CN104533349A - 一种抽油机井运行平衡的调整方法 - Google Patents

Abstract

一种抽油机井运行平衡的调整方法，属于油田采油技术领域，为了实现现场抽油机井平衡调整方便实用性测量。技术要点：获得有功功率平均值和上下冲程净扭矩叠加值P_上下；根据P_上下获得抽油机井的环空动液面HY；通过上冲程有功功率平均值与下冲程有功功率平均值判断平衡块是否需要移动调整及调整平衡块的移动方向；如需要调整，则确定抽油机平衡块调整移动量，来调整抽油机的平衡块。本方法采用功率法，需要调平衡时实测动液面HY与不需要调平衡时动液面HY_前之间变化量与平衡块调整量建立关系，同一抽油机井按机型完善好所存储的工况信息，测试中存储信息可任意调用，实测数据进行工况参数修正，实现抽油机井平衡调整实用性测量，测量后现场给出调整的方法。

Description

一种抽油机井运行平衡的调整方法

技术领域

本发明涉及一种抽油机井运行平衡的调整方法，涉及到油田抽油机井测量技术领域，属于油田采油技术领域。

背景技术

如果抽油机没有平衡装置，当电动机带动抽油机运转时，由于上、下冲程中悬点载荷极不均衡，满足上冲程载荷的电动机，在下冲程中将做负功，从而造成抽油机在上下冲程中受力极不平衡。其后果是：严重降低电动机的效率和寿命；使抽油机发生激烈振动；会破坏曲柄旋转速度的均匀性，恶化抽油杆和泵的工作条件。因此抽油机必须采用平衡装置。

多年以来，油田抽油机井平衡调整测量，大致有三种方法：

电流法：在抽油机上下冲程中，电动机的最大工作电流相等；

功率法：指上、下冲程电动机的平均输入功率相等；

依据“上、下冲程电动机做功相等”的平衡率计算方法，这才是我们所说的“功率法”。在一个冲程周期测试记录了N组数据，对于曲柄平衡方式从曲柄位于“12点钟位置”开始，对于游梁平衡方式从悬点位于下死点开始，前N/2组输入功率值的平均就是抽油机上冲程平均功率，后N/2组输入功率值的平均就是下冲程平均功率。

扭矩法：悬点上下冲程中减速箱曲柄轴峰值扭矩相等。

1)、若上冲程中最大工作电流(或平均功率，或减速箱曲柄轴峰值扭矩)大于下冲程中最大工作电流(或平均功率，或减速箱曲柄轴峰值扭矩)，表示抽油机平衡不够，需要加大平衡重的数量或加大曲柄平衡重的平衡半径；

2)、若上冲程中最大工作电流(或平均功率，或减速箱曲柄轴峰值扭矩)小于下冲程中最大工作电流(或平均功率，或减速箱曲柄轴峰值扭矩)，表示抽油机平衡重过大，即属于过平衡，需要减少平衡重的数量或减小曲柄平衡重的平衡半径；

现场多数采用电流法进行，测量上冲程与下冲程最大电流作为平衡调整判断，但测试误差相对比较大；功率法在实际应用中比较准确，测试比较方便，但现场很难提供曲柄平衡块重量及相应半径数据；扭矩法测试比较准确，没有前两种方法应用方便，现场很难实现测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种抽油机井运行平衡的调整方法，以实现现场抽油机井平衡调整方便实用性测量，本发明采用同一抽油机井测试中完善好所需的工况参量，建立工况参量信息，测试中存储信息任意调取使用如：动液面或有功功率等，需要调整平衡块平衡时与实测值比较，动液面变化量(工况变化在减速器输出轴形成变化量扭矩)与平衡块调整量(平衡块调整在减速器输出轴形成扭矩)建立模型关系，给出一种实用方便抽油机井运行平衡的调整方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种抽油机井运行平衡的调整方法，所述方法的实现过程为：

步骤一、在抽油机正常工作过程中高速实时采集抽油机井的电参数，测量电机输入端电参数：电流、电压、有功功率，数据采集速度大于或等于20次/秒，同时，确定抽油机曲柄运行至对应抽油机井口悬点上死点的时刻以及下死点的时刻；

步骤二、完成步骤一后，周期性分解处理抽油机井上、下冲程电参数有功功率，分别获得连续多个冲次的上冲程有功功率平均值与下冲程有功功率平均值以及上下冲程净扭矩叠加值P_上下；

P_上下为累加平均值，是根据正常运行状态下测量获得的连续多个冲次的上冲程净扭矩P_上、下冲程净扭矩P_下周期性叠加后获得；

步骤三、根据上下冲程净扭矩叠加值P_上下获得抽油机井的环空动液面HY；

步骤四、通过步骤二获得的上冲程有功功率平均值与下冲程有功功率平均值判断平衡块是否需要移动调整及调整平衡块的移动方向；

步骤五、根据步骤四的判断，如需要调整，则确定抽油机平衡块调整移动量，再根据确定的抽油机平衡块调整移动量来调整抽油机的平衡块，从而实现抽油机的平衡调整。

在步骤三中，获得环空动液面HY的具体过程为：

在线连续实时进行环空动液面测量，环空动液面值为油管外径与套管内径之间采油液面距地面的距离，含加速度影响动液面HY_加的表达式为：

上式中：Y表示在冲次为N时抽油机井电机输入端至井口悬点的机械传动效率，称作扭矩因数或扭矩因子，F_p表示抽油机井的抽油柱塞的截面面积；

考虑实测数据动液面加速度影响，求得消除加速度影响的环空动液面HY如下：

HY＝HY_加/(1+a)，式中a为井口悬点加速度。

在步骤四中，判断平衡块是否需要移动调整及调整平衡的移动方向的过程如下：

平衡率定义：或

η_PA——单井平衡率，％；当η_PA≤80％时，则需要实施平衡调整，如果平衡块向外移以增大平衡块作用半径，如果平衡块向里移以减小平衡块作用半径；当η_PA>80％时，不需要实施平衡调整，维持现状，给出目前的平衡率数据。

在步骤五中，确定抽油机平衡块调整移动量的过程如下：

△R＝(HY-HY_前)×△R₂/HH，   (1)

式(1)中：针对具体抽油机井参量有记忆调取功能，HY_前为不需要调平衡时环空动液面值；HY为需要调平衡时实测环空动液面值；HH为泵卦，即井下下泵距地面的距离；△R₂为抽油机平衡块调整量最大移动量；式(1)为用动液面变化量建立平衡块移动调整量模型；

或利用式(2)确定抽油机平衡块调整移动量△R，即将式(1)中所述动液面值利用相应输入端有功功率替代，进行平衡块调整移动量△R计算；

△R＝(P_上下功HY-P_上下功前)×△R₂/P_上下功HH；   (2)

式(2)中：P_上下功HY表示与HY对应输入端上下冲程有功功率叠加值，

P_上下功前表示与HY_前对应输入端上下冲程有功功率叠加值，

P_上下功HH表示与HH对应输入端上下冲程有功功率叠加值；

或将式(1)中所述动液面值利用净扭矩叠加值P_上下替代，从而确定抽油机平衡块调整移动量△R；

在现场平衡块当前位置基础上加或减△R进行调整平衡块，现场测试后即可进行抽油机的平衡调整。

所述△R₂的获得过程为：

假设需要调整实测动液面与不需要调整时动液面变化量为泵卦HH时，抽油机平衡块调整量为最大移动调整量△R₂为计算过程如下：

由相当于泵挂/2动液面变化量转换至减速器输出轴扭矩 计算得到M4；根据现场抽油机机型确定f_p，再根据平衡块移动量形成的扭矩变化量与动液面变化量形成的扭矩建立关系：

