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抽油機(jī)平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)與調(diào)整方法
抽油機(jī)平衡判斷標(biāo)準(zhǔn)與調(diào)整方法
摘 要：油田生產(chǎn)中抽油機(jī)平衡調(diào)整方法較多，每種方法的調(diào)整效果不同。
分析了評(píng)價(jià)抽油機(jī)平衡的3個(gè)基本準(zhǔn)則，指出3個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均可通過(guò)提取抽油機(jī)單沖程功率曲線中的信息獲得。
對(duì)抽油機(jī)調(diào)平衡后，使其同時(shí)滿足3個(gè)基本準(zhǔn)則時(shí)，可認(rèn)為抽油機(jī)處于理想的平衡狀態(tài)。
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析表明：采用準(zhǔn)則二中的功率法調(diào)平衡后，抽油機(jī)可同時(shí)滿足準(zhǔn)則一和準(zhǔn)則二，并接近準(zhǔn)則三的要求，可實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)。
關(guān)鍵詞：游梁式抽油機(jī);平衡準(zhǔn)則;功率法;電流法
由于游梁式抽油機(jī)復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使抽油機(jī)的平衡調(diào)整存在較大的難度。
目前的油田生產(chǎn)中，抽油機(jī)平衡的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)通常采用“電流法”，當(dāng)下沖程最大電流與上沖程最大電流之比在80%～110%時(shí)，認(rèn)為抽油機(jī)處于平衡狀態(tài)。
然而，電流法檢驗(yàn)抽油機(jī)平衡時(shí)會(huì)出現(xiàn)假平衡現(xiàn)象，這是由于抽油機(jī)下沖程時(shí)會(huì)產(chǎn)生電機(jī)倒發(fā)電現(xiàn)象，而鉗形電流表采用的電流互感器無(wú)法判斷電流的相位導(dǎo)致誤判，生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證明這種方法無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)抽油機(jī)的平衡。
因此，電能法、示功圖法、平均功率法、曲柄軸轉(zhuǎn)矩法等相關(guān)方法被廣泛討論。
為達(dá)到節(jié)能、延長(zhǎng)減速箱壽命、操作簡(jiǎn)便的綜合目標(biāo)，本文討論了抽油機(jī)平衡評(píng)價(jià)準(zhǔn)則原理，指出抽油機(jī)平衡的3個(gè)基本準(zhǔn)則。
若抽油機(jī)運(yùn)行中能同時(shí)滿足3個(gè)平衡準(zhǔn)則時(shí)，則抽油機(jī)工作狀態(tài)最佳，處于較節(jié)能的狀態(tài)。
1 抽油機(jī)平衡判斷原則
根據(jù)《游梁式抽油機(jī)平衡的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，電流法和平均功率法是抽油機(jī)調(diào)平衡的方法，但這2種方法都可歸于基本準(zhǔn)則：1)準(zhǔn)則一：抽油機(jī)的電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中對(duì)外做功相等。
2)準(zhǔn)則二：懸點(diǎn)上、下沖程中減速箱曲柄軸峰值轉(zhuǎn)矩相等。
3)準(zhǔn)則三：整個(gè)沖程中減速箱曲柄軸轉(zhuǎn)矩的均方根值最小。
(1)準(zhǔn)則一。
這一準(zhǔn)則通常用于游梁式抽油機(jī)平衡裝置的設(shè)計(jì)，根據(jù)此準(zhǔn)則可計(jì)算出平衡裝置所儲(chǔ)存或釋放的能量A0為
A0=(Au+Ad)/2 (1)
式中：Au為上沖程抽油桿柱下落所做的功;Ad為下沖程提拉抽油桿柱和油柱所做的功。
A0可通過(guò)抽油機(jī)的實(shí)測(cè)示功圖，或者利用靜力示功圖求得。
電動(dòng)機(jī)在上、下沖程中對(duì)外做功可轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)的輸出電能，而電動(dòng)機(jī)輸出電能與輸入電能成正比。
因此，可通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)上、下沖程的輸入電能是否相等來(lái)判斷抽油機(jī)平衡狀態(tài)，也稱(chēng)為電能法。
式(2)表示電動(dòng)機(jī)功率曲線的上沖程所包圍面積和下沖程所包圍的面積相等，即上、下沖程電動(dòng)機(jī)對(duì)外做功相等。
則有
(2)
式中：Iu、Id為上下沖程的輸入電流;U 為輸入電壓;cosφ 指電動(dòng)機(jī)功率因數(shù);t為抽油機(jī)工作時(shí)間。
當(dāng)下沖程與上沖程對(duì)外做功之比在80%～110%時(shí)，則認(rèn)為抽油機(jī)平衡。
(2)準(zhǔn)則二。
這一準(zhǔn)則通常用于游梁抽油機(jī)的平衡狀態(tài)檢驗(yàn)與調(diào)整，但減速箱曲柄軸的轉(zhuǎn)矩測(cè)量比較繁瑣，通�？筛鶕�(jù)實(shí)測(cè)的光桿示功圖及轉(zhuǎn)矩因數(shù)表來(lái)繪制轉(zhuǎn)矩曲線。
這樣的測(cè)量過(guò)程不利于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。
由于電動(dòng)機(jī)的輸入電流和功率與減速箱曲柄軸轉(zhuǎn)矩近
似成正比，因此人們通常比較上沖程和下沖程的電流峰值和功率峰值來(lái)取代曲柄軸轉(zhuǎn)矩峰值。
(3)準(zhǔn)則三。
調(diào)整抽油機(jī)平衡是為延長(zhǎng)抽油機(jī)使用壽命，即希望減速箱曲柄軸輸出轉(zhuǎn)矩最小。
