朱益飛

中國石化勝利油田分公司孤東采油廠（山東東營257237）

試談新型抽油機(jī)平衡度測試儀的研制方法與現(xiàn)場應(yīng)用效果

朱益飛

中國石化勝利油田分公司孤東采油廠（山東東營257237）

在此則介紹了一種新型電能法平衡度測試儀的設(shè)計(jì)思路、工作原理、研制過程、現(xiàn)場操作方法、抽油機(jī)平衡塊調(diào)整估算以及現(xiàn)場應(yīng)用情況等，新研制的測試儀采取電能法測試原理，其在價(jià)格、使用方便程度以及可靠性、耐用性等各方面都與電流法的鉗形電流表相當(dāng)，而準(zhǔn)確度與功率法測試儀器一致，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

抽油機(jī)平衡度測試儀負(fù)功率電能表平衡塊

游梁式抽油機(jī)是原油生產(chǎn)的主要設(shè)備，其設(shè)備成本和耗電量占生產(chǎn)成本的比重非常大，而游梁式抽油機(jī)工作處于平衡狀態(tài)有非常重要的意義，其平衡度是油田生產(chǎn)中抽油機(jī)運(yùn)行評價(jià)的一項(xiàng)重要參數(shù)，涉及到抽油機(jī)運(yùn)行效率、節(jié)能及使用壽命等問題。因此保持抽油機(jī)平衡運(yùn)行以及對不平衡井進(jìn)行平衡調(diào)整便成為油田很重要的一項(xiàng)基礎(chǔ)管理工作。

長期以來，各油田一直延用電流法進(jìn)行抽油機(jī)平衡測試，[1]但在實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)此法存在2個(gè)問題：一是電流法與抽油機(jī)平衡的理論定義差距較大；二是電流法所用鉗形電流表無法區(qū)分電流的相位，當(dāng)抽油井含有較大負(fù)功時(shí)容易產(chǎn)生虛假平衡問題（對于不平衡抽油機(jī)均存在倒發(fā)電現(xiàn)象，即存在負(fù)功率問題）。針對電流法平衡測試存在的上述問題，一些地方采用各種類型的功率法平衡測試儀在進(jìn)行現(xiàn)場測試，從總體上來看這些儀器雖然測試準(zhǔn)確率較高（都在1級(jí)以上），但存在價(jià)格較高、操作復(fù)雜，要求現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)多，攜帶不方便，可靠性及耐用性較差，故障率高等問題,使得功率法抽油機(jī)平衡測試儀難以得到廣泛應(yīng)用,大部分采油隊(duì)仍采用電流法測試。為此，我們提出了研制新型電能法平衡度測試儀的想法。

1 新型抽油機(jī)平衡度測試儀的研制過程

1.1 新型測試儀器的設(shè)計(jì)思路

游梁式抽油機(jī)的平衡運(yùn)行狀態(tài)就是指電動(dòng)機(jī)在上沖程和下沖程中都做正功且相等。這就是說，抽油機(jī)是否平衡，可以通過電動(dòng)機(jī)在上沖程和下沖程中的輸出電能是否相等來加以判斷，而電動(dòng)機(jī)的輸出電能與輸入電能成正比。由此可得出抽油機(jī)平衡度的2種表示形式：

（1）分別測量運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)在驢頭的上沖程和下沖程中所耗電能，用兩值中的小者與大者相比，其比值即為抽油機(jī)平衡度，用百分度表示：

（2）分別測量運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)在驢頭的上沖程和下沖程中所耗電能，用下沖程消耗的電能與上沖程消耗的電能相比，其比值作為抽油機(jī)平衡度，用百分度表示：平衡度所采用的公式，是根據(jù)嚴(yán)格的理論定義推導(dǎo)出來的，它綜合考慮了反映抽油機(jī)平衡的各個(gè)要素，因此能夠真實(shí)地反映抽油機(jī)的平衡狀況。

1.2 工作原理

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，新研制的抽油機(jī)平衡度測試儀采用電能法工作原理。所謂電能法平衡測試就是分別測量運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)在驢頭的上沖程和下沖程中所耗電能，用兩者的比值作為平衡度，用百分度表示。目前游梁式抽油機(jī)電能法平衡率有2種表示形式：①分別測量運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)在驢頭的上沖程和下沖程中所耗電能，用兩值中的小者與大者相比，其比值作為平衡度，用百分度表示；②分別測量運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)在驢頭的上沖程和下沖程中所耗電能，用下沖程消耗的電能與上沖程消耗的電能相比，其比值作為平衡度，用百分度表示[2]。