有W1×△R₂＝M4，

由公式计算出△R₂；

式中：W₁表示调平衡前平衡块总重量，f_p表示抽油机柱塞面积，η表示井口悬点至抽油机减速器输出轴的机械传动效率。

在步骤五中，确定抽油机平衡块调整移动量的方式为采用现场无需提供平衡块重量工况参数的方法：现场抽油机调过平衡再启机运行后，1小时～8小时达到供排平衡,然后进行后续测量，前后两次测量进行数据参量修正，实现修正后准确测量；将具体单井实测数据与历史存储数据结合，上下冲程单位有功功率变化量对应平衡块移动调整量，并用实测数据进行修正，从而得到抽油机平衡块调整移动量，

其具体过程如下：

步骤(1)、输入机型井号即可调取平衡块重量W1₀数据，则有上次测量时平衡块单位

有功功率调整量△R4₀：

△R4₀＝Y×15/(π×N0×W1₀)；   (3)

式中，Y为抽油机输入端至井口悬点的机械传动效率，

N0为测量时上次抽油机冲次；

步骤(2)、经上次调平衡，抽油机再运行1小时～8小时以后，判断是否需要调平衡，直至需要调平衡时测量输入端上冲程有功功率P_上功0与下冲程有功功率P_下功0，则有当前调整量△R0：

△R0＝△R4₀(P_上功0-P_下功0)；   (4)

式中，P_上功0为测量时净扭矩P_上对应电机输入端有功功率；

P_下功0为测量时净扭矩P_下对应电机输入端有功功率；

步骤(3)、后续再进行现场测试时，用现场实测数据及调取存储历史数据进行修正：

如果上次平衡块调整后，抽油机工况参量及机械结构没有人为改变，即N_后＝N0，HY_后＝HY0，平衡块重量及井下杆、管、泵没有改变，再测试抽油机有功功率时，P_上下功差＝P_上功-P_下功＝0不用修正，

如果P_上下功差不为0则需要修正△R4₀：

由公式(4)△R5＝△R4₀P_上下功差得：变化量P_上下功差对应调整量△R5；

修正后上次调平衡实际有效移动调整量△R5+△R0，计算修正后△R4_后值：

△R5+△R0＝△R4_后(P_上功0-P_下功0)；求得修正后△R4_后，

由公式(3)得：△R4_后＝Y×15/(π×N0×W1_后)；

可得到修正后的平衡块重量W1_后；

由公式(4)得：△R_后＝△R4_后P_上下功差；求得修正后平衡块调整移动量△R_后。

步骤(4)、如果P_上下功差不为0，或冲次N_后与N0不同，或动液面HY_后与HY0不同，可进行如下修正：

将N_后带入公式(3)有：△R4＝Y×15/(π×N_后×W1₀)；求冲次N_后时单位有功功率平衡块移动量△R4，上次实测上下冲程有功功率差对应调整移动量△R0，不同冲次N_后对应上次测量时有功功率差(P_上功0-P_下功0)调整量设为△R6；消除动液面变化产生的有功功率影响：P_{上下功差1}＝P_上下功差-△P_{上下功和差}；

P_上下功差＝P_上功-P_下功；

△P_{上下功和差}＝▏P_上下功和-P_{上下功和0}▏；

△R6＝△R4(P_上功0-P_下功0)；

与动液面HY_后对应输入端有功功率P_上下功和，与动液面HY0对应输入端有功功率P_{上下功和 0}；

由公式(4)得到P_{上下功和差1}形成的修正移动量△R7：

△R7＝△R4P_{上下功差1}；

由修正后上次调平衡实际有效移动调整量△R6+△R7，计算修正后△R4_后值：

△R6+△R7＝△R4_后(P_上功0-P_下功0)；求得修正后单位有功功率平衡块移动量△R4_后，

由公式(3)得：△R4_后＝Y×15/(π×N0×W1_后)；

可得到修正后的平衡块重量W1_后；

由式△R_后＝△R4P_上下功差，求后续测量调平衡时平衡块移动量△R_后；

P_上功为净扭矩P_上对应电机输入端有功功率，P_下功为净扭矩P_下对应电机输入端有功功率，现场无需准确提供曲柄平衡块重量，按机型调取曲柄平衡块重量，实测数据修正所调用的曲柄平衡块重量，修正平衡块单位有功功率调整量，曲柄及平衡块作用半径现场很容易测量得到，N_后为后续测量时抽油机冲次；W1_后为平衡块重量；△R4₀为上次测量时平衡块单位有功功率调整量；△R_后为后续测量平衡块移动量；HY_后为后续测量动液面。

在步骤五中，确定抽油机平衡块调整移动量的简便计算过程如下：

设不需要调平衡时现场平衡块当前位置半径为R₁，R₁与P_上+P_下，或对应，R₁可现场准确量得；如果需要调整平衡时P_上-P_下、或P_上功-P_下功变化量对应调整量为△R，则有：与前平衡时位置半径R₁对应P_上+P_下-(P_上-P_下)＝2P_下，

可得，△R＝(P_上-P_下)R_1/2P_下；

或用与P_上-P_下及P_下相对应的输入端净扭矩及替代计算，则有：

或用与P_上-P_下及P_下相对应的输入端有功功率P_上功-P_下功及P_下功替代计算，则有：

△R＝(P_上功-P_下功)R_1/2P_下功；

式中：P_上功为净扭矩P_上对应电机输入端有功功率，P_下功为净扭矩P_下对应电机输入端有功功率。

本发明方法采用功率法，需要调平衡时实测动液面HY与不需要调平衡时动液面HY_前之间变化量与平衡块调整量建立关系，同一抽油机井完善好所存储的工况信息，测试中存储信息可任意调用，实现抽油机井平衡调整实用性测量，测量后现场给出抽油机井平衡块调整的方法。

本发明的实现是通过周期性霍尔传感器信号反馈的信息，或采用井口载荷力加速度位置复合传感器，或下死点辅助位置传感器，或上下死点位置触碰开关，或人机配合操作确定上下死点，判断确定抽油机井曲柄平衡块运行至对应抽油机井上死点时间位置或对应抽油机井下死点时间位置，周期性分解处理抽油机井上、下冲程电参数有功功率值，进而根据所述电参数有功功率值，计算获得对应的上、下冲程电参数有功功率平均值，及抽油机上、下冲程减速器输出轴的净扭矩(后面有数据采集区域及算法)及对应输入端有功功率，按重量计算采油井液体密度取1，数据采集速度可选择大于或等于20次/秒。

抽油机曲柄平衡块在减速器输出轴作用扭矩M1，井口悬点纯抽油杆(抽油杆自重在采油液液柱中力)力转换至减速器输出轴作用扭矩M2，井口悬点动液面(动液面作用在柱塞上面的力)力转换至减速器输出轴作用扭矩M3，上下冲程指定区域数据累加后平均，有调平衡关系式：M1＝M2+M3/2，电机在上下冲程中所做的功相等，即平衡原则：一半动液面作用在柱塞上面的力转换至减速器输出轴作用扭矩，加抽油杆自重在采油液液柱中力转换至减速器输出轴作用扭矩，前二项和等于曲柄平衡块在减速器输出轴作用扭矩。上冲程或下冲程有功功率平均值，判断抽油机是否调平衡及平衡块调整方向；根据抽油机机型完善现场平衡块等工况参数，在线实测动液面后计算给出平衡块新的平衡调整位置，现场测试完即可给出调整平衡数据及方向，方便实用。本发明首次提出的动液面变化量与平衡块调整量建立关系HY-HY_前，求△R，实现了同一采油井数据存储调用，完善好所提供的工况参量，实现实用化测试。

