閆超（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

石油開采過程中地面驅(qū)動設(shè)備主要使用有桿抽油系統(tǒng)，抽油機是有桿系統(tǒng)其數(shù)量占油田采油設(shè)備總數(shù)的90%以上，同時其系統(tǒng)效率較低，某區(qū)塊2021年常規(guī)抽油機平均系統(tǒng)效率僅為31%。抽油機平衡狀況的好壞，直接影響抽油機連桿機構(gòu)、減速箱和電動機的效率與壽命[1-2]。影響抽油機平衡的主要原因是抽油機懸點載荷規(guī)律的變化和平衡中的調(diào)節(jié)狀態(tài)，井下載荷隨著生產(chǎn)的運行會不斷發(fā)生變化，要實現(xiàn)再平衡就需要操作人員不斷的調(diào)整游梁式抽油機的平衡機構(gòu)[3]。目前，某區(qū)塊抽油機平衡調(diào)整采取人工調(diào)整的方法，在實際操作過程中，三元復合驅(qū)抽油機井受到采出液濃度和垢的影響，上下沖程峰值電流不穩(wěn)定且波動幅度較大，一次性調(diào)整到位的準確率低，有些抽油機井平衡塊已經(jīng)調(diào)至最外端，長期處于不平衡狀態(tài)，嚴重影響了區(qū)塊機采節(jié)能管理水平的提升，給平衡調(diào)整工作帶來了很大的困難。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，針對游梁式抽油機平衡調(diào)節(jié)方式存在勞動強度大、工作效率和調(diào)整精度低、安全性差等問題，國內(nèi)外均比較重視，并研制應(yīng)用了相關(guān)的技術(shù)和措施[4]。2017年，A油田研制并應(yīng)用了抽油機智能平衡裝置，該裝置安裝在游梁式抽油機游梁尾部的一個可調(diào)節(jié)配重力臂的尾游梁，尾游梁上安裝帶擺錘的游標式配重體，游標式配重體采用太陽能電池板給蓄電池充電，用蓄電池帶動電動機驅(qū)動減速機和齒輪旋轉(zhuǎn)，通過與齒條嚙合帶動配重體前后移動，再通過調(diào)節(jié)配重力臂達到調(diào)節(jié)抽油機平衡比的目的。2018年，B油田試驗應(yīng)用了抽油機智能平衡調(diào)整技術(shù)，平衡比由76.11%～129.67%自動調(diào)節(jié)至95.14%～106.67%，功率因數(shù)平均提升0.25，綜合節(jié)能率22.09%～30.42%。2019年，C油田分公司試驗應(yīng)用了智能平衡調(diào)整技術(shù)，平衡比由51.71%～154.42%自動調(diào)至97.61～102.29%，功率因數(shù)平均提升0.46，系統(tǒng)效率平均提升1.31%，平均節(jié)能率26.89%。D油田某采油廠研究并應(yīng)用了智能平衡調(diào)節(jié)軟件，以示功圖為基礎(chǔ)，結(jié)合抽油機運動參數(shù)，繪制扭矩曲線，同時計算出平衡塊扭矩-曲柄轉(zhuǎn)角曲線和曲柄扭矩-曲柄轉(zhuǎn)角曲線，以凈扭矩最小為目標實現(xiàn)抽油機井平衡狀況監(jiān)測、診斷、優(yōu)化設(shè)計及調(diào)平衡量化分析，實現(xiàn)了抽油機平衡調(diào)整一步到位，提高了工作效率[5]。

根據(jù)本區(qū)塊弱堿三元復合驅(qū)抽油機能耗現(xiàn)狀，智能平衡調(diào)整技術(shù)可實現(xiàn)在不停機的狀態(tài)下完成平衡調(diào)整工作，具有較好的適應(yīng)性，對優(yōu)化抽油機運行狀態(tài)、降低抽油機能耗水平、控制井下作業(yè)成本、減輕基層勞動強度具有重要意義。

2 智能平衡調(diào)整技術(shù)原理及功能

智能平衡調(diào)整裝置是集成平衡調(diào)整、無功補償、電網(wǎng)優(yōu)化、互聯(lián)互通等功能模塊為一體的數(shù)字化管理技術(shù)，通過自動化、數(shù)字化、智慧化三個技術(shù)鏈條實現(xiàn)不停機平衡調(diào)整，最大程度對抽油機進行力學和電網(wǎng)優(yōu)化，達到提高功率因數(shù)、降低抽油機能耗水平的目的[6]。

2.1 技術(shù)原理

力矩平衡原理是智能平衡調(diào)整裝置的理論基礎(chǔ)。當平衡發(fā)生變化時，抽油機游梁尾部隨擺裝置通過移動調(diào)節(jié)隨擺配重力矩，可整合其他合力矩曲線趨向正弦曲線，使游梁式抽油機達到平衡狀態(tài)[7]。

