影响抽油机的平衡因素探讨及分析

影响抽油机的平衡因素探讨及分析

徐林才

长庆油田分公司第八采油厂 710016

摘  要：在抽油机管理中，平衡率是重要的考核指标，它将直接关系到电动机的有效功率和抽油机的使用寿命。本文通过描述抽油机平衡的重要性，指出了抽油机不平衡的危害，对于油田广泛使用的曲柄平衡的影响因素进行了详细分析，并对油田目前常用的平衡评定方式指出了自己的意见与建议。

关键词：抽油机影响因素分析

前言

定边作业区中心站共管理油井432口，计开391口，实开384口，主要开采层位为长6层，平均日产液1716.0m3，日产油量848.87t，平均单井产能2.21t/d，综合含水45.6%，抽油泵效44.7％，平均工作参数φ32mm×1.95m×4.48r/min×1348m。

我中心站目前有抽油机402台，大部分是曲柄平衡抽油机，基本运行时间大约有10-12年，设备现场运行故障较多，尤其是减速窜轴、异响、漏油现象甚是严重以及电机烧毁比较频繁等。 当然除了设备的自然磨损漏失外，更多的是由于现场人员管理不到位造成的，抽油机长期受冲击载荷的作用，使减速箱齿轮磨损加剧造成。

抽油机的工作特点是往复承受一个交变载荷，上下冲程的负荷差别特别大，如果抽油机没有平衡块，当电动机带动抽油机运转时，由于上冲程中悬点承受着最大载荷，所以电动机必须作很大的功才能使驴头上行；而下冲程中，抽油杆在自重作用下克服浮力下行，这时电动机不仅不需要对外作功，反而接受外来的能量作负功。这样抽油机无法正常工作，电机也容易烧坏。为了消除上述弊病，采用平衡装置将上、下冲程时的负荷差异减小，使设备正常运转。目前常见的方法是将平衡块装在曲柄上，它的作用是当抽油机上冲程时，平衡块向下运动，帮助克服驴头上的负荷；在下冲程时，电机使平衡块向上运动，储存能量。这样在平衡块作用下，可以减小抽油机上、下冲程的负荷差别，使设备平稳运转。

