抽油機(jī)調(diào)平衡計(jì)算模型

游梁式抽油機(jī)井效率分析與平衡優(yōu)化軟

件的功能規(guī)劃和計(jì)算模型

一、軟件實(shí)現(xiàn)的功能

示功圖、電流、功率等數(shù)據(jù)的采集，電參數(shù)等曲線的實(shí)時(shí)顯示；

抽油機(jī)井系統(tǒng)效率計(jì)算分析；

抽油機(jī)平衡狀態(tài)診斷與平衡調(diào)節(jié)；

二、軟件結(jié)構(gòu)

1、抽油機(jī)井示功圖分析

從示功圖取點(diǎn)求得產(chǎn)液量、上下沖程時(shí)間、平均載荷，最大、最小載荷，沖程,沖次、功圖面積、工況分析。（分析示功圖，得到計(jì)算系統(tǒng)效率及調(diào)平衡所需要的重要數(shù)據(jù)）

由示功圖推算上下沖程時(shí)間的方法：抽油機(jī)一個(gè)沖程周期的計(jì)算公式:

e60

T

n；n為沖次

上沖程和下沖程的具體時(shí)間，根據(jù)示功圖上位移點(diǎn)進(jìn)行推導(dǎo)，判斷準(zhǔn)則是：

上沖程判斷準(zhǔn)則：

如果（If）某一點(diǎn)的位移為最小，那么（Then）該點(diǎn)為上沖程起點(diǎn)。（若位移為最小的點(diǎn)有多點(diǎn)，以首次出現(xiàn)的最小點(diǎn)為準(zhǔn)）；

如果（If）某一點(diǎn)位移為最大，那么Then）該點(diǎn)為上沖程結(jié)束點(diǎn)。（若位移為最大的點(diǎn)有多個(gè)，以首次出現(xiàn)的位移最大點(diǎn)為準(zhǔn)）。

計(jì)算從首次出現(xiàn)最小點(diǎn)到首次出現(xiàn)位移最大點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)和，此值與示功圖總點(diǎn)數(shù)的比值，再與一個(gè)沖程周期相乘，即為上沖程時(shí)間。

設(shè)總數(shù)是N，推算得到的上沖程點(diǎn)數(shù)為"上，下沖程點(diǎn)數(shù)為"下，上沖程時(shí)間為：

t=—上xT

，

平均載荷的計(jì)算是利用儀器采集的各點(diǎn)的載荷的平均值，其他的參數(shù)利用已有軟件即可得到。

2、電參數(shù)曲線分析

電流、電壓、有功功率、功率因數(shù)曲線顯示，上沖程最大電流、下沖程最大電流,上沖程最大功率、下沖程最大功率，最大功率對應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)角的數(shù)值顯示；

三、系統(tǒng)效率及功率的計(jì)算分析

1、有效功率計(jì)算

將井內(nèi)液體輸送到地面所需要的功率為機(jī)械采油井的有效功率

①已知數(shù)據(jù)：實(shí)際產(chǎn)液量Q，m3/d（調(diào)用示功圖分析里的數(shù)據(jù)）；

含水率fw，%（已知數(shù)據(jù)）；

油的密度P0，t/m3（已知數(shù)據(jù)）；

水的密度「w，t/m3（已知數(shù)據(jù)）。

井液密度p，t/m3（若不能測得，利用P=fwPw+—Qp°計(jì)算）；

重力加速度&（二），m/s2；

動(dòng)液面深度H,m（采用軟件中的數(shù)據(jù)）；

油壓pt；套壓pc,Mpa（傳感器測量得到的數(shù)據(jù)）；

抽油機(jī)系統(tǒng)的有效功率

P=QxpxgxH+（P"Pc）X1。。0

有效—86400 （ pxg ）

2、 抽油機(jī)井系統(tǒng)的輸入功率

拖動(dòng)抽油機(jī)的電機(jī)輸入功率為抽油機(jī)輸入功率。

P=J3UIcos中/1000

電機(jī)

式中， P電機(jī)—電源輸入功率，Kw;

