抽油机调平衡计算模型

游梁式抽油机井效率分析与平衡优化软

件的功能规划和计算模型

一、软件实现的功能

示功图、电流、功率等数据的采集，电参数等曲线的实时显示；

抽油机井系统效率计算分析；

抽油机平衡状态诊断与平衡调节；

二、软件结构

1、抽油机井示功图分析

从示功图取点求得产液量、上下冲程时间、平均载荷，最大、最小载荷，冲程,冲次、功图面积、工况分析。（分析示功图，得到计算系统效率及调平衡所需要的重要数据）

由示功图推算上下冲程时间的方法：抽油机一个冲程周期的计算公式:

e60

T

n；n为冲次

上冲程和下冲程的具体时间，根据示功图上位移点进行推导，判断准则是：

上冲程判断准则：

如果（If）某一点的位移为最小，那么（Then）该点为上冲程起点。（若位移为最小的点有多点，以首次出现的最小点为准）；

如果（If）某一点位移为最大，那么Then）该点为上冲程结束点。（若位移为最大的点有多个，以首次出现的位移最大点为准）。

计算从首次出现最小点到首次出现位移最大点的点数和，此值与示功图总点数的比值，再与一个冲程周期相乘，即为上冲程时间。

设总数是N，推算得到的上冲程点数为"上，下冲程点数为"下，上冲程时间为：

t=—上xT

，

平均载荷的计算是利用仪器采集的各点的载荷的平均值，其他的参数利用已有软件即可得到。

2、电参数曲线分析

电流、电压、有功功率、功率因数曲线显示，上冲程最大电流、下冲程最大电流,上冲程最大功率、下冲程最大功率，最大功率对应曲柄转角的数值显示；

三、系统效率及功率的计算分析

1、有效功率计算

将井内液体输送到地面所需要的功率为机械采油井的有效功率

①已知数据：实际产液量Q，m3/d（调用示功图分析里的数据）；

含水率fw，%（已知数据）；

油的密度P0，t/m3（已知数据）；

水的密度「w，t/m3（已知数据）。

井液密度p，t/m3（若不能测得，利用P=fwPw+—Qp°计算）；

重力加速度&（二），m/s2；

动液面深度H,m（采用软件中的数据）；

油压pt；套压pc,Mpa（传感器测量得到的数据）；

抽油机系统的有效功率

P=QxpxgxH+（P"Pc）X1。。0

有效—86400 （ pxg ）

2、 抽油机井系统的输入功率

拖动抽油机的电机输入功率为抽油机输入功率。

P=J3UIcos中/1000

电机

式中， P电机—电源输入功率，Kw;

U一定子线电压（可用采集电压），V；

1一定子线电流（可用采集电流），A；

中一定子功率因数角，rad；

3、 光杆功率

利用示功图面积进行折算。（调用示功图分析里的数据）

丁60

P光杆T地面示功图面积/T；=板n为冲次

4、 泵功率

由泵功图面积折算。（调用示功图分析里的数据）

%=泵功图面";