M1表示曲柄及平衡块转换至减速器输出轴上的扭矩；

W₂表示井口悬点纯抽油杆总重量作用力；

M2表示纯抽油杆作用力转换至减速器输出轴上产生的扭矩，

W₃表示井口悬点动液面作用在柱塞截面积上力；

动液面作用力转换至减速器输出轴上的扭矩，

W₄实测动液面与上次调平衡后动液面差值除2为，作用在柱塞截面积上的力；

M4实测动液面与上次调平衡后动液面差值除2为，该动液面悬点产生的力，

乘扭矩因数转换至作用在减速器输出轴上扭矩,

本发明具有以下有益效果：

本发明方法通过完善测试中所需抽油机井工况参量，实现了现场抽油机井平衡调整。本发明方法采用功率法，现场测试中完善好所提供的工况参量，实现简单方便实用性测量，测量后现场给出抽油机井平衡块调整平衡的方法。方便了现场测试，测试之后方便给出平衡调整措施。本发明解决现场测量实用性，测量结果指导实现运行中抽油机平衡调整。

本发明所述的抽油机井动液面的测量方法，无需其它仪器、仪表设备辅助测量，如：流量、液面等参量测量的多种专用仪器设备等等，现场测试参量少，只需要采用电参数测量即可实现，维护使用方便，大大降低了测量的成本。

利用本发明方法的应用示例产品，现场可实现如下功能：周期性分解上、下冲程电机的输入有功功率，现场尽量做到测试方便、实用、环保、安全，并直接给出调平衡办法，有助于提高现场设备使用寿命，在合理工况下运行，有助于提高产出比，节能降耗。

根据抽油机机型并结合现场使用情况，用本发明方法测量计算抽油机平衡块平衡调整，测试方法使现场所需工况参量很容易提供，现场抽油机平衡调整更方便实用。本发明可应用于油田的各种抽油机井的日常工况参数监测领域，能够有效配合对抽油机井工作状态的管理，进而为实现节能增效提供可靠及时地数据支持。

附图说明

图1为采油井电参数计量诊断综合测试仪结构框图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的一种抽油机井运行平衡的调整方法的过程为：

步骤一、在抽油机正常工作过程中高速实时采集抽油机井的电参数，数据采集速度大于或等于20次/秒，同时测量电机输入端电参数：电流、电压、有功功率，确定抽油机曲柄运行至对应抽油机井井口悬点上死点的时刻以及下死点的时刻；

抽油机冲程：抽油机曲柄平衡块运行至对应抽油机井口下死点(曲柄运行角度为0°或360°)，抽油机曲柄平衡块运行至对应抽油机井口上死点(曲柄运行角度为180°)，由下死点运行至上死点的过程为上冲程，由上死点运行至下死点的过程为下冲程。

步骤二、完成步骤一后，周期性分解处理抽油机井上、下冲程电参数有功功率(周期性分解是指周期性确定上下死点时刻，用采样速率分割上下冲程数据间隔点，周期性分解上下冲程数据)，分别获得有功功率平均值和上下冲程净扭矩叠加值P_上下，具体为：

周期性分解处理得到有功功率平均值：上冲程有功功率平均值与下冲程有功功率平均值上冲程有功功率平均值是由连续多个冲次的单次上冲程有功功率平均值之和除以冲次数得到的，所述单次上冲程有功功率平均值为在上冲程采集数据集全部区域内采集的多个有功功率数据的平均值；下冲程有功功率平均值是由连续多个冲次的单次下冲程有功功率平均值之和除以冲次数得到的，所述单次下冲程有功功率平均值为在下冲程采集数据集全部区域内采集的多个有功功率数据的平均值；

所述的连续多个冲次，可选择一分钟内的连续冲次，选择5次、10次等等均可，一般选择次数为大于或等于3次。

周期性分解处理后，根据正常运行状态下测量获得的连续多个冲次的上冲程净扭矩P_上、下冲程净扭矩P_下周期性叠加后，获得上下冲程净扭矩叠加值P_上下，计算扭矩P_上下为累加平均值；上冲程净扭矩P_上、下冲程净扭矩P_下是由上或下冲程采集数据集中间区域的十分之一至二分之一有功功率求得的，通过有功功率计算出相应减速器输出轴上冲程净扭矩P_上或下冲程净扭矩P_下；

步骤三、根据上下冲程净扭矩叠加值P_上下获得抽油机井的环空动液面HY；

步骤四、通过步骤二获得连续多个冲次的上冲程有功功率平均值与下冲程有功功率平均值判断平衡块是否需要移动调整及调整平衡块的移动方向；

步骤五、根据步骤四的判断，如需要调整，则确定抽油机平衡块调整移动量，再根据确定的抽油机平衡块调整移动量来调整抽油机的平衡块，从而实现抽油机的平衡调整。

在减速器输出轴，曲柄平衡块扭矩作用与纯抽油杆扭矩作用方向相反，并且各自如曲柄平衡块扭矩(或纯抽油杆扭矩)：在上冲程的扭矩作用和下冲程的扭矩作用的方向相反，因此上冲程的净扭矩和下冲程的净扭矩相互叠加时采用相加运算，达到消除曲柄平衡块扭矩与纯抽油杆扭矩作用，叠加后的净扭矩只与井口悬点动液面作用在抽油泵柱塞上的力有关，从而实现测量环空动液面的目的。

具体实施方式二：

本实施方式对具体实施方式一作详尽说明。举例说明所述连续多个冲次的上下冲程净扭矩叠加值P_上下的求取过程,假设要求取连续m个冲次的上下冲程净扭矩叠加值P_上下及m个冲次的扭矩因数

第一冲次的上冲程采集的净扭矩数据为X₁、X₂、X₃、……X_n，则该冲次内的上冲程所有净扭矩的平均值P_1上为：(X₁+X₂+X₃+……+X_n)/n；

第一冲次的上冲程与数据采集同时对应计算得到的扭矩因数为Z₁、Z₂、Z₃、……Z_n，则该冲次内的上冲程所有扭矩因数的平均值为：(Z₁+Z₂+Z₃+……+Z_n)/n；

第一冲次的下冲程采集的净扭矩数据为Y₁、Y₂、Y₃、……Y_n，则该冲次内的下冲程所有净扭矩的平均值P_1下为：(Y₁+Y₂+Y₃+……+Y_n)/n；

下冲程抽油机液柱卸载过程，与动液面作用无关，因此不需要扭矩因数参与计算(即假设才没作用)，液柱加载与动液面有关，上下冲程净扭矩叠加处理后只与动液面有关，除以与动液面有关的上冲程扭矩因数进行后续计算动液面

该冲次的上下冲程净扭矩P_1上下为：P_1上+P_1下；扭矩因数为依次类推求取第二个冲次的上下冲程净扭矩P_2上下、……、第m个冲次的上下冲程净扭矩P_m上下、第二个冲次的上冲程扭矩因数……、第m个冲次的上冲程扭矩因数

多个冲次的上下冲程净扭矩叠加值P_上下为：(P_1上下+P_2上下+……P_m上下)/m，同样有多个冲次的上冲程扭矩因数为m个上冲程扭矩因数叠加平均值。

在实际操作过程中，为了加快数据处理速度，可以减少数据处理量，如：可以对上冲程和下冲程所采集的数据中的中间区域的数据进行叠加处理，仍可以获得很好的技术效果。例如；选择上冲程采集数据集中间区域的十分之一至二分之一的数据，与下冲程采集数据集的中间区间的十分之一至二分之一的数据进行叠加处理。

例如：第一个冲次的上冲程采集的数据集为X₁、X₂、X₃、……X_n，下冲程采集的数据为Y₁、Y₂、Y₃、……Y_n，则在求取上冲程所有净扭矩的平均值P_上1的时候仅仅根据X_(n/4)、X_(n/4)+1、X_(n/4)+2、……X_(3n/4)进行计算获得，同时计算得到扭矩因数求取下冲程所有净扭矩的平均值P_下1的时候仅仅根据Y_(n/4)、Y_(n/4)+1、Y_(n/4)+2、……Y_(3n/4)进行计算获得。

前面仅是举例说明数据选择的原则，如果n/4、3n/4不是整数，则选择邻近的整数即可。上述处理过程，针对每个冲次的数据处理量均减少了二分之一，大大减少了数据处理量，明显的提高了数据处理过程。

