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摘要：针对长庆油田大量常规抽油机未实现数字化的问题，开展了基于泵功图诊断的自动调冲次技术和基于电功率法的自动调平衡技术攻关，研发了具有自动调参（冲次和平衡）功能的抽油机自动调平衡与控制节能装置，实现了在用常规抽油机数字化升级改造，达到了节能降耗，提高机采系统效率的目的。
关键词：泵功图诊断 智能调参 平衡调节 数字化改造
1.引言
长庆油田是典型的“三低”油田，随着超低渗区块的规模开发，产液量逐年降低，油井供排失调，机采系统效率偏低、能耗高，主要的采油设备为游梁式抽油机。截至2013年底，长庆油田共有油井48733口，平均单井产液量仅有3.73m3，系统效率21.1%。据统计机采系统的耗电量占油田总耗电量的64%，是油田的主要耗能大户。
目前，人工调节冲次和平衡的方式，费时费力，无法根据油井工况变化及时调整。针对上述问题，长庆油田公司设计研发了冲次和平衡随油井工况自动调节的数字化抽油机，已在油田推广应用13002台，对低渗透油田的开发具有重要的意义。然而现场大量在用的常规抽油机如何实现数字化升级是急待解决的问题。
2.技术原理
借鉴数字化抽油机的设计思路，依托油田数字化平台，开展了基于泵功图诊断的自动调冲次和基于电功率法的自动调平衡技术攻关，研发了具有自动调参（冲次和平衡）功能的抽油机自动调平衡与控制节能装置，实现了在用常规抽油机数字化升级改造，达到了提高效率、节能降耗的目的。
2.1抽油机数字化控制技术
依托油田数字化平台，开展了抽油机自动调参技术研究，研发了自动调冲次和自动调平衡控制模块，通过PLC和网络通信技术实现了油井工况实时分析诊断，达到运行参数动态调整的目的。为优化油井工作参数、提高系统效率提供了技术依据。
1）抽油机自动调冲次技术
针对人工调冲次方式效率低、强度大、滞后性的问题，研究应用泵功图诊断技术，通过载荷和位移传感器，实时获取抽油机的地面示功图，根据Gibbs波动方程[1]计算井下泵示功图，提取油井的泵功图特征，实时分析有效冲程SPE和诊断抽油机的运行工况，智能控制电路根据自学习诊断优化结果，实时自动调整抽油机运行冲次，实现抽油机的闭环控制。在保证产液量的前提下，使抽油机在最优生产参数下运行，有针对性的提高油井系统效率，提升油井数字化管理水平[2]。
2） 游梁式抽油机自动调平衡技术
针对人工调平衡费时费力、效率低、无法及时调整的问题，采用电功率平衡法（Q/SY 1233-2009），根据力矩平衡原理，通过电能监测模块，实时地获取抽油机的上、下冲程的电流及电功率，运算控制电路根据电功率法计算得到抽油机的平衡度，找出油井的不平衡性程度，适当微调具有正、反转特性的伺服电机进行旋转，通过改变配重的平衡力臂，使平衡扭矩变化曲线最大限度地吻合负载扭矩曲线，从而得到平稳、低峰值的净扭矩曲线，使抽油机达到相对平衡的状态[4]。
3） 针对人工调平衡费时费力、效率低、无法及时调整的问题，采用电功率平衡法（Q/SY 1233-2009），根据力矩平衡原理，通过电能监测模块，实时地获取抽油机的上、下冲程的电流及电功率，运算控制电路根据电功率法计算得到抽油机的平衡度，找出油井的不平衡性程度，适当微调具有正、反转特性的伺服电机进行旋转，通过改变配重的平衡力臂，使平衡扭矩变化曲线最大限度地吻合负载扭矩曲线，从而得到平稳、低峰值的净扭矩曲线，使抽油机达到相对平衡的状态[4]。
2.2抽油机自动调参执行机构
抽油机自动调参执行机构分为调冲次和调平衡两部分。
矢量控制变频器接收自动调冲次模块的控制指令，实时调整电机转速从而改变抽油机的运行冲次，实现抽油机的闭环控制。
调平衡机械执行装置接收自动调平衡模块的控制指令，通过一对扇形齿轮和齿条啮合将电机的旋转运动转化为平衡箱的直线运动，使抽油机平衡配重力臂长短发生变化，从而实现抽油机平衡度的自动调整。
3.节能效果
装置研发成功后，在x-x井进行现场试验并进行节能效果跟踪测试。
表1 x-x井组节能效果对比数据表
状态 有功
