应用电流载荷公式法调节抽油机平衡率

　　摘要：以曲柄平衡抽油机为例，遵从抽油机电动机在上下冲程中做功相等的平衡原则，利用上、下电流和测井仪现场所得最大载荷、最小载荷，应用所推导的简便公式，便可计算得出使抽油机平衡的平衡块位移量。
　　关键词：抽油机调平衡，电流，载荷，位移量
　　一、抽油机平衡原理及条件
　　抽油机在工作过程中悬点承受的是不对称的脉动载荷，上冲程载荷很大，下冲程载荷很小，这样就会造成上冲程电动机做功很大，下冲程电机做负功，即悬点拉着电机旋转。因此也就会造成抽油机不平衡。抽油机运转不平衡，影响电机的工作效率，使电机的功率因数降低，加大电机的功率损耗，减小电机的寿命；抽油机运转不平衡会使抽油机发生振动，严重时会造成翻抽油机的恶性事故，影响抽油机的寿命；破坏曲柄旋转速度的均匀性，影响抽油杆和泵正常工作。因此抽油机必需利用平衡装置调节达到运转平衡。
　　（1）平衡原则[1]：电动机在上下冲程中做功相等；上、下冲程中电机的电流峰值相等；上、下冲程中的曲柄轴峰值扭矩相等。
　　（2）条件。在抽油机游梁后段加一重物，在下冲程中电机和下冲程的悬点载荷一起对重物做功，把重物升高储存位能：，（1）
　　则得到电机在下冲程中做的功为：，（2）
　　式中—下冲程中悬点载荷和电机对平衡系统做的功，即平衡系统储存的能量；—悬点在下冲程中做的功；—电机在下冲程中做的功。
　　在上冲程中平衡系统放出能量，帮助电机对悬点做功：，（3）
　　则得到电机在上冲程中做的功：，（4）
　　式中：—悬点在上冲程中做的功；—电机在上冲程中做的功。
　　根据第一条平衡原则：
　　，即，（5）
　　可得到平衡系统在下冲程中应储存的能量为：
　　，（6）
　　上式说明抽油机的平衡条件为：平衡系统下冲程中储存的能量要等于悬点在上、下冲程中做功之和的一半。
　　二、利用电流、载荷计算平衡块位移量公式的推导
　　各种抽油机在运行过程中，曲柄轴上承受的扭矩，包括由悬点载荷所形成的负荷扭矩和由平衡重所形成的平衡扭矩，这两项叠加形成静扭矩，即曲柄轴上实际承受的扭矩。由于我矿多数抽油机为8型-14型大型抽油机为主，大部分采用曲柄平衡装置，在曲柄上装了平衡块。本文所推导的简便公式以曲柄平衡抽油机为例，所以其净扭矩公式表示形式为：净扭矩可以用公式计算[2]：
　　，（7）
　　式中：—游梁平衡重，；—净扭矩，；—前臂长，；—后臂长，；—悬点载荷，；
　　—曲柄旋转半径，；—曲柄与连杆的夹角，；—连杆与后臂的夹角，；—曲柄平衡重，；
　　—曲柄旋转角，。
　　对公式（7）求悬点载荷的一阶导数，变为：
　　，（8）
　　其中、、、、为正数，所以，净扭矩是悬点载荷的增函数，两者为正比例关系。设其比例系数为，令，则有：
　　，（9）
　　而功率，为电压，为电流。又功率可表示为：，为功，为半个冲程所用时间，其中，为悬点载荷，为冲程，则：
　　，，（10）
　　其中、、为定值，令，则，则，（11）
　　说明电动机电流值和减速箱曲柄轴距间存在正比例关系。
　　又有，（设），（12）
　　为做功，代入公式（6）中得到当抽油机平衡时，曲柄轴的最大扭矩值的表示形式[3]：
　　，（13）
　　为了使抽油机达到平衡，曲柄轴上附加的平衡扭矩表示为：，（14）
　　它表示曲柄平衡重在曲柄上的位置刻度就是曲柄中心的距离，因此：，（15）
　　式中：—用来进行调节的曲柄平衡重的总重量，；—平衡重在目前位置应该移动的距离，。
　　由（14）（15）式，可以计算出值【3】：
　　，（16）
　　在式（16）中，曲柄轴最大扭矩可以根据若干井的抽油机的扭矩曲线峰值统计和回归建立的经验公式计算【2】，即
　　，（17）
　　为了计算方便，将的单位变为，得到：
　　，（18）
　　将（18）式代入（16），则得到平衡重位移计算公式：
　　，（19）
　　式中：—实测冲程长度，；—悬点最大载荷，；—悬点最小载荷，；—悬点上、下冲程时最大电流，，现场由钳形电流表测得。其中、、由TD01D遥测电脑测井仪在现场直接测得。
　　三、现场实验
　　现场抽取某队不平衡游梁式抽油机井口，进行此简便算法适用性的举例验证：A321井，CYJ10-3-48B，大庆总机厂制造抽油机，。2010年11月3日测得上冲程最大电流值，下冲程。该井电流平衡率，不符合“大电流大于等于10A，下电流/上电流在85～101%范围内”的管理要求，需要调整平衡。利用TD01D遥测电脑测井仪现场测试该井、、值，得到实测，，，将所得各参数代入公式（19）中，则：
　　
　　计算表明，将块平衡块在目前位置同时移离曲柄中心约才能达到完全平衡。按照计算结果，现场对该井进行调节平衡操作，间隔一段时间再次测试功图数据：，，；再次录取电流，测得上冲程最大电流值，下冲程，此时该井电流平衡率，电流平衡，符合管理要求，该计算结果有效，抽油机调平衡成功。
　　某队有抽油机井62口，开井51口，其中有43口抽油机井为曲柄平衡方式。利用公式，某队实际调整平衡24井次，一次成功井次19井次，一次成功率79.17%。
　　四、结论
　　（1）该公式所选取抽油机平衡原则为电动机在上下冲程中做功相等原则，有一定局限性，应再结合功率法调节平衡，使得抽油机井设备处于更安全、更节能生产环境中。
　　（2）本文中经验公式的选取是根据若干井的抽油机的扭矩曲线峰值统计和回归建立的经验公式，不是推导公式，虽有很高的成功率，但不能保证100%适用，有时选取勒码柴诺夫经验公式（更为适用。
　　（3）以上实例中，如果，则，表明平衡重应移向曲柄轴中心。
　　（4）如果要同时移动块平衡块，应移离曲柄中心，才可达到完全平衡。
　　参考文献：
　　[1]王鸿勋，张琪等著.采油工艺原理[M].石油工业出版社，1989.
　　[2]罗英俊，万仁溥.采油技术手册[M].石油工业出版社，2005.