抽油机平衡度判断调整及对对变频器耗电影响分析

抽油机平衡度判断调整及对对变频器耗电影响分析

张惠民1，孙轶峰1，徐志国1，赵建新1，曲洪鹏2

（1.吉林油田公司新民采油厂；2.吉林油田新能源有限公司）

摘要：抽油机的平衡运行状态对其能耗和运行稳定性至关重要。本文详细阐述了抽油机平衡与耗电量的关系，深入分析了当前抽油机平衡判定及调整技术的现状，探讨了抽油机负载特性、变频器的应用以及不同平衡度对变频器耗电的影响。通过研究得出更为精准的平衡判定方法，明确各平衡判定方法之间的内在联系，并揭示平衡对抽油机能耗的具体影响程度，旨在为油田节能降耗工作提供坚实的理论依据和切实可行的实践指导，有力推动抽油机技术的持续发展和完善，以更好地适应油田开发的多样化需求，显著提高能源利用效率，有效降低生产成本，切实保障抽油机的安全、平稳运行，促进油田生产的高效与可持续发展。

关键词：抽油机；平衡度；变频器；耗电

引言

游梁式抽油机作为油田开采中的关键设备，长期以来其效率问题一直是行业关注的焦点。究其根本，在于其载荷特性与普通电动机工作特性之间存在显著的不匹配情况。在实际的运行过程中，绝大多数电动机处于轻载工况，也就是所谓的“大马拉小车”现象极为普遍。据统计，我国近10万台抽油机井的电动机平均负载率仅在20％-30％之间徘徊，部分甚至更低，这无疑造成了能源和设备的严重浪费，极大地影响了油田开采的经济效益和资源利用效率。当游梁式抽油机处于理想的平衡度100％时，电动机所提供的动力主要用于提起液柱重量以及克服摩擦力等必要做功环节，此时系统运行相对高效且能耗处于合理范围。然而，一旦平衡度降低，电动机则不得不额外提供更多的动力来维持抽油机的正常运行。由于抽油载荷处于时刻变化的动态过程中，而平衡配重却难以与之实现完全同步的精准变化，这就使得抽油机的节能技术变得极为复杂且具有挑战性。

在油田生产的实际过程中，尽管抽油机配备了专门的平衡装置且参数在初始设置时也经过合理调配，但受到诸如井液变化、供液能力波动、配套设备变更、抽油泵工作条件改变以及机采参数优化调整等多种复杂因素的交织影响，抽油机的平衡状况极易发生改变，甚至可能从原本的平衡状态迅速转变为较为严重的不平衡状态，这将对抽油机的正常生产运行产生严重的负面影响，不仅会导致能耗大幅增加，还可能引发设备故障，降低生产效率，甚至威胁到生产安全。因此，持续不断地对抽油机的平衡状态进行检查和调整，确保其始终能够在平衡条件下稳定工作，对于实现机、杆、泵系统的良好平衡，彻底消除发电问题，有效降低能耗，显著提高系统效率具有不可忽视的重要意义，这也是实现油田可持续发展和提高经济效益的关键环节之一。