功率（kW） 无功功率（kVar） 功率因数 电流（A） 电压（V） 日耗电（kWh） 有功节电率% 无功节电率% 综合节电率%
A相 B相 C相 A相 B相 C相
应用前 9.78 42.13 0.24 66.3 66.9 67.5 222 221 222 234.72 25.66 96.75 32.32
应用后 7.27 1.37 0.98 4.4 4.3 4.9 220 220 220 174.48
差值 -2.51 -40.76 0.74 -61.9 -62.6 -62.6 -2 -1 -2 60.24
从上表对比可以看出x-x井应用抽油机自动调平衡与控制节能装置后日耗电量由234.72kW·h下降为174.48kW·h，日节电60.24kW·h，综合节电率为32.32%。
应用后x-x井三相电流由25.5A降低到10.5A；有功功率由3.49kW降低到2.76kW；无功功率由8.48kVar降低到0.42kVar；功率因数由0.38提高到0.99；而且消除了负功；冲次由3.7 次/分降低到2.1 次/分；日耗电量由75.12kW.h降低到58.79kW.h；系统效率由14.68%提高到18.35%。
4.经济效益
抽油机自动调平衡与控制节能装置适应电压范围宽（330V～450V），应用后电机功率因数由0.4提高到平均0.9以上，实现了抽油机自动调参功能，综合节电率达25%。经测试，单井日节电35kW·h，每年按350天计算，年节电12250每度kW·h，每度电按0.8元计算，则单井年节约费用：35×350×0.8=9800元。
如果对长庆油田30000多台常规抽油机急进行数字化升级改造，则预计年节电36750万度，折合标煤122745吨，减少碳排放303180吨。为长庆油田节能降耗和低成本运行提供了有效的技术支撑，对国内外同类油田节能有一定的指导作用。
5.结论与认识
1）抽油机自动调平衡与控制节能装置实现了常规抽油机运行冲次和平衡度的实时判定与自动调整。
2）形成了常规抽油机数字化升级改造系统，为现场大量的常规抽油机实现数字化升级找到了出路，是长庆油田实现数字化井場的重要组成部分。
3）减轻了一线员工的劳动强度，降低了安全风险，提高了管理水平和生产效率。
关键词：泵功图诊断 智能调参 平衡调节 数字化改造
1.引言
长庆油田是典型的“三低”油田，随着超低渗区块的规模开发，产液量逐年降低，油井供排失调，机采系统效率偏低、能耗高，主要的采油设备为游梁式抽油机。截至2013年底，长庆油田共有油井48733口，平均单井产液量仅有3.73m3，系统效率21.1%。据统计机采系统的耗电量占油田总耗电量的64%，是油田的主要耗能大户。
目前，人工调节冲次和平衡的方式，费时费力，无法根据油井工况变化及时调整。针对上述问题，长庆油田公司设计研发了冲次和平衡随油井工况自动调节的数字化抽油机，已在油田推广应用13002台，对低渗透油田的开发具有重要的意义。然而现场大量在用的常规抽油机如何实现数字化升级是急待解决的问题。
2.技术原理
借鉴数字化抽油机的设计思路，依托油田数字化平台，开展了基于泵功图诊断的自动调冲次和基于电功率法的自动调平衡技术攻关，研发了具有自动调参（冲次和平衡）功能的抽油机自动调平衡与控制节能装置，实现了在用常规抽油机数字化升级改造，达到了提高效率、节能降耗的目的。
2.1抽油机数字化控制技术
依托油田数字化平台，开展了抽油机自动调参技术研究，研发了自动调冲次和自动调平衡控制模块，通过PLC和网络通信技术实现了油井工况实时分析诊断，达到运行参数动态调整的目的。为优化油井工作参数、提高系统效率提供了技术依据。
1）抽油机自动调冲次技术
针对人工调冲次方式效率低、强度大、滞后性的问题，研究应用泵功图诊断技术，通过载荷和位移传感器，实时获取抽油机的地面示功图，根据Gibbs波动方程[1]计算井下泵示功图，提取油井的泵功图特征，实时分析有效冲程SPE和诊断抽油机的运行工况，智能控制电路根据自学习诊断优化结果，实时自动调整抽油机运行冲次，实现抽油机的闭环控制。在保证产液量的前提下，使抽油机在最优生产参数下运行，有针对性的提高油井系统效率，提升油井数字化管理水平[2]。
