CN108374782B - 一种抽油机平衡率调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抽油机平衡率调整方法，包括：对抽油机进行实测以获取抽油机的功率曲线图和地面功图；通过抽油机的功率曲线图和地面功图，利用平衡块重量、上行功率、下行功率、冲次四个参数，计算抽油机的平衡块调整尺度。上述技术方案提出了一种抽油机平衡率调整方法，能够更为根据平衡块重量、上行功率、下行功率、冲次四个参数计算抽油机的平衡块调整尺度，从而提高抽油机的工作效率，降低能耗。

Description

一种抽油机平衡率调整方法

技术领域

本发明涉及油田设备控制技术领域，具体涉及一种抽油机平衡率调整方法。

背景技术

石油在目前阶段还是不可替代的重要物质，因此石油开采技术和管理技术一直是研究重点。国内的油田生产普遍具有地域分散、环境恶劣、设备运转时间长的特点，因此需要投入大量的人力物力进行设备维护，并试图对设备进行改进以提高设备的工作效率，达到最佳采油/能耗比。其中游梁式抽油机是原油生产的主要设备，以发明人所在油田的管理区威力，采用游梁式抽油机的油井数量是总采油井数量的82％，耗电量占采油井总耗电量的89％以上，由此可以看出提高游梁式抽油机的工作效率是当前油田设备升级的重要环节。

通过大量研究可以发现，现有的游梁式抽油机的平衡对游梁式抽油机的举升能耗的影响较大，因此游梁式抽油机的工作是否处于平衡状态对节能降耗具有非常重要的意义；其中平衡就是指电动机在上下行程中都做正功，且在上下行程中做功相等。目前的研究中，对游梁式抽油机的平衡调节主要有电流法、扭矩曲线法、功率曲线法，但是发明人在详细研究中发现上述的几种方法都有各自的问题，效果不够理想，具体为：

1、电流法

使用电流法判断抽油机平衡的标准是利用抽油机井运动时下冲程电动机最大电流与上冲程最大电流的比，以百分数表示：Ψ＝I下max/I上max×100％，式中，Ψ为抽油机平衡度(％)，I下max为下冲程最大电流(A)，I上max为上冲程最大电流(A)。抽油机平衡度在80％～110％之间为合格，否则为不合格。最佳平衡度值应为100％。

2、功率曲线法

功率曲线法是以电动机上下冲程的功率曲线为依据，以上下冲程功率曲线包围的面积的比值来衡量抽油机的平衡度。这种方法将抽油机的平衡判断转化为测量电动机在驴头上下冲程运动的输入电能是否相等。采油功率曲线法衡量抽油机的平衡度，综合考虑了抽油机在工作过程中电机的电流、电压、功率因数，克服了使用电流法仅以最大电流衡量平衡度的不足，因此这种方法能够较准确地反应抽油机的平衡状况，使用功率法调节抽油机的平衡度，既能实现节能目的，又能保证抽油机安全运行。

3、扭矩曲线法

扭矩曲线法是通过计算出每个曲柄转角对应的曲柄轴瞬时净扭矩，绘制曲枘轴瞬时净扭矩曲线和抽油机减速器输出轴极限扭矩线，分别找出上下冲程净扭矩曲线的峰值，用上下冲程净扭矩曲线峰值的比值判断抽油机的平衡度。如果比值接近1，则认为抽油机处于平衡状态。如果抽油机不平衡，则根据上下冲程最大净扭矩与曲柄转角计算出平衡块应该移动的位置，如下式所示：

S为平衡块应该移动的位置，Tn上为上冲程的最大净扭矩，Tn下为下冲程的最大净扭矩，Q曲为原安装的平衡块重量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明实施例要解决的技术问题是提出一种抽油机平衡率调整方法，能够更好的对游梁式抽油机的功率平衡进行调整，至少部分的解决现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，本发明实施例提出了一种抽油机平衡率调整方法，包括：