公式（1）和公式（2）中的平衡度是通過測試游梁式抽油機(jī)上沖程和下沖程三相電動(dòng)機(jī)所耗的三相電能而得出的。由于油田生產(chǎn)現(xiàn)場變壓器負(fù)載單一，均為三相電動(dòng)機(jī)，故游梁式抽油機(jī)井電機(jī)三相對稱度較好,不存在嚴(yán)重偏相問題,通過實(shí)施對電動(dòng)機(jī)上沖程和下沖程的單相電能進(jìn)行計(jì)量，用上沖程和下沖程的單相電能代替公式（1）和公式（2）中的三相電能參加運(yùn)算,其得到的游梁式抽油機(jī)電能平衡度結(jié)果應(yīng)該是完全一致的。

1.3 抽油機(jī)平衡度測試儀的研制

測試儀器采用機(jī)械轉(zhuǎn)盤式單相電能表作為主要部件,并對其進(jìn)行技術(shù)改造，所選電能表的準(zhǔn)確度等級(jí)為1級(jí),標(biāo)定電流為2.5A,最大電流為5A,電表常數(shù)為1 200r/kW·h。

對單相電能表進(jìn)行以下幾個(gè)方面的技術(shù)改造：

（1）將電壓線圈與電流線圈的外部連接片去掉,使電壓線圈與電流線圈相互獨(dú)立。

（2）打開玻璃外殼,將單相機(jī)械式電能表的字輪式計(jì)度器卸下。

（3）電能表機(jī)械轉(zhuǎn)盤的直徑大約是10cm,其周長大約為31.4cm,以人眼能夠較好分辨為前提,將轉(zhuǎn)盤圓周分為180等份,并標(biāo)上刻度線和相應(yīng)數(shù)碼。機(jī)械轉(zhuǎn)盤經(jīng)改造后的俯視圖如圖1所示。

由圖1所示的刻度方式,我們可知圖中標(biāo)尺的分度值為2度/格,而數(shù)據(jù)估讀的最大誤差為1/2格,于是整個(gè)標(biāo)尺由估讀而產(chǎn)生的引用誤差的最大值為此估讀誤差與電能表的誤差限1%相比較可看成微小誤差。

圖1 機(jī)械轉(zhuǎn)盤府視圖

（4）單相電能表電壓線圈的輸入采樣電壓,采用人工中點(diǎn)的方法獲得A相的相電壓。

單相電能表電流線圈的輸入采樣電流,采用帶活動(dòng)開口的鉗式電流互感器方式。

整個(gè)單相電能表的測量接線原理如圖2所示。

圖2中O為人工中點(diǎn)，這樣可使加到單相電能表電壓線圈上的電壓為A相的相電壓，3個(gè)電阻的電阻值都為1MΩ，它們所消耗的電能可忽略不計(jì)。

（5）在電能表內(nèi)部原字輪式計(jì)度器的位置處,安裝一個(gè)固定指針,以便轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能準(zhǔn)確地指示刻度。

經(jīng)上述改造后,單相機(jī)械式電能表就可計(jì)量抽油機(jī)上沖程和下沖程的單相電能,從而可計(jì)算出游梁式抽油機(jī)的電能平衡度。通過選用合適的電能表常數(shù)以及鉗式電流互感器的變比,以使所要測試的采油區(qū)塊最大功率的游梁式抽油機(jī)和最小功率的抽油機(jī),在上沖程或下沖程所耗電能都能落在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周的范圍內(nèi)，鉗式電流互感器可以設(shè)計(jì)成2種不同的變比類型,以適應(yīng)不同的采油區(qū)塊,它們是100A/5A鉗式電流互感器和50A/5A鉗式電流互感器。

將改造后的單相電能表垂直固定在一個(gè)小的儀器盒中,在儀器盒的上方留出觀察讀數(shù)的窗口，這樣一個(gè)新型的測量游梁式抽油機(jī)電能平衡度的測試儀器就全部研制完畢。

2 新型抽油機(jī)平衡度測試儀現(xiàn)場應(yīng)用效果

2.1 現(xiàn)場操作方法

（1）將測試儀器垂直放在水平地面上；

（2）打開抽油機(jī)控制柜,將儀器的鉗式電流互感器套入A相火線；

（3）將儀器的3個(gè)電壓接線夾對應(yīng)接到三相電源的3個(gè)火線接線端子上；

（4）記錄抽油機(jī)從上死點(diǎn)到下死點(diǎn)電能表轉(zhuǎn)盤正向累積所轉(zhuǎn)過的刻度數(shù),以便計(jì)算下沖程單相電能；