F60

T=——n

n为冲次

5、地面损失功率

数据

电机空载功率电机空载，kw；光杆一个周期的平均载荷亍,KN；冲程，,m/次；地面传动系数k，（1或-1）；n—冲次，min-1。

②模型

7地面损f机空载*2^Snk

式中，电机空载为电机铭牌空载功率，kw；

F为光杆一个周期的平均载荷，KN（调用示功图分析里的数据）；

s为冲程，m/次；n，冲次；k为地面传动系数（为1或-1），U为电机输入电压，V。

6、抽油机地面效率

①数据

电机输入电流I，A；电机输入电压U，V；功率因数c°W；（调用电参数曲线图里的数据）

P

光杆功率光杆kw；利用示功图面积进行折算。（调用示功图分析里的数据）冲程s，m；冲次n，min-1。

模型

"地面光杆入（P）

7、抽油机系统井下效率

抽油机系统有效功率与光杆功率之比，"井下=七效/7光杆。

8、抽油机井的系统效率

数据

利用（1）和（2）式中的数据

模型

P

门一有效

P

入

9、区块采油井的平均系统效率

数据

机械采油井系统单井输入功率P哗，kw；

机械采油井单井系统效率气；

区块机械采油井测试井数，n。

模型

£p.F

=i二1

£p

入，

i=1

抽油机效率分析参考界面:有效功率、输入功率、光杆功率、泵功率、井下效率、地面损失功率、地面效率、系统效率、区块平均系统效率。

四、抽油机平衡分析优化

运转前平衡块的调节

（1）曲柄平衡抽油机运转前平衡块的确定：

_（巳+叫/2+G）xS-4xG,xr,

2xnxG

q

P杆一抽油杆在井液中的重量，kg；

WL—作用在抽油泵柱塞全截面的液柱量，kg；（没有详细的计算方法）

S-抽油机冲程，m。

G-抽油机的结构不平衡重，kg；（抽油机参数里面有）

rb-曲柄重心半径；

Gb-单个曲柄重；Gq-单块曲柄平衡块的重量，kg

N-需安装平衡块数量，

r-平衡块重心'至曲柄回转中心之距离m

抽油机平衡度：抽油机下行最大电流与上行最大电流之比，

（2）新安装游梁平衡抽油机的游梁平衡块重量的计算

对于游梁平衡的抽油机，其游梁平衡块的重量Gy按下式计算：

_（W+W/2+G）xS-4xGxr

y~ H

y

式中：Wg—抽油机井杆柱的重量，kg;

Wl-活塞上承受液柱的重量，kg;

G—抽油机的结构不平衡重，kg;

S一光杆冲程，m;

Gb—单块曲柄的重量，kg;

rb—曲柄重心到减速器输出轴的距离，m;

Hy一游梁平衡块上下移动的高程差，m,可按下式计算：

H=Lxsin（鱼-a）-sin（-旦-a）

2A 2A

式中：Ly-抽油机平衡臂长度，m;

A—抽油机前臂长度，m;

S一光杆冲程，m;

a—游梁平衡角(下偏角)，rad;

.新安装复合平衡抽油机的平衡量的计算

对于复合平衡的抽油机，其平衡方程如式所示：

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

qyy bbgi

可以按上式确定最大的曲柄平衡位置或最大的游梁平衡块重量。实际的曲柄平衡块位置和游梁平衡块重量，在上述最大值之间选取。

运转后平衡块调节

采用不同的方法，计算平衡率，实现平衡状态诊断，调节平衡。

平衡调节方法

电流法、电能法、功率曲线法、均方根扭矩法、峰值扭矩法。

平衡状态诊断

平衡率的计算

平衡率在80%~110%，抽油机平衡状态好。

（3）平衡调节

根据动态数据，计算需要调节的量，调整平衡块位置（正数据代表往外调，使平衡块远离曲柄轴；负数据代表往里调，使平衡块接近曲柄轴）。

（1）电流法

利用模拟式钳形电流表测量电机上、下冲程中的电流峰值，下冲程峰值电流比上上冲程峰值电流，其比值即为平衡率。

①平衡率的计算

抽油机平衡率=

下冲程峰值电流

上冲程峰值电流

X100%

电流平衡率在80%~110%，抽油机平衡状况好。

（上、下冲程的峰值电流调用电参数曲线里的数据）

若上冲程最大电流大于下冲程最大电流，抽油机平衡不够，需要加平衡重或加大平衡半径，反之表示平衡重过大，要减小平衡重或平衡半径。

最大扭矩值

T=3S+（Fma>—FJ（经验公式）

曲柄平衡重在目前位置应该移动的距离：

L=孩—

Wcb1上+1下

△L=v^x[3+2.36(F -F.)]x[上：下

* maxmin

/上+/下

式中,

'上一驴头悬点上冲程最大电流，A；

1下一驴头悬点下冲程最大电流，A；

U—上、下冲程最大电流对应的电机输入电压，V；

w沥一曲柄平衡块的总重量，t；

△R—曲柄平衡块在目前位置应该移动的距离，cm；

T

大一最大扭矩；N・m；

S一实测驴头冲程长度，m；

Fmax一悬点最大载荷，KN，(Fmax，^nin示功图中得到)