采用上述选择部分数据进行处理获得上下冲程净扭矩P_上下，同样有相当于m个上冲程扭矩因数叠加平均值。在保证测量结果准确度的前提下，能够大大减少数据处理量，提高运算速度。

扭矩因数计算相关公式及变量如下：

A─游梁前臂长度，等于悬挂光杆的驴头弧面半径与钢丝绳半径之和，单位m；

C─游梁后臂长度，等于游梁支撑中心到横梁轴承中心的距离，单位m(双驴头型游梁后臂长度等于游梁支撑中心到柔性件与后驴头切点的距离)；

P─连杆长度，等于横梁轴承中心到曲柄销轴承中心的距离，单位m(双驴头型连杆长度等于柔性件与后驴头切点到曲柄销轴承中心的距离)；

R─曲柄半径，等于减速器输出轴中心到曲柄销轴承中心的距离，单位m；

K_极─极距，等于减速器输出轴中心到游梁支撑中心的距离，单位m；

H─游梁支撑中心到底座底部的高度，单位m；

I─游梁支撑中心到减速器输出轴中心的水平距离，单位m；

J─曲柄销轴承中心到游梁支撑中心的距离，单位m；

G─减速器输出轴中心线到底座底部的高度，单位m；

φ─常规型和异相型及双驴头型游梁式抽油机等于K_极与曲柄中心线在时钟的12点钟位置时的夹角，前置型和气平衡游梁式抽油机等于K_极与曲柄中心线在时钟6点钟位置时的夹角，单位°；

θ─曲柄角，单位°，(观察时，井口在右侧，常规型和异相型及双驴头型游梁式抽油机为曲柄中心线从时钟的12点钟位置开始，按顺时针方向的旋转角；气平衡游梁式抽油机为曲柄中心线从时钟的6点钟位置开始，按顺时针方向的旋转角；前置型游梁式抽油机为曲柄中心线从时钟的6点钟位置开始，按逆时针方向的旋转角)；

β─C和P之间的夹角，单位°；

α─P和R之间的夹角，单位°；

γ─前置型游梁式抽油机曲柄平衡重的重臂端中心线与曲柄中心线的偏移角，单位°；

τ─异相型游梁式抽油机曲柄平衡重重心与旋转中心连线与曲柄中心线的偏移角，单位°；

ψ─C和K_极之间的夹角，单位°；

χ─C和J之间的夹角，单位°；

ρ─K_极和J之间的夹角，C，J在K_极的两侧为正值，在K_极的同侧为负值，单位°；

几何关系计算式

常规型游梁式抽油机几何关系计算式

$\mathrm{\φ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{I}{H-G}\right)---\left(1\right)$

J²＝K_极 ²+R²-2K_极R·Cos(θ-φ)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(2)

$\mathrm{\β}=\mathrm{arcCos}\left(\frac{C^2+P^2-J^2}{2\mathrm{CP}}\right)---\left(3\right)$

$\mathrm{\χ}=\mathrm{arcCos}\left(\frac{C^2+J^2-P^2}{2\mathrm{CJ}}\right)---\left(4\right)$

$\mathrm{\ρ}=\mathrm{arcSin}\left(\frac{R\·\mathrm{Sin}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})}{J}\right)---\left(5\right)$

注：当sinρ为负值时，ρ为负值。

ψ＝χ-ρ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(6)

α＝β+ψ-(θ-φ)┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(7)

扭矩因数计算式：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{TF}}1=\frac{A}{C}R\frac{\mathrm{Sin\α}}{\mathrm{Sin\β}}---\left(8\right).$

称作扭矩因数或扭矩因子，其值的大小只取决于抽油机的几何尺寸和曲柄转角θ，即单位悬点载荷力在曲柄上所产生的扭矩。

上述内容记载在标准：SY/T5044-2000游梁式抽油机中。扭矩因数计算相关公式及变量部分内容是现有技术。

根据正常运行状态下测量获得的连续多个冲次的上下冲程的净扭矩叠加处理，获得上下冲程叠加扭矩P_上下，根据P_上下以及修正后的数据模型获得环空动液面HY。

环空动液面HY的单位是米，表示抽油机井在生产过程中，油井产出液的油管与套管之间环空液面距离地面的距离。

本实施方式所述的抽油机的净扭矩，一般等于抽油机的减速器输出轴的扭矩，它是抽油机曲柄与井口悬点载荷在减速器输出轴上叠加所得的净扭矩(曲柄平衡块与井口悬点载荷在减速器输出轴上叠加所得的净扭矩与电机输入端电参数有功功率有对应关系)。

上述抽油机的净扭矩根据所述电机输入端有功功率P_g计算获得抽油机的净扭矩，可以根据公式9550×P_g/N计算获得。

电机输出轴扭矩M与电机转速n有关，M＝9550×P_g/n；该电机输出扭矩M转换至减速器输出轴扭矩：M×n/N，减速器输出轴扭矩即为抽油机的净扭矩P，因此有：P＝9550×P_g/N，有周期性减速器输出轴上冲程净扭矩P_上或下冲程净扭矩P_下。

电机输入端P至井口悬点的机械传动效率Y,在线连续周期性实测数据YP_上下与环空动液面建立数学关系模型；

在线连续实时进行环空动液面测量，环空动液面值为油管外径与套管内径之间采油液面距地面的距离，含加速度影响动液面HY_加：

考虑实测数据动液面加速度影响，求得消除加速度影响的环空动液面HY如下：

HY＝HY_加/(1+a)；   (10)

获得环空动液面HY，其中：Y表示在光杆冲次为N时抽油机井电机输入端至井口悬点的机械传动效率，称作扭矩因数或扭矩因子，F_p表示抽油机井的抽油柱塞的截面面积，井口悬点加速度a，根据加速度a计算公式：a＝S×N²/1790计算获得，所述S为抽油机光杆冲程，N为抽油机光杆冲次数。

本实时方式中的冲次N(或N_s)是指正常工作状态下抽油机光杆每分钟冲次数。所述扭矩因数或扭矩因子为抽油机传动的技术参数，一般取决于抽油机的几何尺寸和曲柄转角θ，即单位悬点载荷力在曲柄上所产生的扭矩。表示柱塞的截面面积F_p为柱塞的技术参数，一般可根据公式F_p＝3.14×D×D/4获得，参数D表示抽油泵的泵径。

本实施方式所述的连续多个冲次的选择，可以根据现场情况选择，例如：可以选择固定时间内连续多个冲次，也可以选择固定数值。例如：选择一分钟内的连续冲次，选择5次、10次等等均可，一般选择次数的时候，选择大于或等于3次。

本实施方式所述的抽油机的净扭矩，一般等于抽油机的减速器输出轴的扭矩，它是抽油机曲柄与井口悬点载荷在减速器输出轴上叠加所得的净扭矩。

本实施方式中，确定抽油机曲柄运行至对应抽油机上死点的时刻以及下死点的时刻的目的，是为了准确的确定一个冲次的时间起点和结束点，进而分解每个冲程中上冲程的数据和下冲程的数据。具体方法可以采用霍尔传感器等传感器实现。

本实施方式中所述的实时采集抽油机井的电参数的采集速度，大于或等于20次每秒，通过这种高速的数据连续采集积累可靠的数据，然后根据上死点和下死点对应的时刻将所有数据分成多组，每组数据为一个冲次内的所有数据，针对每组数据进行处理，每组数据根据上死点和下死点的时刻分解处理成上冲程数据和下冲程数据，然后将上冲程数据和下冲程数据进行叠加处理。