（5）記錄抽油機(jī)從下死點(diǎn)到上死點(diǎn)電能表轉(zhuǎn)盤正向累積所轉(zhuǎn)過的刻度數(shù),以便計(jì)算上沖程單相電能。

要特別注意含有負(fù)功的抽油機(jī)井,若抽油機(jī)下沖程含有負(fù)功,則在下沖程的時(shí)間段內(nèi)分別記錄電能表轉(zhuǎn)盤正向累積所轉(zhuǎn)過的刻度數(shù)以及電能表反向累積所轉(zhuǎn)過的刻度數(shù),正向累積所轉(zhuǎn)過的刻度數(shù)用以計(jì)算下沖程的累積單相電能,而反向累積所轉(zhuǎn)過的刻度教用以計(jì)算下沖程所含的負(fù)功。同理可處理抽油機(jī)上沖程含有負(fù)功的情況。

2.2 抽油機(jī)平衡塊調(diào)整尺度的估算

根據(jù)抽油機(jī)平衡度的定義：抽油機(jī)平衡運(yùn)行狀態(tài)，就是指電動(dòng)機(jī)在上沖程和下沖程中都做正功且相等。抽油機(jī)不平衡是因?yàn)槌橛蜋C(jī)在上沖程和下沖程所做的功不相等。假設(shè)上沖程所做的功大（對下沖程所做的功大，可作同樣的分析），若用A上、A下分別表示上沖程和下沖程所做的正功，那么上沖程和下沖程的功耗差＝（A上－A下）。如果通過移動(dòng)平衡塊使上沖程減少功耗（A上－A下）／2，那么下沖程將增加功耗（A上－A下）／2。這樣一來，上下沖程的功耗正好相等，抽油機(jī)也就平衡了。根據(jù)這個(gè)思路，可推出平衡塊調(diào)整尺度的估算最大值公式如下：

式中，ΔL就是若讓抽油機(jī)達(dá)到理想平衡狀態(tài)時(shí)平衡塊應(yīng)移動(dòng)的最大尺度，而A上、A下可分別由新型抽油機(jī)平衡度測試儀器測出的上沖程和下沖程的累積單相電能乘以3獲得，G則為平衡塊的總重量。

對于不平衡抽油機(jī)，由于抽油機(jī)存在較大的負(fù)功，要消除負(fù)功的影響，則可得出平衡塊調(diào)整尺度的估算最小值公式如下：

式中，ΔL1就是若讓抽油機(jī)達(dá)到理想平衡狀態(tài)時(shí)平衡塊應(yīng)移動(dòng)的最小尺度，而A-可由新型抽油機(jī)平衡度測試儀器測出的上沖程和下沖程的單相負(fù)功乘以3獲得。

一般情況下，可以取抽油機(jī)平衡塊應(yīng)移動(dòng)的最大尺度和最小尺度二者的平均值作為平衡塊調(diào)整尺度的估算值。

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

下面以勝利油田某油井為例對現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行分析和說明。

該油井在電能法平衡測試與平衡調(diào)整前,單相電流峰值不超過50A,則選用平衡測試儀器的鉗式電流互感器的變比為50A/5A，所測出的參數(shù)如下：

下沖程累積轉(zhuǎn)過的正向刻度數(shù)：123個(gè)刻度；

下沖程累積轉(zhuǎn)過的反向刻度數(shù)：0；

上沖程累積轉(zhuǎn)過的正向刻度數(shù)：8個(gè)刻度；

上沖程累積轉(zhuǎn)過的反向刻度數(shù)：37個(gè)刻度。

對上述測量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算以換算成上下沖程的單相電能值：

首先,下沖程累積轉(zhuǎn)過的正向刻度數(shù)為123個(gè)刻度,由于鉗式電流互感器的變比為50A/5A=10，而我們選擇的電能表常數(shù)為1 200r/kW·h，且轉(zhuǎn)盤一周的總刻度數(shù)為180。

