游梁抽油机智能平衡调整技术节能效果研究

闫超（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

石油开采过程中地面驱动设备主要使用有杆抽油系统，抽油机是有杆系统其数量占油田采油设备总数的90%以上，同时其系统效率较低，某区块2021年常规抽油机平均系统效率仅为31%。抽油机平衡状况的好坏，直接影响抽油机连杆机构、减速箱和电动机的效率与寿命[1-2]。影响抽油机平衡的主要原因是抽油机悬点载荷规律的变化和平衡中的调节状态，井下载荷随着生产的运行会不断发生变化，要实现再平衡就需要操作人员不断的调整游梁式抽油机的平衡机构[3]。目前，某区块抽油机平衡调整采取人工调整的方法，在实际操作过程中，三元复合驱抽油机井受到采出液浓度和垢的影响，上下冲程峰值电流不稳定且波动幅度较大，一次性调整到位的准确率低，有些抽油机井平衡块已经调至最外端，长期处于不平衡状态，严重影响了区块机采节能管理水平的提升，给平衡调整工作带来了很大的困难。

1 应用现状

目前，针对游梁式抽油机平衡调节方式存在劳动强度大、工作效率和调整精度低、安全性差等问题，国内外均比较重视，并研制应用了相关的技术和措施[4]。2017年，A油田研制并应用了抽油机智能平衡装置，该装置安装在游梁式抽油机游梁尾部的一个可调节配重力臂的尾游梁，尾游梁上安装带摆锤的游标式配重体，游标式配重体采用太阳能电池板给蓄电池充电，用蓄电池带动电动机驱动减速机和齿轮旋转，通过与齿条啮合带动配重体前后移动，再通过调节配重力臂达到调节抽油机平衡比的目的。2018年，B油田试验应用了抽油机智能平衡调整技术，平衡比由76.11%～129.67%自动调节至95.14%～106.67%，功率因数平均提升0.25，综合节能率22.09%～30.42%。2019年，C油田分公司试验应用了智能平衡调整技术，平衡比由51.71%～154.42%自动调至97.61～102.29%，功率因数平均提升0.46，系统效率平均提升1.31%，平均节能率26.89%。D油田某采油厂研究并应用了智能平衡调节软件，以示功图为基础，结合抽油机运动参数，绘制扭矩曲线，同时计算出平衡块扭矩-曲柄转角曲线和曲柄扭矩-曲柄转角曲线，以净扭矩最小为目标实现抽油机井平衡状况监测、诊断、优化设计及调平衡量化分析，实现了抽油机平衡调整一步到位，提高了工作效率[5]。

根据本区块弱碱三元复合驱抽油机能耗现状，智能平衡调整技术可实现在不停机的状态下完成平衡调整工作，具有较好的适应性，对优化抽油机运行状态、降低抽油机能耗水平、控制井下作业成本、减轻基层劳动强度具有重要意义。

2 智能平衡调整技术原理及功能

智能平衡调整装置是集成平衡调整、无功补偿、电网优化、互联互通等功能模块为一体的数字化管理技术，通过自动化、数字化、智慧化三个技术链条实现不停机平衡调整，最大程度对抽油机进行力学和电网优化，达到提高功率因数、降低抽油机能耗水平的目的[6]。

2.1 技术原理

力矩平衡原理是智能平衡调整装置的理论基础。当平衡发生变化时，抽油机游梁尾部随摆装置通过移动调节随摆配重力矩，可整合其他合力矩曲线趋向正弦曲线，使游梁式抽油机达到平衡状态[7]。

智能平衡调整过程分为第一阶段：当抽油机处于过平衡状态时，下行峰值电流增大，则游梁尾端载荷增大，调节装置将配重向驴头端移动达到平衡位置；当抽油机处于欠平衡状态时，上行峰值电流增大，则驴头端载荷增大，调节装置将配重向游梁尾端移动达到平衡位置。调节前，装置自动识别平衡比变化情况，保障了平衡调整的符合性和稳定性。第二阶段：上冲程时，内部平衡装置向尾端移动，协助平衡块和电动机共同克服驴头载荷。下冲程时，装置向驴头端移动，协助电动机和抽油杆共同克服平衡块载荷。

2.2 功能简介

智能平衡调整装置由智能尾摆平衡装置与汇控柜配套使用，中间由线束进行数据传输。汇控柜中装配无功补偿、电网优化、互联互通等功能，实现对生产工况的实时监测与优化。

2.2.1 无功补偿

电网输出的功率包括有功功率和无功功率两部分。直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学能或声能，利用这些能作功，这部分功率称为有功功率[8]。不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备做功的必备条件，并且这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率被称为无功功率。该模块采用了新一代动态无功补偿装置，由检测单元、主控单元、投切执行单元和电容器组（含电抗器）四大部分构成。检测单元通过电压、电流传感器实时检测系统电压和电流的瞬时值，并实时计算出电压、电流有效值和系统所需无功功率等控制参量，由主控单元完成逻辑判断并发出相应的控制指令，控制投切执行单元投切电容器组对负载无功功率的动态跟踪补偿[9]。