智能平衡調(diào)整過程分為第一階段：當抽油機處于過平衡狀態(tài)時，下行峰值電流增大，則游梁尾端載荷增大，調(diào)節(jié)裝置將配重向驢頭端移動達到平衡位置；當抽油機處于欠平衡狀態(tài)時，上行峰值電流增大，則驢頭端載荷增大，調(diào)節(jié)裝置將配重向游梁尾端移動達到平衡位置。調(diào)節(jié)前，裝置自動識別平衡比變化情況，保障了平衡調(diào)整的符合性和穩(wěn)定性。第二階段：上沖程時，內(nèi)部平衡裝置向尾端移動，協(xié)助平衡塊和電動機共同克服驢頭載荷。下沖程時，裝置向驢頭端移動，協(xié)助電動機和抽油桿共同克服平衡塊載荷。

2.2 功能簡介

智能平衡調(diào)整裝置由智能尾擺平衡裝置與匯控柜配套使用，中間由線束進行數(shù)據(jù)傳輸。匯控柜中裝配無功補償、電網(wǎng)優(yōu)化、互聯(lián)互通等功能，實現(xiàn)對生產(chǎn)工況的實時監(jiān)測與優(yōu)化。

2.2.1 無功補償

電網(wǎng)輸出的功率包括有功功率和無功功率兩部分。直接消耗電能，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能、熱能、化學能或聲能，利用這些能作功，這部分功率稱為有功功率[8]。不消耗電能，只是把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能，這種能作為電氣設(shè)備做功的必備條件，并且這種能是在電網(wǎng)中與電能進行周期性轉(zhuǎn)換，這部分功率被稱為無功功率。該模塊采用了新一代動態(tài)無功補償裝置，由檢測單元、主控單元、投切執(zhí)行單元和電容器組（含電抗器）四大部分構(gòu)成。檢測單元通過電壓、電流傳感器實時檢測系統(tǒng)電壓和電流的瞬時值，并實時計算出電壓、電流有效值和系統(tǒng)所需無功功率等控制參量，由主控單元完成邏輯判斷并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制投切執(zhí)行單元投切電容器組對負載無功功率的動態(tài)跟蹤補償[9]。

該裝置可根據(jù)電網(wǎng)中動態(tài)變化的無功量實現(xiàn)快速補償，并且有穩(wěn)定電網(wǎng)電壓功能，可以提高電網(wǎng)質(zhì)量，沒有觸點，零電流投切技術(shù)既增加了電容器的使用壽命，而且該裝置主要用來補償電網(wǎng)中頻繁波動的無功功率，抑制電網(wǎng)閃變的諧波，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，改善配電網(wǎng)的供電質(zhì)量和使用效率，進而降低網(wǎng)絡(luò)損耗[10]。

2.2.2 電網(wǎng)優(yōu)化

在電網(wǎng)優(yōu)化方面主要體現(xiàn)在涌流治理、諧波處理和巡檢補償三方面，可形成穩(wěn)定電壓電流，大幅度降低電網(wǎng)損耗，有效延長電氣設(shè)備使用壽命。

1）涌流治理。涌流普遍存在于配電系統(tǒng)中，可加速電氣設(shè)備老化，危害生產(chǎn)安全和穩(wěn)定，涌流治理可有效抑制峰值電壓和峰值電流，減少電動機和變壓器燒損，保護電氣設(shè)備。通過電網(wǎng)涌流治理，消除了過電壓和過電流的波動，避免了因過壓和過電流對電氣設(shè)備和電纜沖擊造成的損害。

2）諧波處理。油田電網(wǎng)中諧波普遍存在，且諧波波形復雜，通過運用電網(wǎng)諧波處理技術(shù)，可大幅減少或消除諧波，有效減少諧波疊加對用電設(shè)備損害，延長變壓器壽命。此外，日常節(jié)能測試容易忽略全波測量，進而降低諧波治理對節(jié)能的重要性，通過諧波有效治理，高次諧波幅值大幅減少，治理效果明顯，諧波節(jié)能率達90%。

3）巡檢補償。該功能可定時巡檢電壓電流相位角，對無功功率進行動態(tài)調(diào)節(jié)，提供感性負載所消耗的無功功率，從而減少電網(wǎng)電源無功功率輸送，提高功率因數(shù)。