U一定子線電壓（可用采集電壓），V；

1一定子線電流（可用采集電流），A；

中一定子功率因數(shù)角，rad；

3、 光桿功率

利用示功圖面積進(jìn)行折算。（調(diào)用示功圖分析里的數(shù)據(jù)）

丁60

P光桿T地面示功圖面積/T；=板n為沖次

4、 泵功率

由泵功圖面積折算。（調(diào)用示功圖分析里的數(shù)據(jù)）

%=泵功圖面";

F60

T=——n

n為沖次

5、地面損失功率

數(shù)據(jù)

電機(jī)空載功率電機(jī)空載，kw；光桿一個(gè)周期的平均載荷亍,KN；沖程，,m/次；地面?zhèn)鲃?dòng)系數(shù)k，（1或-1）；n—沖次，min-1。

②模型

7地面損f機(jī)空載*2^Snk

式中，電機(jī)空載為電機(jī)銘牌空載功率，kw；

F為光桿一個(gè)周期的平均載荷，KN（調(diào)用示功圖分析里的數(shù)據(jù)）；

s為沖程，m/次；n，沖次；k為地面?zhèn)鲃?dòng)系數(shù)（為1或-1），U為電機(jī)輸入電壓，V。

6、抽油機(jī)地面效率

①數(shù)據(jù)

電機(jī)輸入電流I，A；電機(jī)輸入電壓U，V；功率因數(shù)c°W；（調(diào)用電參數(shù)曲線圖里的數(shù)據(jù)）

P

光桿功率光桿kw；利用示功圖面積進(jìn)行折算。（調(diào)用示功圖分析里的數(shù)據(jù)）沖程s，m；沖次n，min-1。

模型

"地面光桿入（P）

7、抽油機(jī)系統(tǒng)井下效率

抽油機(jī)系統(tǒng)有效功率與光桿功率之比，"井下=七效/7光桿。

8、抽油機(jī)井的系統(tǒng)效率

數(shù)據(jù)

利用（1）和（2）式中的數(shù)據(jù)

模型

P

門一有效

P

入

9、區(qū)塊采油井的平均系統(tǒng)效率

數(shù)據(jù)

機(jī)械采油井系統(tǒng)單井輸入功率P嘩，kw；

機(jī)械采油井單井系統(tǒng)效率氣；

區(qū)塊機(jī)械采油井測試井?dāng)?shù)，n。

模型

￡p.F

=i二1

￡p

入，

i=1

抽油機(jī)效率分析參考界面:有效功率、輸入功率、光桿功率、泵功率、井下效率、地面損失功率、地面效率、系統(tǒng)效率、區(qū)塊平均系統(tǒng)效率。

四、抽油機(jī)平衡分析優(yōu)化

運(yùn)轉(zhuǎn)前平衡塊的調(diào)節(jié)

（1）曲柄平衡抽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前平衡塊的確定：

_（巳+叫/2+G）xS-4xG,xr,

2xnxG

q

P桿一抽油桿在井液中的重量，kg；

WL—作用在抽油泵柱塞全截面的液柱量，kg；（沒有詳細(xì)的計(jì)算方法）

S-抽油機(jī)沖程，m。

G-抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)不平衡重，kg；（抽油機(jī)參數(shù)里面有）

rb-曲柄重心半徑；

Gb-單個(gè)曲柄重；Gq-單塊曲柄平衡塊的重量，kg

N-需安裝平衡塊數(shù)量，

r-平衡塊重心'至曲柄回轉(zhuǎn)中心之距離m

抽油機(jī)平衡度：抽油機(jī)下行最大電流與上行最大電流之比，

（2）新安裝游梁平衡抽油機(jī)的游梁平衡塊重量的計(jì)算

對于游梁平衡的抽油機(jī)，其游梁平衡塊的重量Gy按下式計(jì)算：

_（W+W/2+G）xS-4xGxr

y~ H

y

式中：Wg—抽油機(jī)井桿柱的重量，kg;

Wl-活塞上承受液柱的重量，kg;

G—抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)不平衡重，kg;

S一光桿沖程，m;

Gb—單塊曲柄的重量，kg;

rb—曲柄重心到減速器輸出軸的距離，m;