该装置可根据电网中动态变化的无功量实现快速补偿，并且有稳定电网电压功能，可以提高电网质量，没有触点，零电流投切技术既增加了电容器的使用寿命，而且该装置主要用来补偿电网中频繁波动的无功功率，抑制电网闪变的谐波，提高电网的功率因数，改善配电网的供电质量和使用效率，进而降低网络损耗[10]。

2.2.2 电网优化

在电网优化方面主要体现在涌流治理、谐波处理和巡检补偿三方面，可形成稳定电压电流，大幅度降低电网损耗，有效延长电气设备使用寿命。

1）涌流治理。涌流普遍存在于配电系统中，可加速电气设备老化，危害生产安全和稳定，涌流治理可有效抑制峰值电压和峰值电流，减少电动机和变压器烧损，保护电气设备。通过电网涌流治理，消除了过电压和过电流的波动，避免了因过压和过电流对电气设备和电缆冲击造成的损害。

2）谐波处理。油田电网中谐波普遍存在，且谐波波形复杂，通过运用电网谐波处理技术，可大幅减少或消除谐波，有效减少谐波叠加对用电设备损害，延长变压器寿命。此外，日常节能测试容易忽略全波测量，进而降低谐波治理对节能的重要性，通过谐波有效治理，高次谐波幅值大幅减少，治理效果明显，谐波节能率达90%。

3）巡检补偿。该功能可定时巡检电压电流相位角，对无功功率进行动态调节，提供感性负载所消耗的无功功率，从而减少电网电源无功功率输送，提高功率因数。

2.2.3 互联互通

互联交互模块可实现抽油机远程控制、参数远程管理和故障远程治理等功能，与抽油机操作系统模块组合安装，现场试验应用了NB-IOT传输方式对试验井进行远程控制，均取得了较好效果。可根据应用规模和油田要求，还可通过Cat.1、光纤等数据传输通道对生产电参数进行实时分析和远程调控，通过预留I/O接口，可按油田数字化管理需求与其他系统进行嵌入，为数字化、智能化采油助力。

3 现场应用效果

3.1 抽油机平衡比调整情况

选取本区块平衡比低、调整难度大的2口三元复合驱抽油机井开展现场试验。安装前后测试结果对比，试验井平衡比由70.40%～80.77%调整到96.50%～98.53%，不停机自动调整成功率达100%。智能平衡装置平衡比调节指标完成情况见表1。

表1 智能平衡装置平衡比调节指标完成情况Tab.1 Completion of the balance ratio adjustment index of the intelligent balance device

3.2 智能平衡装置节能效果

安装后，试验井平均有功功率降低7.46 kW，无功功率降低27.37 kW，有功百米吨液耗电降低1.37 kWh/100 m·t，无功百米吨液耗电降低3.51 kWh/100 m·t，系统效率提高7.8%，功率因数提高0.32，平均综合节电率33.04%[11]。智能平衡调节装置节能效果见表2。

表2 智能平衡调节装置节能效果Tab.2 Energy-saving effect of intelligent balance regulating device

4 经济效益评价

经测算，加工并安装智能平衡装置两套，费用为20.2万元，其中设备加工费20万元，安装费0.2万元。根据现场试验效果，对2口试验井一年内预计取得的效益进行测算，合计贡献效益11.84万元。其中1#井预计年节电3.89×104kWh，节约电费2.66万元；2#井预计年节电8.08×104kWh，节约电费5.52万元，合计节电11.97×104kWh，预计年度节约电费8.18万元，占效益总量的69%。智能平衡调节装置产出经济效益见表3。

表3 智能平衡调节装置产出经济效益Tab.3 Output and economic benefits of the intelligent balance regulating device

智能平衡调节装置投入产出测算，安装两年即可盈利，按照三元见效期三年计算，此期间预计盈利15.35万元，其中第二年盈利3.50万元，第三年盈利11.85万元。

该区块三元见效期抽油机井180口，若全部安装此装置，总盈利约626.4万元。智能平衡调节装置使用寿命为8 a，该区块进入后续水驱阶段后，可将调节装置利用在其他三元见效区块继续发挥作用，实现效益最大化。此外，对于三元见效期抽油机井，减少停机次数、缩短停机时间，可降低卡泵几率，大幅缩短井下作业投入。

5 结论

1）智能平衡装置能够自动监测抽油机能耗状态，通过调整随摆配重位置，达到改变力矩、实现动态平衡的目的，现场试验安装2口井，平衡比均达到了96%以上，平均提升22.4%，达到了实验的目的，满足了油田管理要求。

2）该装置能够实现不停机调节平衡的目的，通过优化运行状态，可有效降低上下冲程电流，在达到平衡要求的同时，降低抽油机能耗，现场试验上冲程峰值电流平均降低44.94 A，下冲程峰值电流平均降低24.06 A，全年预计节电11.97×104kWh，预计节约电费8.18万元，具有较好的节能效果，对油田的效益具有一定促进作用。

3）三元见效期抽油机井应用智能平衡调整装置后，省去了反复调整平衡的工作量，大幅度减轻基层劳动强度，降低操作风险，使生产管理更加快捷高效。此外，该装置可以拆除后重复利用，继续发挥作用，实现效益最大化，具有较强的推广价值。