具体实施方式三：

本实施方式对具体实施方式一或二所述的抽油机井运行平衡的调整方法作详尽说明：

要使抽油机平衡运转，就应使电动机在上、下冲程中都做正功并且做功相等，即平衡原理。简单的方法是在抽油机后梁上加一重物，在下冲程中让抽油杆自重和电动机一起对重物做功则：A_w——下冲程中抽油杆自重和电动机一起对重物所做的功；

A_d——抽油杆柱对重物所做的功，即悬点在下冲程中做的功；

A_md——电动机在下冲程中对重物所做的功，即电动机在下冲程中做的功；

A_w＝A_d+A_md

由上式可得：A_md＝A_w-A_d┄┄┄┄(11)

在上冲程中，将重物储存的能量释放出来和电机一起，对悬点做功，则：

A_u——上冲程悬点做的功；

A_mu——上冲程电动机做的功；

A_u＝A_w+A_mu

由上式可得：A_mu＝A_u-A_w┄┄┄┄(12)

抽油机平衡，应该让电动机在上下冲程中所做的功相等，即：

A_md＝A_mu

A_w-A_d＝A_u-A_w

所以，为了达到平衡，在下冲程需要对重物做的功和上冲程中需要重物释放的能量为：

$A_w=\frac{A_d+A_u}{2}---\left(13\right)$

上式说明：为了使抽油机平衡运转，在下冲程中需要储存的能量应该是悬点在上下冲程中所做功之和的一半，则有曲柄平衡块力、井口悬点纯抽油杆自重力、井口悬点动液面作用在柱塞上力，转换至减速器输出轴上扭矩关系：M1＝M2+M3/2；

具体实施方式四：

本实施方式对具体实施方式一、二或三所述的抽油机井运行平衡的调整方法作详尽说明：

1、按现场抽油机提供的基本工况参量：机型，冲程，冲次，含水，泵径，抽油杆尺寸分布，泵挂，平衡块个数(根据现场2块或4块定或0块定)，曲柄平衡块重量等，同一抽油机井测试中完善好所需的工况参量，建立工况参量信息，测试中存储信息任意调取使用。平衡块位置移动方向用下面第2条判断，示例综合测试仪自动存储同一个抽油机井不需要调整平衡时动液面与需要调整平衡时动液面，很容易给出目前动液面HY与上次调平衡前动液面HY_前的动液面变化量为HY-HY_前，动液面变化量在减速器输出轴形成的扭矩变化量，造成抽油机井运行不平衡平衡，用曲柄平衡块调整量(增加或减少)产生扭矩变化量来平衡，实现抽油机平衡调整，下面公式之间做差同样得到，动液面变化量在减速器输出轴形成的扭矩变化量与曲柄平衡块调整量(增加或减少)产生扭矩变化量对应关系，分析如下：

1)、动液面变化量不需调整平衡时动液面HY前，平衡基本原理公式：

M1＝M2+M3/2；   (14)

抽油机平衡块半径调整前为假设R₁；

2)、动液面变化后，如判断需要调整平衡时动液面HY，平衡基本原理公式：

M1+△M1＝M2+M3/2+△M3/2；   (15)

抽油机平衡块半径调整后假设为R₁＇；调整量△R＝︳R₁—R₁＇︳；

如果抽油机平衡块不需要调整，平衡块调整量对应最小值为0；

对应动液面范围HY：0≤HY≤HH；

式(15)-式(14)有：△M1＝W1×△R＝△M3/2；

f_p(或F_p)柱塞截面积；

η井口悬点至减速器输出轴机械传动效率；

3)、如判断需要调平衡，动液面变化量最大值假设为泵挂HH时，求最大调整量：

△M1＝M3_挂/2；(16)

抽油机平衡块半径调整后假设为R₂；平衡块调整前后扭矩变化量△M1；

△R₂＝︳R₁—R₂︳；△R₂对应平衡块调整量最大值；

△M1＝W1×△R₂；

求出△R₂；

2、现场实测上冲程过程中的指定区域减速器输出轴净扭矩P_上，和下冲程过程中指定区域的减速器输出轴净扭矩P_下进行叠加处理获得P_上下，计算得实测动液面HY。

功率法确定抽油机井的平衡是否调整及调整方向：

如果大于且η_PA≤80％时，则需要实施平衡调整，平衡块往外调，当η_PA>80％时，维持现状，给出目前的平衡率数据；

如果大于且η_PA≤80％时，则需要实施平衡调整，平衡块往里调，当η_PA>80％时，维持现状，给出目前的平衡率数据；

3、实测动液面HY与不需要调整平衡块平衡之前动液面HY_前差值除2，动液面差值除2作用在泵柱塞上力，该力乘扭矩因数转换至作用在减速器输出轴上扭矩M4，需要调整平衡块位置，平衡块调整前后产生扭矩变化量与M4值相等，(15)式-(14)式则有平衡块调整量：

M4＝W1×△R；

HY与P上下(或M4)成正比关系，则有：

1)、当假设需要调整实测动液面与不需要调整时动液面变化量为泵卦HH时，抽油机平衡块调整移动量最大△R₂：

由相当于泵挂动液面变化量转换至减速器输出轴扭矩计算得到M4；根据现场抽油机机型，平衡块大小类型、个数，泵径，泵挂，冲程，冲次，扭矩因数机械传动效率η按0.85，依据大庆石油管理局大庆油田装备制造司：“游梁式抽油机使用说明书”中按抽油机机型给出W1，测试中为用户完善好所提供的工况参量给出W1，再根据平衡块移动量形成的扭矩变化量与动液面变化量扭矩建立关系：

有W1×△R₂＝M4，由式计算出△R₂。

2)、当如需要调平衡时现场实测动液面为HY，与不需要调平衡时动液面HY_前的变化量为HY-HY_前，如抽油机需要调平衡，则现场平衡块调整移动量△R：

△R＝(HY-HY_前)×△R₂/HH；   (17)

或△R＝(P_上下功HY-P_上下功前)×△R₂/P_上下功HH；

与HY对应输入端上下冲程有功功率叠加P_上下功HY，与HY_前对应输入端上下冲程有功功率叠加P_上下功前，与HH对应输入端上下冲程有功功率叠加P_上下功HH，上式中动液面也可用相对应输入端有功功率；或相对应减速器输出轴净扭矩叠加值等参量替换，进行平衡块调整移动量△R计算，多次测量用实测数据也可进行修正。

针对具体抽油机井工况参量及测试参量有记忆调取功能，如：HY_前为不需要调平衡时环空动液面值；HY为需要调平衡时实测环空动液面值；HH为泵卦，即井下下泵距地面的距离；△R₂为抽油机平衡块调整量最大移动量；抽油机机型；抽油机平衡块重量；电参数有功功率、净扭矩叠加值等参量。用动液面变化量形成的扭矩变化量与平衡块移动调整量形成的扭矩变化量建立模型，动液面也可用相对应输入端有功功率或其它对应参量替代，进行平衡块调整移动量△R计算。

实现现场平衡块种类数量位置状态下，向里或向外移△R，调整平衡块至新的平衡位置，现场测试后即可进行抽油机平衡块的调整。现场需要的曲柄平衡块重量，根据抽油机机型并结合现场具体使用情况进行分类自动处理，解决现场参量很难准确提供的问题，实现现场抽油机平衡调整方便实用性测试问题。