Hy一游梁平衡塊上下移動(dòng)的高程差，m,可按下式計(jì)算：

H=Lxsin（魚-a）-sin（-旦-a）

2A 2A

式中：Ly-抽油機(jī)平衡臂長度，m;

A—抽油機(jī)前臂長度，m;

S一光桿沖程，m;

a—游梁平衡角(下偏角)，rad;

.新安裝復(fù)合平衡抽油機(jī)的平衡量的計(jì)算

對于復(fù)合平衡的抽油機(jī)，其平衡方程如式所示：

2xrxnxG+GxH+4xGxr=(W+W/2+G)xS

qyy bbgi

可以按上式確定最大的曲柄平衡位置或最大的游梁平衡塊重量。實(shí)際的曲柄平衡塊位置和游梁平衡塊重量，在上述最大值之間選取。

運(yùn)轉(zhuǎn)后平衡塊調(diào)節(jié)

采用不同的方法，計(jì)算平衡率，實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)診斷，調(diào)節(jié)平衡。

平衡調(diào)節(jié)方法

電流法、電能法、功率曲線法、均方根扭矩法、峰值扭矩法。

平衡狀態(tài)診斷

平衡率的計(jì)算

平衡率在80%~110%，抽油機(jī)平衡狀態(tài)好。

（3）平衡調(diào)節(jié)

根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算需要調(diào)節(jié)的量，調(diào)整平衡塊位置（正數(shù)據(jù)代表往外調(diào)，使平衡塊遠(yuǎn)離曲柄軸；負(fù)數(shù)據(jù)代表往里調(diào)，使平衡塊接近曲柄軸）。

（1）電流法

利用模擬式鉗形電流表測量電機(jī)上、下沖程中的電流峰值，下沖程峰值電流比上上沖程峰值電流，其比值即為平衡率。

①平衡率的計(jì)算

抽油機(jī)平衡率=

下沖程峰值電流

上沖程峰值電流

X100%

電流平衡率在80%~110%，抽油機(jī)平衡狀況好。

（上、下沖程的峰值電流調(diào)用電參數(shù)曲線里的數(shù)據(jù)）

若上沖程最大電流大于下沖程最大電流，抽油機(jī)平衡不夠，需要加平衡重或加大平衡半徑，反之表示平衡重過大，要減小平衡重或平衡半徑。

最大扭矩值

T=3S+（Fma>—FJ（經(jīng)驗(yàn)公式）

曲柄平衡重在目前位置應(yīng)該移動(dòng)的距離：

L=孩—

Wcb1上+1下

△L=v^x[3+2.36(F -F.)]x[上：下

* maxmin

/上+/下

式中,

'上一驢頭懸點(diǎn)上沖程最大電流，A；

1下一驢頭懸點(diǎn)下沖程最大電流，A；

U—上、下沖程最大電流對應(yīng)的電機(jī)輸入電壓，V；

w瀝一曲柄平衡塊的總重量，t；

△R—曲柄平衡塊在目前位置應(yīng)該移動(dòng)的距離，cm；

T

大一最大扭矩；N?m；

S一實(shí)測驢頭沖程長度，m；

Fmax一懸點(diǎn)最大載荷，KN，(Fmax，^nin示功圖中得到)