1抽油机平衡判定及调整技术现状

1.1平衡判定方法

1.1.1峰值电流法

峰值电流法所遵循的是上下冲程减速箱输出轴峰值扭矩相等的平衡判定原则，其实现方式是通过对上下冲程电动机的峰值电流比值进行实际测量，以此来判定平衡度。在早期的抽油机应用中，由于其实现相对简便，无需复杂的测量设备和技术，因此得到了较为广泛的应用和普及，成为当时主要的平衡判定方法之一。然而，随着抽油机技术的不断发展和对平衡精度要求的日益提高，峰值电流法的诸多问题逐渐暴露出来。首先，读值误差是该方法面临的一个常见问题。由于受到测量仪器精度的限制以及测量环境中各种干扰因素的影响，如电磁干扰、温度变化等，导致所测量得到的电流值往往存在一定的偏差，进而使得最终计算得出的平衡度不准确。其次，虚假平衡现象也是该方法的一大弊端。在某些情况下，尽管从测量得到的电流比值来看，抽油机似乎处于平衡状态，但实际上这只是一种表面现象，可能是由于测量误差或者其他因素导致的误判，而抽油机在实际运行中并未真正达到平衡，这就可能会给生产带来潜在的隐患，例如增加能耗、加速设备磨损等。此外，随着变频技术在抽油机中的逐渐广泛应用，峰值电流法的局限性愈发凸显，因为在变频设备上，电动机的电流特性发生了改变，使得基于峰值电流比值的平衡判定方法不再适用，无法准确反映抽油机的真实平衡状态。

1.1.2做功法

功法是依据抽油机电值来判定平衡度的一种方法，其原理相对复杂。它要求示功图饱满，以抽油机上、下冲程对外做功相等作为平衡判定的基本原则，通过对实测抽油机运行示功图上、下冲程包围的面积进行精确测量和计算来实现平衡度的判定。然而，在油田实际生产中，供液不足的情况时有发生，这就给功法的应用带来了很大的挑战。当供液不足时，测试得到的示功图往往会出现畸形，无法准确、完整地反映抽油机的做功情况，从而导致基于示功图面积计算的平衡度判定结果出现较大误差，无法为抽油机的平衡调整提供可靠的依据，严重影响了该方法在实际生产中的应用效果和可靠性。

1.1.3功率法

功率法所依据的是整个冲程中减速箱输出轴均方根扭矩最小的原则，通过对上下冲程电动机的平均功率比值进行实际测量来判定平衡度，并且该方法具有能够自动给出平衡块调整量的优势，为抽油机的平衡调整提供了更为直接和便捷的指导。从技术实现的角度来看，功率法相对较晚，在早期的抽油机技术发展过程中，由于受到技术水平和设备条件的限制，其推广和应用受到了一定的阻碍。尽管该方法在测试的方便性和准确度方面具有明显的优势，但由于其在技术普及和推广方面的滞后性，目前在油田中的普及程度仍然不高，尚未成为主流的平衡判定方法。然而，随着技术的不断进步和油田对节能降耗要求的日益迫切，功率法有望在未来得到更广泛的应用和发展，为抽油机的平衡控制提供更为精准和有效的技术支持。

1.2平衡调整方法

1.2.1人工调整平衡块位置

人工调整平衡块位置是抽油机平衡调整的传统常规方法，长期以来在油田生产中占据着主导地位。其具体操作过程是，首先需要关停抽油机，以确保操作人员的安全和调整工作的顺利进行。然后，操作人员依据自己的现场经验来判断平衡块所需的调整位移量，这一过程往往缺乏精确的量化依据，主要依赖于操作人员的经验积累和主观判断，因此存在较大的不确定性和误差。最后，借助专门的平衡调整专用工具，如吊车、千斤顶等，对笨重的平衡块进行移动操作，将其调整到预定的位置。

然而，这种方法存在着诸多明显的缺陷。首先，调整精度低是其最为突出的问题之一。由于完全依赖人工经验判断，很难精确地将平衡块调整到最佳位置，导致抽油机难以达到理想的平衡状态，从而使得抽油机在运行过程中仍然存在较大的能耗浪费和设备磨损风险。其次，工作效率低也是该方法的一大弊端。移动笨重的平衡块操作繁琐复杂，需要耗费大量的人力和时间，对于一些特殊井，如位于偏远地区或者井口空间狭小的油井，还可能需要吊车等大型设备辅助，这不仅进一步增加了调整的难度和成本，还会导致关井时间延长，从而影响单井产量，给油田生产带来一定的经济损失。此外，频繁的关井操作还可能对油井的地层压力和生产稳定性产生不利影响，降低油井的采收率和生产寿命。