3)、现场平衡块对称配对使用如下三种情况：

(1)如果没有平衡块，只有曲柄；

(2)如果有两个平衡块：要么两个大平衡块，要么两个小平衡块；

(3)如果有四个平衡块：要么两个大平衡块与两个小平衡块，要么四个大平衡块，要么四个小平衡块；

按现场测试计算的调整尺寸，如果平衡块向外调，已调到最大刻度线外，则应考虑增加平衡块数量或大小配比，需满足：

W表示曲柄重量；

W₁表示平衡块总重量，KN；

W_杆抽油杆在油液中的重量，KN；

W_液动液面以上，泵柱塞截面上油液的重量，KN；

W₅表示将增加两大(或两小)平衡块总重量，KN；

R₃表示向外调整平衡块到最大位置半径；

R₄表示向里调整平衡块到最小位置半径；

S:抽油机光杆冲程，单位是米；

R表示曲柄半径；

R₁抽油机平衡调整前平衡块半径；

(W₅+W₁)×R₄+W×R≤(W_杆+W_液/2)×S/2≤(W₅+W₁)×R₃+W×R；

如果平衡块向里调，已调到最小刻度线外，则应考虑减少平衡块数量或大小配比；要么减少两个大平衡块，要么减少两个小平衡块，需满足：

(W₁-W₅)×R₄+W×R≤(W_杆+W_液/2)×S/2≤(W₁-W₅)×R₃+W×R；

4)、新安装抽油机平衡块位置及平衡块重量计算

△R₃表示曲柄上标尺量程(平衡块移动最小最大尺寸范围)；

G_q—单块曲柄平衡块的重量，kN；

k—安装的曲柄平衡块的数目。

η_m—从电动机到曲柄轴的传动效率取0.8-0.85。

N_s—光杆冲次，min^-1；

△R取合理值范围R₄＜△R＜R₃，理想值△R＝R₄+△R_3/2有：

具体实施方式五：本实施方式给出了一种确定抽油机平衡块调整移动量的方案，采用现场无需提供平衡块重量工况参数的方法：现场抽油机调过平衡再启机运行后，1小时～8小时达到供排平衡,然后进行后续测量，前后两次测量进行数据参量修正，实现修正后准确测量；将具体单井实测数据与历史存储数据结合，上下冲程单位有功功率变化量对应平衡块移动调整量，并用实测数据进行修正，从而得到抽油机平衡块调整移动量，

其具体过程如下：

(1)、假设或P_上功0-P_下功0值为1Kw，测量时上次P_上功0为净扭矩P_上对应电机输入端有功功率，P_下功0为净扭矩P_下对应电机输入端有功功率；P_{上下功差0}＝P_上功0-P_{下 功0}；P_{上下功和0}＝P_上功0+P_下功0；

测量时上次抽油机冲次N0；平衡块重量W1₀；测量时上次平衡块单位有功功率调整量△R4₀；调平衡时上次平衡块移动量△R0；上次调平衡前动液面HY0；

假设输入端上下冲程有功变化量1千瓦对应至减速器输出轴上扭矩变化量为△T：

△T＝Y×60×1/(2π×N0)；

(2)、用平衡块调整移动形成的扭矩变化量来平衡△T，根据抽油机机型及现场平衡

块使用大小块情况，动液面HY0，输入机型井号即可调取W1₀数据，

则有上次测量时平衡块单位有功功率调整量△R4₀：

△R4₀W1₀＝△T/2；

△R4₀＝Y×60×1/(2×2π×N0×W1₀)；

△R4₀＝Y×15/(π×N0×W1₀)；   (18)

(所述HY0是指，“HY＝HY_加/(1+a)”中“HY”。是最后要去掉)

(3)、如需要调平衡，测量输入端上冲程有功功率P_上功0与下冲程有功功率P_下功0则有调整量△R0：

△R0＝Y×15(P_上功0-P_下功0)/(π×N0×W1₀)；

△R0＝△R4₀(P_上功0-P_下功0)；   (19)

存储P_上功0、P_下功0、△R0、N0、W1₀、HY0、△R4₀、泵径、平衡块数量大小种类；

由(19)式计算△R0调整量进行平衡块移动调整，不会影响调整趋势效果，调平衡前动液面为HY0；

(4)、后续再进行现场测试时，用现场实测数据及调取存储历史数据进行修正：

后续测量时P_上功为净扭矩P_上对应电机输入端有功功率，P_下功为净扭矩P_下对应电机输入端有功功率；P_上下功差＝P_上功-P_下功；P_上下功和＝P_上功+P_下功；后续测量时抽油机冲次N_后；平衡块重量W1_后；上次测量时平衡块单位有功功率调整量△R4₀；后续测量时平衡块移动量△R_后；后续测量动液面HY_后；

如果上次平衡块调整后，抽油机工况参量及机械结构没有人为改变，即N_后＝N0，

HY_后＝HY0，平衡块重量及井下杆、管、泵没有改变，再测试抽油机有功功率时，

P_上下功差＝P_上功-P_下功＝0不用修正，如果P_上下功差不为0则需要修正△R4₀：

由公式(19)△R5＝△R4₀P_上下功差得：变化量P_上下功差对应调整量△R5；

修正后上次调平衡实际有效移动调整量△R5+△R0，计算修正后△R4_后值：

△R5+△R0＝△R4_后(P_上功0-P_下功0)；求得修正后△R4_后，

由公式(18)：△R4_后＝Y×15/(π×N0×W1_后)；

可得到修正后的平衡块重量W1_后；

由公式(19)：△R_后＝△R4P_上下功差；求得修正后平衡块调整移动量△R_后。

(5)、如果P_上下功差不为0，冲次N_后与N0不同，动液面HY_后与HY0不同，可进行如下修正：

将N_后带入公式(18)有：△R4＝Y×15/(π×N_后×W1₀)；求冲次N时单位有功功率平衡块移动量△R4，上次实测上下冲程有功功率差对应调整移动量△R0，不同冲次N_后对应上次测量时有功功率差(P_上功0-P_下功0)调整量设为△R6；消除动液面变化产生的有功功率影响：P_{上下功差1}＝P_上下功差-△P_{上下功和差}；

P_上下功差＝P_上功-P_下功；

△P_{上下功和差}＝▏P_上下功和-P_{上下功和0}▏；

△R6＝△R4(P_上功0-P_下功0)；

与动液面HY_后对应输入端有功功率P_上下功和，与动液面HY0对应输入端有功功率P_{上下功和 0}；

由公式(19)得到P_{上下功和差1}形成的修正移动量△R7：

△R7＝△R4P_{上下功差1}；

由修正后上次调平衡实际有效移动调整量△R6+△R7，计算修正后△R4_后值：

△R6+△R7＝△R4_后(P_上功0-P_下功0)；求得修正后单位有功功率平衡块移动量△R4后，

由公式(18)得：△R4_后＝Y×15/(π×N0×W1_后)；

可得到修正后的平衡块重量W1_后；

由式△R_后＝△R4_后P_上下功差，求后续测量调平衡时平衡块移动量△R_后；

存储P_上功、P_下功、△R_后、N_后、W1_后、HY_后、△R4_后、泵径、平衡块数量大小种类；

实测数据修正单位有功功率平衡块移动量△R4_后及W1_后，测试方便、实用、准确可靠，现场无需提供平衡块重量工况参数，实现开创性应用。

具体实施方式六：本实施方式再给出一种确定抽油机平衡块调整移动量简便计算方法，其具体过程如下：

不需要调平衡时现场平衡块当前位置半径R₁，R₁与P_上+P_下，或对应，理想情况P_上与P_下相等，或P_上功与P_下功相等，或与相等，R₁可现场准确测量得到；如果需要调整平衡时P_上-P_下，或或P_上功-P_下功变化量对应调整量为△R，则有：

与前平衡时位置半径R₁对应P_上+P_下-(P_上-P_下)＝2P_下，同样有2P_下功；

或△R＝(P_上-P_下)R_1/2P_下；

或用与P_上-P_下及P_下相对应的输入端有功功率P_上功-P_下功及P_下功替代计算有：

△R＝(P_上功-P_下功)R_1/2P_下功；

现场只需要平衡块目前位置半径R₁，如果更为方便测量，也可按现场平衡块位置估算R₁值，不会影响调整趋势，现场更方便实用。

G_q—大小曲柄平衡块的重量平均值，kN；

K—安装的曲柄平衡块的数目；

G_q一定要取平均值； $G_q=\frac{(G_1+G_2)\·(K/2)}{K}=\frac{G_1+G_2}{2};$

G₁—大曲柄平衡块的重量，kN；

G₂—小曲柄平衡块的重量，kN；

△R—实际曲柄平衡块调整量；

△r—假设只调大或小曲柄平衡块调整量；

对于仅调整G₁的情况而言△r：

△RKG_q＝△r2G₁；

对于仅调整G₂的情况而言△r：

△RKG_q＝△r2G₂；

上述实施方式仅仅给出了一种实现本申请所述的一种抽油机井运行平衡的调整方法的过程。本实施方式仅仅给出了一种实现本申请所述的一种抽油机井运行平衡的调整方法的过程，但实际实现本申请所述测量方法的技术构思不局限于说明书中图1所示的具体结构框架，还可以采用其他结构实现。