Fmin—懸點(diǎn)最小載荷，KN，

(2)電能法

抽油機(jī)是否平衡通過電機(jī)上、下沖程中的輸出電能是否相等即下沖程中功率曲線所包圍的面積與上沖程中功率曲線所包圍的面積比值加以判斷。

①平衡率的計(jì)算

抽油機(jī)平衡率叫cos肋

Jt^3UIcos里dt

0上 X100%

上、下沖程的時(shí)間調(diào)用示功圖分析的數(shù)據(jù)。

平衡狀態(tài)診斷：當(dāng)平衡率小于80%,大于110%,抽油機(jī)處于不平衡狀態(tài)。

不平衡時(shí)平衡半徑的計(jì)算方法：

APP-P

△R— ——maxi max2

^WbWWb

式中：W—曲柄角速度，rad/s，

W一,一

cb—平衡塊總重量，N；

AR一平衡塊移動(dòng)量，m；

max1—上沖程最大功率，"W；

max2—下沖程最大功率，"W；

(3)功率曲線法

利用抽油機(jī)上、下沖程中電機(jī)輸出的最大有功功率是否相等，來判斷平衡狀況。

①平衡度的計(jì)算

抽油機(jī)平衡度=

下沖程電機(jī)最大功率

上沖程電機(jī)最大功率

X100%

平衡狀態(tài)診斷：當(dāng)平衡率小于80%,大于110%,抽油機(jī)處于不平衡狀態(tài)。

③不平衡調(diào)節(jié)方法

方法一：

不平衡時(shí)，可用下面的公式進(jìn)行平衡半徑調(diào)整。

平衡半徑調(diào)整量：

AR=974QV上-七2）

W^n（sin0.-sin0 ）

式中，AR—平衡塊的位移量，m；當(dāng)AR為正的時(shí)候，平衡塊遠(yuǎn)離曲柄軸中心；

當(dāng)AR為負(fù)的時(shí)候，平衡塊移向曲柄軸中心'；

n、一皮帶減速器的傳動(dòng)效率；（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試，皮帶減速箱的平均效率為%）

P

max—上沖程最大功率，kW；

P 一

max2一下沖程最大功率，kW；

W

cb一曲柄平衡塊重，N；

n一光桿沖次，min-i；

0 .

maxi 上沖程最大功率時(shí)的曲柄轉(zhuǎn)角，°；

0

max2 下沖程最大功率時(shí)的曲柄轉(zhuǎn)角，°。

（上、下沖程電機(jī)最大有功功率及對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角調(diào)用電參數(shù)曲線里的數(shù)據(jù)）

如果需要調(diào)整平衡塊時(shí)，按照下式計(jì)算平衡塊的調(diào)整量：

AR,=%（"M）f

R'-加上（或去掉）一部分平衡塊的平衡半徑調(diào)整量，m

R-原來的平衡半徑，m

Wb-加上（或去掉）后的平衡塊的總重，N。

方法二：

平均功率的計(jì)算：

=§5P.

下NN/2+1ei （N:數(shù)據(jù)的組數(shù)）

平衡半徑調(diào)整的計(jì)算：

m=（r咋）乂60

8xnxGxN

NS—光桿沖次，1/min;

G—單塊曲柄平衡塊的重量，kN;

n—準(zhǔn)備移動(dòng)的曲柄平衡塊的數(shù)目，戶d的值可以取~。

（4）均方根扭矩法

利用抽油機(jī)整個(gè)沖程中減速箱曲柄軸扭矩均方根值最小的原則來判斷平衡狀態(tài)。

平衡率的計(jì)算

由于電機(jī)的負(fù)載扭矩不易測量，電機(jī)功率易于測量。

常規(guī)電機(jī)的轉(zhuǎn)差不大，轉(zhuǎn)速變化很小，可認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)速及曲線軸角速度是一個(gè)常數(shù)，曲柄轉(zhuǎn)矩與電機(jī)輸入功率成正比。

抽油機(jī)平衡度二

下沖程電機(jī)平均功率

上沖程電機(jī)平均功率

x100%

（上、下沖程的時(shí)間調(diào)用示功圖分析的數(shù)據(jù)）。

平衡狀態(tài)診斷：當(dāng)平衡率小于80%,大于110%,抽油機(jī)處于不平衡狀態(tài)。

平衡半徑的調(diào)整:

b—ITPsin?tdt

1T0有功

1-G

式中，bi-功率曲線一次諧波的正弦部分幅度，kW；

T—周期，s；

w—曲柄軸的角速度，rad/^；

AL—平衡塊的移動(dòng)量，m；

G—平衡塊的總重量，kN。

周期載荷系數(shù)的計(jì)算

從保證抽油機(jī)安全運(yùn)行的角度看，調(diào)平衡就是要使減速器的輸出扭矩最小。由于減速器的扭矩有正有負(fù)，僅用平均值Tp不能反映實(shí)際的載荷大小，所以一般用均方根扭矩Tf來反映減速器的載荷情況。均方根扭矩Tf與平均扭矩TP之比稱為周期載荷系數(shù)Fcl，它反映了載荷扭矩的波動(dòng)程度，此值越接近1說明載荷扭矩越平穩(wěn)，越大說明載荷扭矩波動(dòng)得越厲害。