若抽油机平衡块调整的位置不合适或不能正确地去判断抽油机是否平衡，也会引起抽油机的不平衡，不平衡造成的后果有：

(1)上冲程中电动机承受着极大的负荷，下冲程中抽油机反而带着电动机运转，从而造成功率的浪费，降低电动机的效率和寿命；

(2)由于负荷极不均匀，会使抽油机发生激烈振动，而影响抽油机装置的寿命；

(3)会破坏曲柄旋转速度的均匀性，而影响抽油杆和泵的正常工作。

1曲柄平衡原理

要使抽油机在平衡条件下运转，就应使电动机在上、下冲程中都做正功且做功相等。最简单的方法是在抽油机曲柄上加一重物，在下冲程中让抽油杆自重和电动机一起对重物做功，

则：Aw =Ad+Amd

式中：Aw-----下冲程中抽油杆自重和电动机对重物所作的功，即重物储存的功；

Ad-----抽油杆柱对重物所作的功，即悬点在下冲程中作的功；

Amd-----电动机在下冲程中作的功。

由上式可得：Amd= AW -Ad

在上冲程中，将重物储存的能量释放出来和电动机一起对悬点作功，则：

Au =Aw+Amu      也即：Amu =Au-Aw

式中：Au—上冲程中悬点作的功

Amu—上冲程中电动机作的功。

要使抽油机平衡，应该让电动机在上、下冲程中作的功相等，即：

Amd = Amu也即：Aw-Ad=Au-Aw

为了达到平衡，在下冲程需要对重物作的功和上冲中需要重物释放的能量的关系应为：

Aw=（Au+Ad）/2               （1-1）

由上式可见，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、下冲程中所作功之和的一半。

2 因素分析

2.1平衡块的位置和重量

由公式（1-1）可知抽油机平衡条件是在一个抽汲循环中，重物在下冲程中储存的能量，等于上冲程和下冲程悬点作功之和的一半。

上冲程中悬点所作的功：

    Au =（Wr+W1）s            （1-2）

下冲程中悬点所作的功：

    Ad =Wrs                   （1-3）

式中：Wr----上下冲程中作用在悬点上的抽油杆柱的载荷；

      W1----作用在柱塞上的液柱的载荷。

由于惯性载荷在上、下冲程式中所做的总功等于零，所以没有考虑惯性力。

将Au 和 Ad 代入式（1-1）得：

Aw =（Wr+W1/2）s              

对于曲柄平衡，其重物在下冲程中所储存的能量为：

式中  ,——曲柄自重和曲柄平衡块重；

——抽油机本身的不平衡值；

,,——分别为曲柄平衡半径、曲柄重心半径、曲柄(回旋)半径。

将上式代入式(1-4)中，并考虑，可得平衡半径为

R=（Wr+W1/2）（a/b）（r/ Wcb）-r（Xub/ Wcb）- Rc（Wc/ Wcb）   （1-5）

由上式可见，在其它条件不变的情况下，R与Wcb成反比，在平衡重Wcb不变的情况下，R值直接影响到平衡效果。

2.2井筒结蜡情况

我们在考虑抽油机平衡原理时仅考虑理想状态，但实际运行中驴头是受多个载荷的作用，如抽油杆柱与液柱、液柱与管柱以及液体通过游动阀产生的阻力等，在油井的正常生产过程中井筒结蜡、结垢情况对抽油机的悬点载荷也有相当大的影响。而这种力的方向与杆柱运动的方向相反，查阅相关资料下冲程的摩擦阻力Frd 为上冲程摩擦阻力Fru 的1.3倍。

即Frd =1.3Fru

将上式代入（1-1）得：Aw=（Wr+（W1-0.3Fru）/2）s

由上式可得结蜡或结垢越严重，杆柱运行阻力越大，平衡物储存的能量越小，即平衡块应向内移动或者采取必要的清蜡措施。

2.3井口回压

原油在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压对悬点将产生附加的载荷，这附加载荷力的方向始终向下，上冲程中增加悬点载荷，下冲程中减小悬点载荷。

Phu = ph（fp-fr）                                       

Phd = phfr                                                                     

式中：Phu ---井口回压在上冲程中造成的悬点载荷；

Phd ---井口回压在下冲程中造成的悬点载荷；

ph ---井口回压；

fp、fr ---柱塞及抽油杆的截面积。

考虑回压的影响，则式（1-2）和（1-3）分别演变为：

Au=（Wr+W1 +Phu）s

Ad=（Wr+Phu）s

将上两式代入式（1-1）得：

Aw=（Wr+（W1+ phfp ）/2）s

由上式可见考虑井口回压的影响，也即回压的增大，要达到抽油机平衡，平衡配重作功量相应增大，要么增加平衡重，要么将平衡块向外移。

2.4其它因素的影响

抽油机运转时，驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，抽油杆柱和液柱的惯性力、地面工作参数、杆柱的振动载荷、杆柱与液柱间和液柱与管柱间的摩擦载荷等都可能引起抽油机的不平衡。

3.1平衡测试方式评价

目前抽油机平衡检验的方法有三种：

一是测量驴头上、下冲程的时间。理论上抽油机在平衡条件下工作时上冲程和下冲程所用的时间是相同的。如果上冲程快、下冲程慢，说明平衡过量，则应减小平衡重量或平衡半径；反之，则应增加平衡重量或平衡半径。我们常见的六型抽油机冲次一般是5次或7次，每一冲程仅有8-12秒钟，测量误差大。通过对杏南区块30口油井进行测试发现9口油井下冲程时间除上冲程时间值小于0.8，即平衡过轻。

二是测量上、下冲程的电流。理论上抽油机在平衡条件下工作时上、下冲程的电流峰值应相等。衡量标准是用下冲程的电流峰值除以上冲程的电流峰值，单台抽油机考核的平衡比是Id/Iu在0.8-1.2之间，抽油机考核平衡率是90%以上。实际上，电流平衡不能保证抽油机一定平衡，电流不平衡的抽油机也有可能是平衡的。从对杏南区块30油井的电流测试结果来看，上、下冲程的电流峰值基本满足平衡条件，而在单冲程过程中电流变化较大，所以说在衡量平衡标准时仅以最大电流作为衡量标准不很确切，应考虑整个过程，而不是考虑一个瞬时。

4结论

通过以上的分析可以得出以下结论：

(1)影响平衡的主要因素是平衡块的位置和重量。杏南区块低沉没度井较多，供液不足井对抽油机平衡影响较大。

(2)对集油管线定期进行扫线，保证回压在一定范围内，不至对抽油机平衡造成影响；

(3)摸清每口井的结蜡周期，定期检泵清蜡，保证泵筒吸液顺畅，有效控制动液面；

(4)抽油机定期进行节能测试，按测试结果分析抽油机的平衡状况，以便采取相应的措施；

(5)用抽油机上下冲程峰值电流比衡量抽油机的平衡存在一定的片面性，应以功率平衡为准。

参考文献

［1］邹根宝主编《采油工程》 石油工业出版社

［2］《采油机械》内部资料

［3］王鸿勋、张琪主编《采油工艺原理》

［4］石油钻采机械（下册）石油工业出版社

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