给出对本发明中涉及的名词术语及变量定义如下：

(1)、泵的理论排量

泵的工作过程由三个基本环节组成，即：柱塞在泵内让出容积、井内液体进泵内和从泵内排出液体。理想情况下，柱塞上、下冲程进入和排出的液体体积都等于柱塞让出的体积。

g:重力加速度；

f_w:抽油机井产出液的含水百分量；

S_h：环空面积，单位是m²；

γ_密:混合液体密度；γ_密＝f_w+(1-f_w)×0.855；

P：抽油机的输入电功率，kW；

Y:抽油机输入端至井口悬点的机械传动效率；

W_杆抽油杆在油液中的重量，Kn；

W_液动液面以上，泵柱塞全断面上油液的重量,kN；

q'——每米抽油杆在油液中的重量，kN/m；

W_液＝HY×γ_密×f_p；

W_杆＝q'×HH；

F_p＝3.14×D×D/4，表示柱塞的截面面积；

V_m＝F_p×S×N，表示抽油井每分钟的理论排量；

PP1＝1440×F_p×S×N，表示抽油井每日的理论排量；

(2)不考虑静载冲程损失，上、下冲程载荷

1)、抽油机上冲程光杆静载荷：

F_上＝f_r×HH×(q_r-γ_密)×g+f_p×HY×γ_密g   (18)

2)、抽油机下冲程光杆静载荷：

F_下＝f_r×HH×(q_r-γ_密)×g   (19)

可以看出抽油机上冲程光杆静载荷与环空动液面有关，式(16)中动液面HY是上冲程逐渐加载完成的，式(17)中动液面HY是下冲程逐渐卸载完成的，过程中均采用重量计算。

(3)输入有功功率P与过程变量关系：

传动效率为Y；电机转速n；电机输出轴扭矩M；

M＝9550P/n；

转换至减速器输出轴扭矩为：M＝M×n/N＝9550P/N；

转换至减速器输出轴上冲程扭矩为：Pi上＝Mi上；

转换至减速器输出轴下冲程扭矩为：Pi下＝Mi下；

转换至减速器输出轴上下冲程扭矩在约定区域“相加叠加”为：

Pi上下＝Mi上下；i＝1,2,3,4……。

实施例：基于采油井电参数计量诊断综合测试仪(如图1所示)，实现本发明的“一种抽油机井运行平衡的调整方法”的使用：

在线连续采集电机输入端电流与电压信号，连续采集判断曲柄对应井口悬点上或下死点时位置信号，在线连续采集油压套压信号，主机进行数据处理，或无线数据传输，主机无线接收，主机选用笔记本；或PDA；或单片机；或PC104。人机配合操作测量抽油机或螺杆泵采油井电参数电流，电压，有功功率，测量动液面及工况诊断，周期性判断抽油机井井口悬点上或下死点位置，现场测量并给出抽油机井运行平衡块的调整方向与移动位置数据，新安装抽油机平衡块重量及位置计算，现场测试抽油机井平衡块增加或减少调整，综合测试仪现场还可实现采油井环空动液面实时测量，单井日产液量周期性测量，采油井冲程能耗和日累计能耗测量，分析能耗情况，测量计算分析系统效率，各种抽油机调平衡测试方法供现场选用，可实现抽油机井电参数“示功图”。采用同一抽油机井测试中完善好所需的工况参量，建立工况参量信息，测试中存储信息任意调取使用如：需要调平衡时调用上次调平衡时动液面值及计算调整移动量；平衡块重量及修正后重量；上下净扭矩值及相应输入端上下有功功率等。

所述的“采油井电参数计量诊断综合测试仪”以下简称“综合测试仪”,它由单片机部分1(单片机部分可选择笔记本电脑或掌上电脑PDA或工业控制PC104机或单片机主机)；显示部分2；键盘部分3；RS323口4；485口5；电流信号采集输入端6；电压信号采集输入端7；判断曲柄运行至对应井口悬点上或下死点时刻位置信号端(自动采集)或人机配合操作确定8；油压套压信号输入端9(可选)组成。“综合测试仪”测量电参数有功功率，并与动液面变化量建立关系，实现现场测量单井日产液量，环空动液面。传统办法：抽油机井运行平衡调整时，上冲程与下冲程瞬时最大电流法，测量误差比较大，测量后主要靠经验估算平衡块移动量；上冲程与下冲程平均有功功率法，测量比电流法准确，但需要知道现场平衡块半径尺寸，平衡块重量，现场很难提供所需工况参量，实用性实现较难。与传统办法不同：本发明“一种抽油机井运行平衡的调整方法”,采用“综合测试仪”现场测试，现场测试上冲程与下冲程有功功率，完善工况参量，建立模型计算出实时动液面后，用动液面变化量建立调整平衡关系，测试后直接给出平衡块调整方向与调整量，现场移动测试，解决方便实用性测量问题。

如图1所示，采用抽油机井计量诊断综合测试仪，测试结果可即时显示查询，也可通过USB数据采集上位计算机回放，也可通过RS323口4与上位计算机数据交流；也可通过485口5与上位计算机数据交流，或通过485口5与变频器通讯交流，或通过485口5进行无线网络数据交流。

Claims (7)

1.一种抽油机井运行平衡的调整方法，其特征在于，所述方法的实现过程为：

步骤一、在抽油机正常工作过程中高速实时采集抽油机井的电参数，测量电机输入端电参数：电流、电压、有功功率，数据采集速度大于或等于20次/秒，同时，确定抽油机曲柄运行至对应抽油机井口悬点上死点的时刻以及下死点的时刻；

步骤二、完成步骤一后，周期性分解处理抽油机井上、下冲程电参数有功功率，分别获得连续多个冲次的上冲程有功功率平均值与下冲程有功功率平均值以及上下冲程净扭矩叠加值P_上下；

P_上下为累加平均值，是根据正常运行状态下测量获得的连续多个冲次的上冲程净扭矩P_上、下冲程净扭矩P_下周期性叠加后获得；

步骤三、根据上下冲程净扭矩叠加值P_上下获得抽油机井的环空动液面HY；

步骤四、通过步骤二获得的上冲程有功功率平均值与下冲程有功功率平均值判断平衡块是否需要移动调整及调整平衡块的移动方向；

步骤五、根据步骤四的判断，如需要调整，则确定抽油机平衡块调整移动量，再根据确定的抽油机平衡块调整移动量来调整抽油机的平衡块，从而实现抽油机的平衡调整。

2.根据权利要求1所述的一种抽油机井运行平衡的调整方法，其特征在于，在步骤三中，获得环空动液面HY的具体过程为：

在线连续实时进行环空动液面测量，环空动液面值为油管外径与套管内径之间采油液面距地面的距离，含加速度影响动液面HY_加的表达式为：

上式中：Y表示在冲次为N时抽油机井电机输入端至井口悬点的机械传动效率，称作扭矩因数或扭矩因子，F_p表示抽油机井的抽油柱塞的截面面积；

考虑实测数据动液面加速度影响，求得消除加速度影响的环空动液面HY如下：

HY＝HY_加/(1+a)，式中a为井口悬点加速度。

3.根据权利要求2所述的一种抽油机井运行平衡的调整方法，其特征在于，在步骤四中，判断平衡块是否需要移动调整及调整平衡的移动方向的过程如下：

平衡率定义：或

η_PA——单井平衡率，％；当η_PA≤80％时，则需要实施平衡调整，如果平衡块向外移以增大平衡块作用半径，如果平衡块向里移以减小平衡块作用半径；当η_PA>80％时，不需要实施平衡调整，维持现状，给出目前的平衡率数据。