1.2.2自动或半自动平衡调整装置

为了有效解决人工调整方法存在的诸多不足，部分油田开始研究并应用自动或半自动平衡调整装置。这些先进的装置能够在不停井的状况下，实现对抽油机平衡状态的实时监测和自动调整，确保抽油机始终处于最佳的平衡运行状态。其工作原理是通过安装在抽油机上的各种高精度传感器，如载荷传感器、位移传感器、角度传感器等，实时监测抽油机的运行状态参数，如抽油杆的载荷变化、抽油机的冲程和冲次、曲柄的角度位置等。然后，将这些实时监测到的数据传输到专门的控制系统中，控制系统根据预设的平衡标准和算法，对监测数据进行分析和处理，自动或半自动地计算出平衡块所需的调整量和调整方向。最后，通过驱动装置，如电动推杆、液压油缸等，自动或半自动地调整平衡块的位置，实现对抽油机平衡状态的精准控制。

与人工调整方法相比，自动或半自动平衡调整装置具有显著的优势。首先，提高了调整的精度和效率，能够根据实时监测数据进行精准的调整，确保抽油机始终处于最佳的平衡状态，从而有效降低能耗，提高设备的运行效率和使用寿命。其次，避免了关井对产量的影响，由于可以在不停井的情况下进行平衡调整，因此不会导致单井产量的下降，保障了油田的生产效益。此外，这些装置还具有自动化程度高、操作简便、可靠性强等优点，能够大大减轻操作人员的劳动强度，提高油田生产的管理水平和自动化程度，为油田的高效生产提供了有力的支持和保障。

2抽油机负载特性

抽油机的工作原理是直接将电动机所产生的旋转运动转化为驴头的上下往复运动，从而实现对井液的抽取。在向上抽液的过程中，由于需要克服液柱的重力以及摩擦力等阻力，驴头需要做功较大，此时电动机处于较大的负载状态。而在向下运动时，由于抽油杆和液柱的自重作用，系统负载相对较小，电动机的输出功率也相应降低。

为了有效平衡抽油机在上下运动过程中的负载差异，减小电动机的运行功率波动，通常在抽油机曲柄位置设置平衡块装置。通过合理调节平衡块的位置和重量，可以在一定程度上平衡各个位置上的载荷，使得抽油机在整个运行过程中的负载更加均匀，从而提高电动机的工作效率，降低能耗。然而，尽管这种方式能够在一定程度上有效平衡抽油机的最大载荷，但也不可避免地会产生一定的负功，即抽油机反发电现象。

通过对试验抽油机在工频运行下的2个周期负载曲线进行深入细致的分析，可以清晰地发现，在每个周期内都会产生负功。这种负功的存在不仅会降低抽油机的能源利用效率，造成能源的浪费，还可能对电动机和其他设备造成一定的损害，如增加电动机的发热、加速设备的磨损等。因此，如何减少或消除负功成为抽油机节能技术研究的一个重要方向和关键课题之一。这需要从抽油机的设计、运行参数优化、平衡装置改进以及能量回收等多个方面进行综合考虑和技术创新，以实现抽油机的高效、节能运行。

3抽油机用变频器

抽油机所使用的变频器与普通变频器相比，存在着明显的区别，这主要是由于抽油机的特殊工作环境和负载特性所决定的。为了有效消除反发电问题，通常会采用以下两种方式：一是安装热电阻部件，其工作原理是将发电所产生的热量通过热电阻消耗掉，从而避免反发电对系统造成的不良影响。然而，这种方式虽然能够解决反发电问题，但也导致了电能的浪费，因为发电所产生的能量并没有得到有效的回收和利用，而是以热能的形式散失掉了。二是安装反馈单元部件，它能够将产生的电能传输到电力网络中，实现能量的回收和再利用，从而提高能源利用效率。但是，这种方式会大幅增加变频器系统的成本，包括反馈单元的采购成本、安装调试成本以及后期的维护成本等，这对于一些经济实力有限的油田来说，可能会存在一定的经济压力。