2） 游梁式抽油机自动调平衡技术
针对人工调平衡费时费力、效率低、无法及时调整的问题，采用电功率平衡法（Q/SY 1233-2009），根据力矩平衡原理，通过电能监测模块，实时地获取抽油机的上、下冲程的电流及电功率，运算控制电路根据电功率法计算得到抽油机的平衡度，找出油井的不平衡性程度，适当微调具有正、反转特性的伺服电机进行旋转，通过改变配重的平衡力臂，使平衡扭矩变化曲线最大限度地吻合负载扭矩曲线，从而得到平稳、低峰值的净扭矩曲线，使抽油机达到相对平衡的状态[4]。
3） 针对人工调平衡费时费力、效率低、无法及时调整的问题，采用电功率平衡法（Q/SY 1233-2009），根据力矩平衡原理，通过电能监测模块，实时地获取抽油机的上、下冲程的电流及电功率，运算控制电路根据电功率法计算得到抽油机的平衡度，找出油井的不平衡性程度，适当微调具有正、反转特性的伺服电机进行旋转，通过改变配重的平衡力臂，使平衡扭矩变化曲线最大限度地吻合负载扭矩曲线，从而得到平稳、低峰值的净扭矩曲线，使抽油机达到相对平衡的状态[4]。
2.2抽油机自动调参执行机构
抽油机自动调参执行机构分为调冲次和调平衡两部分。
矢量控制变频器接收自动调冲次模块的控制指令，实时调整电机转速从而改变抽油机的运行冲次，实现抽油机的闭环控制。
调平衡机械执行装置接收自动调平衡模块的控制指令，通过一对扇形齿轮和齿条啮合将电机的旋转运动转化为平衡箱的直线运动，使抽油机平衡配重力臂长短发生变化，从而实现抽油机平衡度的自动调整。
3.节能效果
装置研发成功后，在x-x井进行现场试验并进行节能效果跟踪测试。
表1 x-x井组节能效果对比数据表
状态 有功
功率（kW） 无功功率（kVar） 功率因数 电流（A） 电压（V） 日耗电（kWh） 有功节电率% 无功节电率% 综合节电率%
A相 B相 C相 A相 B相 C相
应用前 9.78 42.13 0.24 66.3 66.9 67.5 222 221 222 234.72 25.66 96.75 32.32
应用后 7.27 1.37 0.98 4.4 4.3 4.9 220 220 220 174.48
差值 -2.51 -40.76 0.74 -61.9 -62.6 -62.6 -2 -1 -2 60.24
从上表对比可以看出x-x井应用抽油机自动调平衡与控制节能装置后日耗电量由234.72kW·h下降为174.48kW·h，日节电60.24kW·h，综合节电率为32.32%。
应用后x-x井三相电流由25.5A降低到10.5A；有功功率由3.49kW降低到2.76kW；无功功率由8.48kVar降低到0.42kVar；功率因数由0.38提高到0.99；而且消除了负功；冲次由3.7 次/分降低到2.1 次/分；日耗电量由75.12kW.h降低到58.79kW.h；系统效率由14.68%提高到18.35%。
4.经济效益
抽油机自动调平衡与控制节能装置适应电压范围宽（330V～450V），应用后电机功率因数由0.4提高到平均0.9以上，实现了抽油机自动调参功能，综合节电率达25%。经测试，单井日节电35kW·h，每年按350天计算，年节电12250每度kW·h，每度电按0.8元计算，则单井年节约费用：35×350×0.8=9800元。
如果对长庆油田30000多台常规抽油机急进行数字化升级改造，则预计年节电36750万度，折合标煤122745吨，减少碳排放303180吨。为长庆油田节能降耗和低成本运行提供了有效的技术支撑，对国内外同类油田节能有一定的指导作用。
5.结论与认识
1）抽油机自动调平衡与控制节能装置实现了常规抽油机运行冲次和平衡度的实时判定与自动调整。
2）形成了常规抽油机数字化升级改造系统，为现场大量的常规抽油机实现数字化升级找到了出路，是长庆油田实现数字化井場的重要组成部分。
3）减轻了一线员工的劳动强度，降低了安全风险，提高了管理水平和生产效率。