均方根扭矩Tf、平均扭矩TP及周期載荷系數(shù)Fcl均按曲柄旋轉(zhuǎn)一周（2兀）計(jì)算,

公式如下：

T=2-\2叮功

TF=-f

CLT

p

上式中T瞬時(shí)扭矩，單位為KN?m；中為曲柄轉(zhuǎn)角，單位為弧度（rad）。

公式中T是瞬時(shí)曲柄扭矩，單位是KN?m；P是瞬時(shí)電機(jī)輸入功率（PifUIc°s中），單位是馴；pd是電機(jī)效率（已知）；Pc是皮帶及減速器的傳動(dòng)效率（已知）；°是曲柄角速度，單位為弧度/秒（rad/S）。

曲柄角速度與沖程周期T和沖次〃的關(guān)系：

2- 2-n

w= =

T60

均方根扭矩:

平均扭矩：

—j2-(PP_L)2d中

2— 0C

平衡度：

L= j2兀(pp_)2d中/—j2兀pp_^d中

T\2-0cd° 2-0cd°

p

(5)峰值扭矩法

根據(jù)上、下沖程曲柄扭矩峰值的比值來判斷出抽油機(jī)是否平衡。當(dāng)下沖程峰值扭矩與上沖程峰值扭矩之比在80%—110%范圍內(nèi)時(shí)便可認(rèn)為抽油機(jī)平衡良好。根據(jù)實(shí)測的光桿示功圖及扭矩因數(shù)表繪出扭矩曲線。

①平衡率的計(jì)算

平衡率=

下沖程峰值扭矩皿八“上沖程峰值扭矩％

扭矩的計(jì)算

a、游梁式平衡抽油機(jī)扭矩的計(jì)算：

T=TF[P-(B+頊)]

acb

B、曲柄平衡抽油機(jī)扭矩的計(jì)算：

Mor=TF（P-（B+：%））-Mcmaxsin0

C、復(fù)合平衡抽油機(jī)扭矩的計(jì)算：

Mcom=TF（P-b）-Mcmaxsin0

式中，P一懸點(diǎn)載荷；

^—抽油機(jī)結(jié)構(gòu)不平衡重；（抽油機(jī)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中有）

Wcb一平衡塊重量，N；

芥一扭矩因數(shù)；（懸點(diǎn)位移對角速度的變化率）

a、b—游梁前臂和后臂的長度，m；

c一游梁平衡重心至游梁支點(diǎn)的距離，m；

Mcm—曲柄最大平衡扭矩，即曲柄處于水平位置（f=90°和270°）時(shí)曲柄平衡重造成的扭矩。

MCOM=WcbR+WCRC

W—曲柄重；

R一曲柄平衡半徑，即從曲柄軸心至平衡塊重心'之距離；

Rc一曲柄重心、半徑，即曲柄軸心、至曲柄重心、之距離。

扭矩因數(shù)的計(jì)算

方法一：

懸點(diǎn)載荷在曲柄軸上造成的扭矩與懸點(diǎn)載荷的比值。

TF-arsinp

b

方法二：

—=￡sina

bsmp

對b、J及連桿L和J、K及曲柄半徑r構(gòu)成的兩個(gè)三角形分別應(yīng)用余弦定理可得：

n_Yb2L2-k2-PA-cos（^+^0）

o=cos

2bL

b一游梁后臂b與連桿L之間的夾角（b<180°，故sinb總為正值）；

L一連桿有效長度（橫梁軸中心到曲柄銷中心的距離）；

k—曲柄軸中心到游梁軸中心的距離；

6—觀察時(shí)井口在左側(cè)，從12點(diǎn)鐘位置算起，曲柄按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)

角；

60—K和12點(diǎn)鐘位置的夾角

I一游梁軸中心到曲柄軸中心的水平距離；

H一游梁軸中心到底盤底部的距離；

|化=360°-[/J+W+（#+《口）]

式中 oc一連桿￡和曲柄廣之夾角，按順時(shí)針方向算起，從『到E;

叫一8和￡之間的夾角，v=K+p:

K—和E之間的夾角，K=sm-（籍丹；

J—曲柄銷中心到游梁軸承中心之間的距離，J=（乎十^-君況押嚴(yán)；

P—/和武之間的夾角.