步骤1、对抽油机进行实测以获取抽油机的功率曲线图和地面功图；

步骤2、通过抽油机的功率曲线图和地面功图，利用平衡块重量、上行功率、下行功率、冲次四个参数，计算抽油机的平衡块调整尺度。

其中，所述步骤1中的功率曲线图通过以下方法计算：

获取角位移传感器的角度信号，并根据角度信号获取抽油机的实时位移量；

获取多功能电表采集抽油机主电机的电量参数，得到主电机的三相电流、三相电压、有功功率、无功功率等三相电参数；

读取多功能电表采集的有功功率，根据位移量和有功功率的对应关系形成功率曲线图。

其中，所述步骤1中的地面功图通过以下方法计算：

获取角位移传感器的角度信号，并根据角度信号获取抽油机的实时位移量；

通过载荷仪传感器获取载荷信号；

将位移量和载荷的对应关系生成地面功图。

其中，所述步骤2具体包括：

步骤21、抽油机的冲次为N次/Min，抽油机一个上下行程的时间周期

则抽油机曲柄的角速度

以平衡块重心位于曲柄轴的最上方开始作为ωt的起点，则平衡块的平衡功率P_p可表示成:

P_P＝-ωGLSin(ωt) (1)

其中：

ω为曲柄角速度；

G为平衡块的总重量，单位是KN；

L为平衡块的重心半径，单位是m；

P_p为平衡功率，单位是KW；

步骤22、平衡块起平衡作用的作用量通过来表示：

对于上行程或下行程P_p的平均值为：

则通过调整平衡块的位置就是调整公式中的L，即L±ΔL；从而改变了P的大小，即P±ΔP；

通过以上的公式(2)和公式(3)实现平衡块调整尺度。

其中，所述步骤2中的平衡块调整ΔL通过以下步骤计算：

确定上下行程的功耗差＝|E_上－E_下|；

通过以下公式相应调整上下行程的功耗以使上下行程的功耗差|E_上－E_下|＝0；

由于

且

因此

则

其中ΔL就是平衡块的移动距离，单位是m；其中E上和E下是上下冲程中电机所做的功，单位是kW.h，G为平衡块的总重量；

其中E＝P×T，

因此调整长度可写成：

其中：

ΔL：平衡块的移动距离，单位是cm；

P_上和P_下：上行和下行功率，单位是KW；

N：冲次

G：平衡块的总质量(单位是kN)。

其中，所述步骤2中的平衡块调整ΔL可以调整为：

A、上行和下行功率可根据功率曲线图获得；

B、冲次可根据抽油机地面功图获得；

C、平衡块重量根据现场测量和计算得出：

根据平衡块的上宽、下宽、高度、厚度以及冲程孔的大小计算其体积，然后根据以下公式

G＝Mg＝ρ×V×g

计算得到平衡块重量。

其中，所述步骤2中还通过平衡块形状调整平衡率；具体包括：

根据面积分割法将平衡块切割成1个梯形和2个直角三角形；

根据平衡块的形状和类型，确定平衡块体积的圆弧部分影响比例为4％—6％之间，形状偏差影响比例在1％—3％之间；则所述平衡块对于平衡率的综合影响比例为7％。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：上述技术方案提出了一种抽油机平衡率调整方法，能够更为根据平衡块重量、上行功率、下行功率、冲次四个参数计算抽油机的平衡块调整尺度，从而提高抽油机的工作效率，降低能耗。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为平衡块的确定综合影响比例的示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

具体的，本发明实施例可以通过一个设置在油井控制柜上的油井智能控制器来实现，以采集抽油机的功率曲线和地面功图，并通过对功率曲线和地面功图进行分析来实现调节抽油机的功率平衡。

1、本发明实施例中的油井智能控制器测得的数据可以包括：功率曲线图和地面功图；

(1)功率曲线图

角位移传感器的角度信号通过4～20mA信号传输到油井智能控制器，在油井智能控制器进行分析处理得到抽油机的实时位移量。通过多功能电表采集抽油机主电机的电量参数，得到主电机的三相电流、三相电压、有功功率、无功功率等三相电参数，RTU通过485读取多功能电表采集的有功功率，然后将位移量和有功功率对应起来可形成功率曲线图。它是在抽油机一个抽吸周期内测取的封闭曲线，30分钟采集一个功率曲线图。

(2)地面功图

角位移传感器的角度信号通过4～20mA信号传输到RTU控制器，在RTU控制器进行分析处理得到抽油机的实时位移量。载荷仪传感器将载荷通过4～20mA信号传输到RTU控制器，然后将位移量和载荷对应起来可形成地面功图。它也是在抽油机一个抽吸周期内测取的封闭曲线，30分钟采集一个功率曲线图。

2、计算方法：

2.1、公式推导

设抽油机的冲次为N次/Min，那么抽油机一个上下行程的时间周期

由此可知抽油机曲柄的角速度

由于抽油机曲柄平衡块是靠重力起作用的。

如果从平衡块重心位于曲柄轴的最上方开始(12点钟位置)作为ωt的起点，平衡块的平衡功率P_p可表示成:

P_P＝-ωGLSin(ωt) (1)

其中：

ω为曲柄角速度；

G为平衡块的总重量，单位是KN；

L为平衡块的重心半径，单位是m；

P_p为平衡功率，单位是KW。

而平衡块起平衡作用的作用量可用以下计算公式来表示：

对于上行程(或者是下行程)P_p的平均值为：

我们调整平衡块的位置实际上就是改变公式中的L(即L±ΔL)，从而改变了P的大小(即P±ΔP)。即：

公式(2)和公式(3)的获得是我们解决平衡块调整尺度问题的关键。

根据抽油机平衡的定义：抽油机平衡运行状态。就是指电动机在上下行程中都做正功且相等。这个定义使我们得到启发：抽油机不平衡是因为抽油机在上下行程所做的功不相等。假设上行程所做的功大(对下行程所做的功大，可作同样的分析)，那么上下行程的功耗差＝(E_上－E_下)。如果通过移动平衡块使上行程减少功耗(E_上－E_下)/2，那么下行程将增加功耗(E_上－E_下)/2。这样一来，上下行程的功耗正好相等，抽油机也就平衡了。根据这个思路，我们得出以下等式：

因为

所以

于是有

此处ΔL就是平衡块的移动尺度,单位是m，而式中的E_上和E_下是上下冲程中电机所做的功，单位是kW.h，G为平衡块的总重量。

而E＝P×T，T＝60/2N

因此调整长度可写成：

其中：

ΔL:平衡块的移动尺度，单位是cm

P_上和P_下：上行和下行功率，单位是KW

N：冲次

G：平衡块的总质量(单位是kN)

2.2、公式分解

A、上行和下行功率可根据功率曲线图获得；

B、冲次可根据抽油机地面功图获得；

C、平衡块重量根据现场测量和计算得出：

根据平衡块的上宽、下宽、高度、厚度以及冲程孔的大小计算其体积，然后根据以下公式

G＝Mg＝ρ×V×g

计算得到平衡块重量。除此之外，计算过程中还考虑了平衡块形状对平衡率程度的影响，本发明实施例中根据面积分割法将平衡块切割成1个梯形和2个直角三角形，如图2所示的。根据不同形状、不同类型的平衡块体积的计算统计，圆弧部分影响比例在4％—6％之间，形状偏差影响比例在1％—3％之间，确定综合影响比例为7％，这样就更加精确地计算出平衡块重量。下面的表1为部分常用机型平衡块质量统计表。

表1：部分常用机型平衡块质量统计表

2.3、计算模板

本发明实施例中利用以上公式生成了计算模板，这样在使用中只用填写平衡块重量、上行功率、下行功率、冲次这四个数据就可自动算出平衡调整长度和调整方向，以通过表2实现快速确定。

表2：游梁式抽油机电能平衡率调整长度计算模板

3、调整方法

通过现场测量平衡块质量，根据功率曲线和地面供图获取上下行平均功率和冲次，根据计算模板算出调整方向和长度，现场进行调整，调整完成后查看功率曲线，判断抽油机平衡率是否合格。

功率平衡判断方法：Ψ＝P_下/P_上×100％，式中，Ψ为抽油机平衡度(％)，P_上为上冲程平均功率(KW)，P_下为下冲程平均功率(KW)。

抽油机平衡度，80％≤Ψ≤110％之间为合格；

抽油机平衡度，Ψ＜80％或Ψ＞110％为不合格；

抽油机最佳平衡度值应为100％。

例如：GD1-13-14经过现场测量与室内计算，平衡块质量为1.05吨，调整长度为17.2cm，方向向外，经过调整，平衡率由的65％上升至102％。

表3：平衡块质量计算表

表4：平衡块质量计算表

3、软件开发

在此基础上，研发了平衡度智能管理系统，不平衡井自动预警，自动计算调整长度和方向，实现了方案自动优化、效果跟踪分析，平衡合格率持续提升。

4、效果统计

采油管理四区推导功率法调平衡计算公式，通过形状分析计算完善平衡块重量数据库，将计算公式编入软件，自动计算调整长度，一次调整合格率由38％提高到95％。

4.1、经济效益

A、原油产量：通过提高功率法调平衡一次成功率，减少施工时间，提高采油时率，减少产量损失156吨。按原油价格60美元/桶计算，吨油完全成本按39美元/桶计算，M1＝156*7.2*(60-39)*6.6＝15.6(万元)