4.根据权利要求3所述的一种抽油机井运行平衡的调整方法，其特征在于，在步骤五中，确定抽油机平衡块调整移动量的过程如下：

△R＝(HY-HY_前)×△R2/HH，    (1)

式(1)中：针对具体抽油机井参量有记忆调取功能，HY_前为不需要调平衡时环空动液面值；HY为需要调平衡时实测环空动液面值；HH为泵卦，即井下下泵距地面的距离；△R2为抽油机平衡块调整量最大移动量；式(1)为用动液面变化量建立平衡块移动调整量模型；

或利用式(2)确定抽油机平衡块调整移动量△R，即将式(1)中所述动液面值利用相应输入端有功功率替代，进行平衡块调整移动量△R计算；

△R＝(P_上下功HY-P_上下功前)×△R 2/P_上下功HH；    (2)

式(2)中：P_上下功HY表示与HY对应输入端上下冲程有功功率叠加值，

P_上下功前表示与HY_前对应输入端上下冲程有功功率叠加值，

P_上下功HH表示与HH对应输入端上下冲程有功功率叠加值；

或将式(1)中所述动液面值利用净扭矩叠加值P_上下替代，从而确定抽油机平衡块调整移动量△R；

在现场平衡块当前位置基础上加或减△R进行调整平衡块，现场测试后即可进行抽油机的平衡调整。

5.根据权利要求4所述的一种抽油机井运行平衡的调整方法，其特征在于，所述△R2的获得过程为：

假设需要调整实测动液面与不需要调整时动液面变化量为泵卦HH时，抽油机平衡块调整量为最大移动调整量△R2为计算过程如下：

由相当于泵挂/2动液面变化量转换至减速器输出轴扭矩计算得到M4；根据现场抽油机机型确定f_p，再根据平衡块移动量形成的扭矩变化量与动液面变化量形成的扭矩建立关系：

有W1×△R 2＝M4，

由公式计算出△R 2；

式中：W1表示调平衡前平衡块总重量，f_p表示抽油机柱塞面积，η表示井口悬点至抽油机减速器输出轴的机械传动效率。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种抽油机井运行平衡的调整方法，其特征在于，在步骤五中，确定抽油机平衡块调整移动量的方式为采用现场无需提供平衡块重量工况参数的方法：现场抽油机调过平衡再启机运行后，1小时～8小时达到供排平衡,然后进行后续测量，前后两次测量进行数据参量修正，实现修正后准确测量；将具体单井实测数据与历史存储数据结合，上下冲程单位有功功率变化量对应平衡块移动调整量，并用实测数据进行修正，从而得到抽油机平衡块调整移动量；

其具体过程如下：

步骤(1)、输入机型井号即可调取平衡块重量W1₀数据，则有上次测量时平衡块单位

有功功率调整量△R4₀：

△R4₀＝Y×15/(π×N0×W1₀)；    (3)

式中，Y为抽油机输入端至井口悬点的机械传动效率，

N0为测量时上次抽油机冲次；

步骤(2)、经上次调平衡，抽油机再运行1小时～8小时以后，判断是否需要调平衡，直至需要调平衡时测量输入端上冲程有功功率P_上功0与下冲程有功功率P_下功0，则有当前调整量△R0：

△R0＝△R4₀(P_上功0-P_下功0)；    (4)

式中，P_上功0为测量时净扭矩P_上对应电机输入端有功功率；

P_下功0为测量时净扭矩P_下对应电机输入端有功功率；

步骤(3)、后续再进行现场测试时，用现场实测数据及调取存储历史数据进行修正：

如果上次平衡块调整后，抽油机工况参量及机械结构没有人为改变，即N_后＝N0，HY_后＝HY0，平衡块重量及井下杆、管、泵没有改变，再测试抽油机有功功率时，P_上下功差＝P_上功-P_下功＝0不用修正，

如果P_上下功差不为0则需要修正△R4₀：

由公式(4)△R5＝△R4₀P_上下功差得：变化量P_上下功差对应调整量△R5；

修正后上次调平衡实际有效移动调整量△R5+△R0，计算修正后△R4_后值：

△R5+△R0＝△R4_后(P_上功0-P_下功0)；求得修正后△R4_后，

由公式(3)得：△R4_后＝Y×15/(π×N0×W1_后)；

可得到修正后的平衡块重量W1_后；

由公式(4)得：△R_后＝△R4_后P_上下功差；求得修正后平衡块调整移动量△R_后。

步骤(4)、如果P_上下功差不为0，或冲次N_后与N0不同，或动液面HY_后与HY0不同，可进行如下修正：

将N_后带入公式(3)有：△R4＝Y×15/(π×N_后×W1₀)；求冲次N_后时单位有功功率平衡块移动量△R4，上次实测上下冲程有功功率差对应调整移动量△R0，不同冲次N_后对应上次测量时有功功率差(P_上功0-P_下功0)调整量设为△R6；消除动液面变化产生的有功功率影响：P_{上下功差1}＝P_上下功差-△P_{上下功和差}；

P_上下功差＝P_上功-P_下功；

△P_{上下功和差}＝▏P_上下功和-P_{上下功和0}▏；

△R6＝△R4(P_上功0-P_下功0)；

与动液面HY_后对应输入端有功功率P_上下功和，与动液面HY0对应输入端有功功率P_{上下功和0}；

由公式(4)得到P_{上下功和差1}形成的修正移动量△R7：

△R7＝△R4P_{上下功差1}；

由修正后上次调平衡实际有效移动调整量△R6+△R7，计算修正后△R4_后值：

△R6+△R7＝△R4_后(P_上功0-P_下功0)；求得修正后单位有功功率平衡块移动量△R4_后，

由公式(3)得：△R4_后＝Y×15/(π×N0×W1_后)；

可得到修正后的平衡块重量W1_后；

由式△R_后＝△R4P_上下功差，求后续测量调平衡时平衡块移动量△R_后；

P_上功为净扭矩P_上对应电机输入端有功功率，P_下功为净扭矩P_下对应电机输入端有功功率，现场无需准确提供曲柄平衡块重量，按机型调取曲柄平衡块重量，实测数据修正所调用的曲柄平衡块重量，修正平衡块单位有功功率调整量，曲柄及平衡块作用半径现场很容易测量得到，N_后为后续测量时抽油机冲次；W1_后为平衡块重量；△R4₀为上次测量时平衡块单位有功功率调整量；△R_后为后续测量平衡块移动量；HY_后为后续测量动液面。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种抽油机井运行平衡的调整方法，其特征在于，在步骤五中，确定抽油机平衡块调整移动量的简便计算过程如下：

设不需要调平衡时现场平衡块当前位置半径为R1，R1与P_上+P_下，或对应，R1可现场准确量得；如果需要调整平衡时P_上-P_下、或P_上功-P_下功变化量对应调整量为△R，则有：与前平衡时位置半径R1对应P_上+P_下-(P_上-P_下)＝2P_下，

可得，△R＝(P_上-P_下)R1/2P_下；

或用与P_上-P_下及P_下相对应的输入端净扭矩及替代计算，则有：

或用与P_上-P_下及P_下相对应的输入端有功功率P_上功-P_下功及P_下功替代计算，则有：

△R＝(P_上功-P_下功)R1/2P_下功；

式中：P_上功为净扭矩P_上对应电机输入端有功功率，P_下功为净扭矩P_下对应电机输入端有功功率。