2.2.3 互聯(lián)互通

互聯(lián)交互模塊可實現(xiàn)抽油機遠程控制、參數(shù)遠程管理和故障遠程治理等功能，與抽油機操作系統(tǒng)模塊組合安裝，現(xiàn)場試驗應(yīng)用了NB-IOT傳輸方式對試驗井進行遠程控制，均取得了較好效果?？筛鶕?jù)應(yīng)用規(guī)模和油田要求，還可通過Cat.1、光纖等數(shù)據(jù)傳輸通道對生產(chǎn)電參數(shù)進行實時分析和遠程調(diào)控，通過預留I/O接口，可按油田數(shù)字化管理需求與其他系統(tǒng)進行嵌入，為數(shù)字化、智能化采油助力。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 抽油機平衡比調(diào)整情況

選取本區(qū)塊平衡比低、調(diào)整難度大的2口三元復合驅(qū)抽油機井開展現(xiàn)場試驗。安裝前后測試結(jié)果對比，試驗井平衡比由70.40%～80.77%調(diào)整到96.50%～98.53%，不停機自動調(diào)整成功率達100%。智能平衡裝置平衡比調(diào)節(jié)指標完成情況見表1。

表1 智能平衡裝置平衡比調(diào)節(jié)指標完成情況Tab.1 Completion of the balance ratio adjustment index of the intelligent balance device

3.2 智能平衡裝置節(jié)能效果

安裝后，試驗井平均有功功率降低7.46 kW，無功功率降低27.37 kW，有功百米噸液耗電降低1.37 kWh/100 m·t，無功百米噸液耗電降低3.51 kWh/100 m·t，系統(tǒng)效率提高7.8%，功率因數(shù)提高0.32，平均綜合節(jié)電率33.04%[11]。智能平衡調(diào)節(jié)裝置節(jié)能效果見表2。

表2 智能平衡調(diào)節(jié)裝置節(jié)能效果Tab.2 Energy-saving effect of intelligent balance regulating device

4 經(jīng)濟效益評價

經(jīng)測算，加工并安裝智能平衡裝置兩套，費用為20.2萬元，其中設(shè)備加工費20萬元，安裝費0.2萬元。根據(jù)現(xiàn)場試驗效果，對2口試驗井一年內(nèi)預計取得的效益進行測算，合計貢獻效益11.84萬元。其中1#井預計年節(jié)電3.89×104kWh，節(jié)約電費2.66萬元；2#井預計年節(jié)電8.08×104kWh，節(jié)約電費5.52萬元，合計節(jié)電11.97×104kWh，預計年度節(jié)約電費8.18萬元，占效益總量的69%。智能平衡調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)出經(jīng)濟效益見表3。

表3 智能平衡調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)出經(jīng)濟效益Tab.3 Output and economic benefits of the intelligent balance regulating device

智能平衡調(diào)節(jié)裝置投入產(chǎn)出測算，安裝兩年即可盈利，按照三元見效期三年計算，此期間預計盈利15.35萬元，其中第二年盈利3.50萬元，第三年盈利11.85萬元。

該區(qū)塊三元見效期抽油機井180口，若全部安裝此裝置，總盈利約626.4萬元。智能平衡調(diào)節(jié)裝置使用壽命為8 a，該區(qū)塊進入后續(xù)水驅(qū)階段后，可將調(diào)節(jié)裝置利用在其他三元見效區(qū)塊繼續(xù)發(fā)揮作用，實現(xiàn)效益最大化。此外，對于三元見效期抽油機井，減少停機次數(shù)、縮短停機時間，可降低卡泵幾率，大幅縮短井下作業(yè)投入。

5 結(jié)論

1）智能平衡裝置能夠自動監(jiān)測抽油機能耗狀態(tài)，通過調(diào)整隨擺配重位置，達到改變力矩、實現(xiàn)動態(tài)平衡的目的，現(xiàn)場試驗安裝2口井，平衡比均達到了96%以上，平均提升22.4%，達到了實驗的目的，滿足了油田管理要求。

2）該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)不停機調(diào)節(jié)平衡的目的，通過優(yōu)化運行狀態(tài)，可有效降低上下沖程電流，在達到平衡要求的同時，降低抽油機能耗，現(xiàn)場試驗上沖程峰值電流平均降低44.94 A，下沖程峰值電流平均降低24.06 A，全年預計節(jié)電11.97×104kWh，預計節(jié)約電費8.18萬元，具有較好的節(jié)能效果，對油田的效益具有一定促進作用。

3）三元見效期抽油機井應(yīng)用智能平衡調(diào)整裝置后，省去了反復調(diào)整平衡的工作量，大幅度減輕基層勞動強度，降低操作風險，使生產(chǎn)管理更加快捷高效。此外，該裝置可以拆除后重復利用，繼續(xù)發(fā)揮作用，實現(xiàn)效益最大化，具有較強的推廣價值。