B、作业费用：按2017年长时间停井造成躺井3口计算：

M2＝3*16＝48(万元)

C、节约电费：2017年共调整283井次，累计节电24.8万kW·h。电费按0.5元/kw.h计算，M3＝24.8*0.5＝12.4万元；

年创经济效益：M＝M1+M2+M3＝15.6+48+12.4＝76(万元)

4.2、社会效益

该计算方法在使用过程中简单方便、操作性强，既能节能降耗，又能减轻职工工作量，具有良好的应用价值和推广前景。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种抽油机平衡率调整方法，其特征在于，包括：

步骤1、对抽油机进行实测以获取抽油机的功率曲线图和地面功图；

步骤2、通过抽油机的功率曲线图和地面功图，利用平衡块重量、上行功率、下行功率、冲次四个参数，计算抽油机的平衡块调整尺度；

其中，所述步骤2具体包括：

步骤21、抽油机的冲次为N次/Min，抽油机一个上下行程的时间周期

则抽油机曲柄的角速度

以平衡块重心位于曲柄轴的最上方开始作为ωt的起点，则平衡块的平衡功率P_p可表示成:

P_P＝-ωGLSin(ωt) (1)

其中：

ω为曲柄角速度；

G为平衡块的总重量，单位是KN；

L为平衡块的重心半径，单位是m；

P_p为平衡功率，单位是KW；

步骤22、平衡块起平衡作用的作用量通过以下公式来表示：

对于上行程或下行程P_p的平均值为：

则通过调整平衡块的位置就是调整公式中的L，即L±ΔL；其中ΔL为平衡块的移动距离；从而改变了P的大小，即P±ΔP；

通过以上的公式(2)和公式(3)实现平衡块调整尺度。

2.根据权利要求1所述的抽油机平衡率调整方法，其特征在于，所述步骤1中的功率曲线图通过以下方法计算：

获取角位移传感器的角度信号，并根据角度信号获取抽油机的实时位移量；

获取多功能电表采集抽油机主电机的电量参数，得到主电机的三相电参数；其中所述三相电参数至少包括：三相电流、三相电压、有功功率、无功功率；

读取多功能电表采集的有功功率，根据位移量和有功功率的对应关系形成功率曲线图。

3.根据权利要求1所述的抽油机平衡率调整方法，其特征在于，所述步骤1中的地面功图通过以下方法计算：

获取角位移传感器的角度信号，并根据角度信号获取抽油机的实时位移量；

通过载荷仪传感器获取载荷信号；

将位移量和载荷的对应关系生成地面功图。

4.根据权利要求1所述的抽油机平衡率调整方法，其特征在于，所述步骤2中的平衡块的移动距离ΔL通过以下步骤计算：

确定上下行程的功耗差＝|E_上－E_下|；

通过以下公式相应调整上下行程的功耗以使上下行程的功耗差|E_上－E_下|＝0；

由于

且

因此

则

其中ΔL就是平衡块的移动距离，单位是m；其中E_上和E_下是上下冲程中电机所做的功，单位是kW.h，G为平衡块的总重量；

其中E＝P×T，T＝60/N

因此平衡块调整调整尺度可写成：

其中：

ΔL：平衡块的移动距离，单位是m；

P_上和P_下：上行和下行功率，单位是KW；

N：冲次；

G：平衡块的质量，单位是kN。

5.根据权利要求4所述的抽油机平衡率调整方法，其特征在于，所述步骤2中的平衡块的移动距离ΔL可以调整为：

A、上行和下行功率可根据功率曲线图获得；

B、冲次可根据抽油机地面功图获得；

C、平衡块重量根据现场测量和计算得出：

根据平衡块的上宽、下宽、高度、厚度以及冲程孔的大小计算其体积，然后根据以下公式

G＝Mg＝ρ×V×g

计算得到平衡块重量。

6.根据权利要求5所述的抽油机平衡率调整方法，其特征在于，所述步骤2中还通过平衡块形状调整平衡率；具体包括：

根据面积分割法将平衡块切割成1个梯形和2个直角三角形；

根据平衡块的形状和类型，确定平衡块体积的圆弧部分影响比例为4％—6％之间，形状偏差影响比例在1％—3％之间；则所述平衡块对于平衡率的综合影响比例为7％。

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