據(jù)此,下沖程的正向累積單相電能計(jì)算式如下：

(123/180)×(1/1 200)×10=0.005 69（kW·h）；

下沖程單相負(fù)功為0.000 00（kW·h）。

同理，上沖程正向累積單相電能計(jì)算式如下：

(8/180)×(1/1 200)×10=0.003 7（kW·h）。

上沖程單相負(fù)功計(jì)算式如下：

(37/180)×(1/1 200)×10=0.001 71（kW·h）；

抽油井的平衡度=(0.005 69×3)/(0.001 71×3-0.000 37×3)×100=424.1(%)。

由此可見,此井上沖程含有較大負(fù)功,抽油機(jī)平衡度嚴(yán)重偏離正常要求,屬于嚴(yán)重不平衡井。觀察此井的平衡塊數(shù)為2塊,且2塊平衡塊的位置都處在曲柄的最外端,平衡塊單塊重量為1.2t。由于該油井的上沖程含有較大負(fù)功,所以平衡塊的調(diào)整方向?yàn)橄騼?nèi)調(diào)整。

根據(jù)前面平衡塊調(diào)整尺度的計(jì)算公式,可對平衡塊的調(diào)整尺度進(jìn)行計(jì)算,在使用計(jì)算公式進(jìn)行預(yù)測時(shí),要注意G應(yīng)為2塊平衡塊的總重量,而上沖程和下沖程的單相電能應(yīng)乘以3以轉(zhuǎn)化為上沖程和下沖程的3相電能,同時(shí)還要注意將公式中的各種數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)化成法定的米制單位,最終我們有：

取平衡塊調(diào)整尺度的最大值和平衡塊調(diào)整尺度的最小值2個(gè)值的平均值為0.404m。按此尺度對平衡塊進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后3～4h,等油井運(yùn)行情況穩(wěn)定后,重新對此井進(jìn)行平衡測試,所測出的參數(shù)如下：

下沖程累積轉(zhuǎn)過的正向刻度數(shù)：46個(gè)刻度；

下沖程累積轉(zhuǎn)過的反向刻度數(shù)：0；

上沖程累積轉(zhuǎn)過的正向刻度數(shù)：49個(gè)刻度；

上沖程累積轉(zhuǎn)過的反向刻度數(shù)：0個(gè)刻度。

對上述測量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算以換算成上下沖程的單相電能值：

下沖程累積正向單相電能：0.002 13kW·h；

下沖程單相負(fù)功：0.000 00kW·h；

上沖程累積正向單相電能：0.002 23kW·h；

上沖程單相負(fù)功：0.000 00kW·h。

該油井調(diào)整后抽油井的平衡度=（0.00213×3）/（00223×3）×100=93.9(%)。

通過上述數(shù)據(jù)可以看出,該油井經(jīng)平衡調(diào)整后負(fù)功完全消除,上沖程和下沖程的電能差別大幅度縮小,因此平衡效果大幅度改善，抽油機(jī)平衡度由原來的424.1%調(diào)整到93.9%，完全滿足了油井生產(chǎn)要求。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該油井日耗電量由調(diào)整前的229.8kW·h下降到調(diào)整后的148.1kW·h，日節(jié)能達(dá)81.7kW·h，節(jié)電效果明顯。

3 結(jié)語

平衡測試與平衡調(diào)整有其自身的特點(diǎn),平衡測試的最終目的是平衡調(diào)整,平衡測試儀器的準(zhǔn)確度應(yīng)與平衡調(diào)整的要求相適應(yīng),而新研制的電能法抽油機(jī)平衡度測試儀器，以其體積小、價(jià)格低、操作簡單、維修方便，并與油田現(xiàn)實(shí)相適應(yīng)的特點(diǎn)，它既具有電流法操作簡單、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，又具有功率法測試儀器測量準(zhǔn)確，便于平衡調(diào)整和快速調(diào)整到位的優(yōu)點(diǎn)，完全能滿足油田生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)平衡的測試要求，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]朱益飛,張衛(wèi)東.OEC微電腦采油控制器在中低產(chǎn)油田中的應(yīng)用[J].計(jì)量技術(shù),2005(7):35-37.

[2]郭富祿,周明卿,尹強(qiáng),等.游梁式抽油機(jī)二次平衡技術(shù)的應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械2004(3):76-78.

The paper introduces a new equilibrium test instrument of electrical energy,including its design idea,working principle,developing process,on-site operating methods,the estimation on counter weight adjustment of pumping unit,and the state of on-site application.New developed test instrument is based on the testing principle of electrical energy,which is not only equal to the tong ammeter of electrical current at the aspects of price,convenience of application,reliability,and the endurance,but also is similar to the instrument of power in the aspect of accuracy,thus having high value of popularization and application.

well pumping unit;equilibrium;testing instrument;negative power,electrical energy meter;counter weight

2010-02-10▎

朱益飛（1967-），男，高級(jí)工程師，主要從事技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督工作