.一1「曲附+腐）一

P=Sill

上、下沖程峰值扭矩為上、下沖程中扭矩因數(shù)最大時(shí)的值。

扭矩曲線的繪制（橫坐標(biāo)：曲柄轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)：扭矩，中為曲柄轉(zhuǎn)角）

根據(jù)上、下沖程不同時(shí)間點(diǎn)的中值，載荷值，可計(jì)算得到扭矩值，利用這些值，繪制扭矩曲線。

若上沖程峰值扭矩大于下沖程峰值扭矩，則上重下輕，平衡不夠；反之平衡過重。

②不平衡時(shí)的調(diào)節(jié)公式:

AR=———max上 max下

W（sin甲一sin平下）

式中，AR一平衡塊調(diào)整的位移量，m；當(dāng)AR為正時(shí)，平衡塊位置向外移動(dòng)，反之，相內(nèi)移動(dòng)；

T

max上一上沖程峰值扭矩，N*m；

T

max下一下沖程峰值扭矩，N?m；

W一一，一

cb—平衡塊重，N；中上一上沖程峰值扭矩時(shí)的曲柄轉(zhuǎn)角，，中下一下沖程峰值扭矩時(shí)的曲柄轉(zhuǎn)角,

其它廠家的軟件界面（可參考）

通過抽油機(jī)井平衡狀態(tài)監(jiān)測，利用紅綠黃色塊分別表示平衡狀態(tài)非常差、平衡狀

態(tài)好、平衡狀態(tài)差，以便方便地根據(jù)抽油機(jī)平衡狀態(tài)，有針對性地進(jìn)行了平衡調(diào)

節(jié)。（若要實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)監(jiān)測，必須首先計(jì)算每口井的平衡率）

下圖的界面中，在數(shù)據(jù)表中，顯示出油井名稱、抽油機(jī)類型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.平衡調(diào)整效果的預(yù)測

電動(dòng)機(jī)如果不過載，在供電電壓U(單位是伏y)穩(wěn)定的情況下，其無功功率變化很小，可以認(rèn)為平衡調(diào)整前后無功功率Q(()不變。

有功功率P(t)按式(1)預(yù)測，式(1)中P(t)源是平衡調(diào)整前的功率曲線值：

P(t)=a+

￡acos(n.t)+

sin(n?t)

a

0

a

n

b

n

n=1 n=2

P(t)=P(t)源一bsin(①t)

待定常數(shù):

=TjTP(t)dt

=TjTP(t)cos(n①t)dt)

=1jTP(t)sin(n①t)dt

T0

視在功率S(t)按式(2)預(yù)測：

S(t)=v'P(t)2+Q(t)2

電機(jī)電流1(()按式(3)預(yù)測：

1000*S(t)

I(t)= =

罰*U

電機(jī)功率均方根值Pf可按式(4)預(yù)測，式中Pf源是平衡調(diào)整之前的電機(jī)功率均方根值：

P=/2+1￡a2+1￡b2

fV0 2n2n

TOC\o"1-5"\h\z

n=1 n=2

: 1-

Pf=C-2b1 (4)

4、雙驢頭抽油機(jī)平衡調(diào)整

調(diào)整平衡可根據(jù)下述三個(gè)原則之一進(jìn)行。

使上、下沖程電動(dòng)機(jī)做功相等。

使上、下沖程中減速器曲柄軸的最大凈扭矩相等。

使減速器曲柄軸瞬時(shí)切線力與平均切線力的偏差平方和最小。

當(dāng)抽油機(jī)在不平衡狀態(tài)下工作時(shí)，可根據(jù)測出的油井示功圖，利用“光桿位置和扭矩因數(shù)表”提供的