Fmin—悬点最小载荷，KN，

(2)电能法

抽油机是否平衡通过电机上、下冲程中的输出电能是否相等即下冲程中功率曲线所包围的面积与上冲程中功率曲线所包围的面积比值加以判断。

①平衡率的计算

抽油机平衡率叫cos肋

Jt^3UIcos里dt

0上 X100%

上、下冲程的时间调用示功图分析的数据。

平衡状态诊断：当平衡率小于80%,大于110%,抽油机处于不平衡状态。

不平衡时平衡半径的计算方法：

APP-P

△R— ——maxi max2

^WbWWb

式中：W—曲柄角速度，rad/s，

W一,一

cb—平衡块总重量，N；

AR一平衡块移动量，m；

max1—上冲程最大功率，"W；

max2—下冲程最大功率，"W；

(3)功率曲线法

利用抽油机上、下冲程中电机输出的最大有功功率是否相等，来判断平衡状况。

①平衡度的计算

抽油机平衡度=

下冲程电机最大功率

上冲程电机最大功率

X100%

平衡状态诊断：当平衡率小于80%,大于110%,抽油机处于不平衡状态。

③不平衡调节方法

方法一：

不平衡时，可用下面的公式进行平衡半径调整。

平衡半径调整量：

AR=974QV上-七2）

W^n（sin0.-sin0 ）

式中，AR—平衡块的位移量，m；当AR为正的时候，平衡块远离曲柄轴中心；

当AR为负的时候，平衡块移向曲柄轴中心'；

n、一皮带减速器的传动效率；（实验数据测试，皮带减速箱的平均效率为%）

P

max—上冲程最大功率，kW；

P 一

max2一下冲程最大功率，kW；

W

cb一曲柄平衡块重，N；

n一光杆冲次，min-i；

0 .

maxi 上冲程最大功率时的曲柄转角，°；

0

max2 下冲程最大功率时的曲柄转角，°。

（上、下冲程电机最大有功功率及对应的曲柄转角调用电参数曲线里的数据）

如果需要调整平衡块时，按照下式计算平衡块的调整量：

AR,=%（"M）f

R'-加上（或去掉）一部分平衡块的平衡半径调整量，m

R-原来的平衡半径，m

Wb-加上（或去掉）后的平衡块的总重，N。

方法二：

平均功率的计算：

=§5P.

下NN/2+1ei （N:数据的组数）

平衡半径调整的计算：

m=（r咋）乂60

8xnxGxN

NS—光杆冲次，1/min;

G—单块曲柄平衡块的重量，kN;

n—准备移动的曲柄平衡块的数目，户d的值可以取~。

（4）均方根扭矩法

利用抽油机整个冲程中减速箱曲柄轴扭矩均方根值最小的原则来判断平衡状态。

平衡率的计算

由于电机的负载扭矩不易测量，电机功率易于测量。

常规电机的转差不大，转速变化很小，可认为电机转速及曲线轴角速度是一个常数，曲柄转矩与电机输入功率成正比。

抽油机平衡度二

下冲程电机平均功率

上冲程电机平均功率

x100%

（上、下冲程的时间调用示功图分析的数据）。

平衡状态诊断：当平衡率小于80%,大于110%,抽油机处于不平衡状态。

平衡半径的调整:

b—ITPsin®tdt

1T0有功

1-G

式中，bi-功率曲线一次谐波的正弦部分幅度，kW；

T—周期，s；

w—曲柄轴的角速度，rad/^；

AL—平衡块的移动量，m；

G—平衡块的总重量，kN。

周期载荷系数的计算

从保证抽油机安全运行的角度看，调平衡就是要使减速器的输出扭矩最小。由于减速器的扭矩有正有负，仅用平均值Tp不能反映实际的载荷大小，所以一般用均方根扭矩Tf来反映减速器的载荷情况。均方根扭矩Tf与平均扭矩TP之比称为周期载荷系数Fcl，它反映了载荷扭矩的波动程度，此值越接近1说明载荷扭矩越平稳，越大说明载荷扭矩波动得越厉害。

均方根扭矩Tf、平均扭矩TP及周期载荷系数Fcl均按曲柄旋转一周（2兀）计算,

公式如下：

T=2-\2叮功

TF=-f

CLT

p

上式中T瞬时扭矩，单位为KN•m；中为曲柄转角，单位为弧度（rad）。

公式中T是瞬时曲柄扭矩，单位是KN•m；P是瞬时电机输入功率（PifUIc°s中），单位是驯；pd是电机效率（已知）；Pc是皮带及减速器的传动效率（已知）；°是曲柄角速度，单位为弧度/秒（rad/S）。

曲柄角速度与冲程周期T和冲次〃的关系：

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

根据上、下冲程曲柄扭矩峰值的比值来判断出抽油机是否平衡。当下冲程峰值扭矩与上冲程峰值扭矩之比在80%—110%范围内时便可认为抽油机平衡良好。根据实测的光杆示功图及扭矩因数表绘出扭矩曲线。