在不平衡的抽油機(jī)上，曲柄軸輸出轉(zhuǎn)矩通常有正有負(fù)，因此轉(zhuǎn)矩的平均值Ma無(wú)法反應(yīng)實(shí)際的載荷，通常采用均方根轉(zhuǎn)矩Mf來(lái)反映減速箱曲柄軸的載荷情況。
均方根轉(zhuǎn)矩與平均轉(zhuǎn)矩之比為周期載荷系數(shù)，其反映載荷轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)程度。
均方根轉(zhuǎn)矩和平均轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為
從節(jié)能角度分析，若使抽油機(jī)最節(jié)能即使電動(dòng)機(jī)的變動(dòng)損耗最小，而變動(dòng)損耗與電流的平方成正比，電動(dòng)機(jī)的電流取決于載荷轉(zhuǎn)矩。
因此，要求電動(dòng)機(jī)載荷轉(zhuǎn)矩的均方根值最小。
只要保證曲柄軸轉(zhuǎn)矩的均方根值最小，就能保證電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩均方根值及電流的均方根值最小，即電動(dòng)機(jī)工作在節(jié)能狀態(tài)。
因此，曲柄軸的均方根轉(zhuǎn)矩最小時(shí)，抽油機(jī)可安全節(jié)能地工作。
電動(dòng)機(jī)的載荷轉(zhuǎn)矩通常不易測(cè)量，但功率容易測(cè)量。
對(duì)于轉(zhuǎn)差不大，轉(zhuǎn)速變化較小的電動(dòng)機(jī)，近似認(rèn)為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與曲柄軸角速度是常數(shù)，曲柄軸轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)輸入功率大體成正比。
可利用電動(dòng)機(jī)的均方根功率的極小值作為判據(jù)對(duì)抽油機(jī)平衡率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
只有當(dāng)功率曲線傅里葉級(jí)數(shù)的正弦分量占主要作用時(shí)，這種調(diào)節(jié)方式才能起到較好的效果。
2 調(diào)整判斷方法
2.1 電流法
盡管電流法測(cè)試抽油機(jī)平衡時(shí)會(huì)出現(xiàn)假平衡狀態(tài)，但這種方法簡(jiǎn)單，仍被采油單位所采用。
實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)非平衡抽油機(jī)進(jìn)行調(diào)整，
式中：ΔR 為達(dá)到平衡時(shí)平衡塊的移動(dòng)量;Mmax為抽油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩;Wb為平衡塊重;Wmax、Wmin為懸點(diǎn)最大和最小載荷;S 為沖程;n為沖次。
該方法適用于現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)平衡狀態(tài)較好情況，當(dāng)抽油機(jī)嚴(yán)重不平衡時(shí)，此方法無(wú)法有效調(diào)整平衡。
2.2 功率法
功率法是通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的功率變化曲線，分析抽油機(jī)的平衡情況，當(dāng)下沖程和上沖程最大功率的百分比在80%～100%之間時(shí)，則認(rèn)為功率平衡，此值通常不大于100%。
這種判斷方法與電流法原理相同，但該方法可以克服抽油機(jī)的假平衡現(xiàn)象，即當(dāng)抽油機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電時(shí)，測(cè)量的功率曲線為負(fù)值。
3 調(diào)整原則比較
由以上分析可知：準(zhǔn)則一采用抽油機(jī)上、下沖程功率曲線的面積比;準(zhǔn)則二采用上、下沖程功率曲線的峰值比;準(zhǔn)則三是對(duì)功率曲線進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，使抽油機(jī)工作時(shí)電動(dòng)機(jī)均方根功率取得極小值。
任何一種平衡準(zhǔn)則都與電動(dòng)機(jī)功率曲線相關(guān)，因此，通過(guò)對(duì)功率曲線進(jìn)行分析可實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)平衡率調(diào)節(jié)。
當(dāng)抽油機(jī)處于良好平衡狀態(tài)時(shí)，曲柄軸轉(zhuǎn)矩曲線等效于功率曲線。
抽油機(jī)的上、下沖程是對(duì)稱(chēng)的，采用準(zhǔn)則一和準(zhǔn)則二來(lái)判斷平衡率將得到相同的結(jié)果，而準(zhǔn)則三需要濾除曲線的一階正弦分量，得到不同的功率曲線。
若對(duì)新功率曲線
采用準(zhǔn)則一和準(zhǔn)則二時(shí)，將與原功率曲線得到不同的平衡率;而準(zhǔn)則二僅考慮上、下沖程的峰值功率，信息量偏少，在實(shí)際應(yīng)用中與準(zhǔn)則一得到的平衡結(jié)果存在差別。
由此可見(jiàn)，采用3種平衡準(zhǔn)則分別調(diào)節(jié)抽油機(jī)時(shí)，將得到3種不同的平衡效果，具體哪種情況下的平衡效果最好目前還未有統(tǒng)一定論。
若通過(guò)調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡塊，使其同時(shí)滿足3個(gè)基本準(zhǔn)則，則可認(rèn)為抽油機(jī)處于理想平衡狀態(tài)。
參考文獻(xiàn)：
1.金偉，高增海等.抽油機(jī)平衡測(cè)試方法的研究與改進(jìn)[J].石油機(jī)械，2001，29.
2.侯立功，劉超，陶明.雙驢頭抽油機(jī)平衡調(diào)整的簡(jiǎn)易方法[J].油氣田地面工程，2008.
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