在实际应用中，考虑到成本和技术可行性等因素，油田变频器大多选择第一种方式，即安装热电阻部件。虽然从表面上看，应用变频器系统后抽油机不会产生负功，但实际上电动机运行中产生的负功被热电阻所消耗，仍然造成了能源的浪费，并没有从根本上解决能源利用效率低下的问题。因此，在变频器的应用过程中，需要综合考虑成本和节能效果，选择更为合理的解决方案。例如，可以通过优化变频器的控制算法，提高其对抽油机负载变化的响应速度和精度，从而减少负功的产生；或者研发新型的能量回收装置，将反发电产生的能量进行有效的回收和利用，以提高抽油机系统的能源利用效率，降低生产成本，实现经济效益和环境效益的双赢。

4不同平衡度对变频器耗电的影响

变频器的耗电主要包括自身耗电和热电阻耗电两个部分。从技术参数分析可知，变频器通常的工作效率可达97%左右，即自身消耗约3%的电能，这部分电能主要用于维持变频器内部电子元件的正常工作以及实现对电动机的控制和调速功能。而热电阻所消耗的电能则会随平衡度的差异而有所不同，存在一个较大的调整范围。在工频条件下，抽油机会产生必要的负功，经数据分析计算确定，其占总系统能量的7.30%左右，这部分负功在没有采取有效的能量回收措施时，会对系统的能源利用效率产生较大的负面影响。而在变频条件下，负功会被热电阻直接消耗，从而避免了负功对系统的直接冲击，但同时也造成了能源的浪费。

通过对比两种工作方式的功率曲线可以发现，在负功位置上存在明显区别，虽然由于热电阻消耗能量的过程较为复杂，难以直接精确测定其能耗，但经过对比分析可以确定，上述7.30%的热量会被直接损耗。这表明，平衡度对变频器的耗电具有显著的影响，当抽油机的平衡度较差时，会导致负功增加，从而使得热电阻的耗电量上升，进一步降低了系统的能源利用效率。

因此，针对采用变频器的抽油机系统，选择科学合理的平衡调节方法至关重要。通过优化平衡度，可以尽量减少热电阻的能源损耗，从而有效降低各个结构部分的能源消耗，大幅提升能源利用率，满足系统的节能降耗要求。研究表明，平均功率法判定平衡的准确性较高，且其合理平衡区间为70%-120%。所以，应用平均功率法对抽油机平衡进行判定，并结合抽油机平衡随地下地质状况变化而变动的特点，加强机采井日常平衡管理工作，能够有效控制机采能耗，提高抽油机的运行效率和经济效益。这需要油田企业建立完善的抽油机平衡监测和管理体系，定期对抽油机的平衡状态进行检测和评估，根据实际情况及时调整平衡度，确保抽油机始终处于最佳的运行状态，实现节能降耗和可持续发展的目标。

5结论

综上所述，抽油机的平衡问题对于油田的节能降耗、安全生产以及可持续发展具有至关重要的意义。通过深入、全面地分析当前抽油机平衡判定及调整技术的现状，我们明确了各种方法的优缺点，这为进一步改进和优化抽油机的平衡技术提供了明确的方向和思路。同时，对抽油机负载特性、变频器应用以及不同平衡度对变频器耗电的影响进行了深入研究，揭示了其中的内在规律和紧密联系。研究结果表明，平衡度对抽油机的能耗和运行稳定性具有显著影响，通过采用科学合理的平衡调节方法，如平均功率法，可以有效降低抽油机的能耗，提高能源利用效率。

参考文献

[1]陈昱冰.抽油机平衡度对变频器耗电的影响[J].化学工程与装备.2022(01).153-154

[2]徐凡.抽油机平衡度对变频器耗电的影响办法[J].中国石油和化工标准与质量.2020(01).170-171