①平衡率的计算

平衡率=

下冲程峰值扭矩皿八“上冲程峰值扭矩％

扭矩的计算

a、游梁式平衡抽油机扭矩的计算：

T=TF[P-(B+顼)]

acb

B、曲柄平衡抽油机扭矩的计算：

Mor=TF（P-（B+：%））-Mcmaxsin0

C、复合平衡抽油机扭矩的计算：

Mcom=TF（P-b）-Mcmaxsin0

式中，P一悬点载荷；

^—抽油机结构不平衡重；（抽油机基础数据中有）

Wcb一平衡块重量，N；

芥一扭矩因数；（悬点位移对角速度的变化率）

a、b—游梁前臂和后臂的长度，m；

c一游梁平衡重心至游梁支点的距离，m；

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

MCOM=WcbR+WCRC

W—曲柄重；

R一曲柄平衡半径，即从曲柄轴心至平衡块重心'之距离；

Rc一曲柄重心、半径，即曲柄轴心、至曲柄重心、之距离。

扭矩因数的计算

方法一：

悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩与悬点载荷的比值。

TF-arsinp

b

方法二：

—=£sina

bsmp

对b、J及连杆L和J、K及曲柄半径r构成的两个三角形分别应用余弦定理可得：

n_Yb2L2-k2-PA-cos（^+^0）

o=cos

2bL

b一游梁后臂b与连杆L之间的夹角（b<180°，故sinb总为正值）；

L一连杆有效长度（横梁轴中心到曲柄销中心的距离）；

k—曲柄轴中心到游梁轴中心的距离；

6—观察时井口在左侧，从12点钟位置算起，曲柄按顺时针方向旋转的转

角；

60—K和12点钟位置的夹角

I一游梁轴中心到曲柄轴中心的水平距离；

H一游梁轴中心到底盘底部的距离；

|化=360°-[/J+W+（#+《口）]

式中 oc一连杆£和曲柄广之夹角，按顺时针方向算起，从『到E;

叫一8和£之间的夹角，v=K+p:

K—和E之间的夹角，K=sm-（籍丹；

J—曲柄销中心到游梁轴承中心之间的距离，J=（乎十^-君况押严；

P—/和武之间的夹角.

.一1「曲附+腐）一

P=Sill

上、下冲程峰值扭矩为上、下冲程中扭矩因数最大时的值。

扭矩曲线的绘制（横坐标：曲柄转角，纵坐标：扭矩，中为曲柄转角）

根据上、下冲程不同时间点的中值，载荷值，可计算得到扭矩值，利用这些值，绘制扭矩曲线。

若上冲程峰值扭矩大于下冲程峰值扭矩，则上重下轻，平衡不够；反之平衡过重。

②不平衡时的调节公式:

AR=———max上 max下

W（sin甲一sin平下）

式中，AR一平衡块调整的位移量，m；当AR为正时，平衡块位置向外移动，反之，相内移动；

T

max上一上冲程峰值扭矩，N*m；

T

max下一下冲程峰值扭矩，N・m；

W一一，一

cb—平衡块重，N；中上一上冲程峰值扭矩时的曲柄转角，，中下一下冲程峰值扭矩时的曲柄转角,

其它厂家的软件界面（可参考）

通过抽油机井平衡状态监测，利用红绿黄色块分别表示平衡状态非常差、平衡状

态好、平衡状态差，以便方便地根据抽油机平衡状态，有针对性地进行了平衡调

节。（若要实现平衡状态监测，必须首先计算每口井的平衡率）

下图的界面中，在数据表中，显示出油井名称、抽油机类型等基础数据。

3.平衡调整效果的预测

电动机如果不过载，在供电电压U(单位是伏y)稳定的情况下，其无功功率变化很小，可以认为平衡调整前后无功功率Q(()不变。

有功功率P(t)按式(1)预测，式(1)中P(t)源是平衡调整前的功率曲线值：

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)

待定常数:

=TjTP(t)dt

=TjTP(t)cos(n①t)dt)

=1jTP(t)sin(n①t)dt

T0

视在功率S(t)按式(2)预测：

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

电机电流1(()按式(3)预测：

1000*S(t)

I(t)= =

罚*U

电机功率均方根值Pf可按式(4)预测，式中Pf源是平衡调整之前的电机功率均方根值：

P=/2+1£a2+1£b2

fV0 2n2n

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

n=1 n=2

: 1-

Pf=C-2b1 (4)

4、双驴头抽油机平衡调整

调整平衡可根据下述三个原则之一进行。

使上、下冲程电动机做功相等。

使上、下冲程中减速器曲柄轴的最大净扭矩相等。

使减速器曲柄轴瞬时切线力与平均切线力的偏差平方和最小。

当抽油机在不平衡状态下工作时，可根据测出的油井示功图，利用“光杆位置和扭矩因数表”提供的