泵的工作情况，通过电流曲线也可以将井下泵一个冲程内工作情况的细微变化反映出来，配合示功图使用能更准确地对井下设备运行情况做出正确判断，计算系统效率。

5）在电动潜油活塞泵井中使用电流记录仪，测得的电流卡片曲线就是电动潜油活塞泵的示功图。

4 结束语

使用抽油机电动机电流记录仪测量出来的电流卡片来判断平衡率，综合考虑了反应抽油机平衡的各个要素，因此这种方法能够真实地反映抽油机的平衡状况。由于此法比电流峰值平衡法更具有先进性，专业性较强，测量准确率较高，具有一定的指导意义和推广价值。

[1]俞伯炎,吴照云,孙德刚.石油工业节能技术[M].北京：石油工业出版社，2000.

[2]范凤英.提高抽油机井系统效率技术[M].东营：石油大学出版社，2002.

[3]全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会.SY/T 5044—2003游梁式抽油机[S].北京：石油工业出版社,2003.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.06.016

李桂莉，2005年毕业于大庆石油学院，助理工程师，E-mail：29753229@11.com，地址：大庆油田有限责任公司第二采油厂第六作业区采油49队，163414。

2011-05-18)