蘇北油田低產(chǎn)低效井節(jié)能變頻柜應(yīng)用研究

蘆超（中石化華東石油分公司采油廠）

引言

目前，在蘇北油田的400 余口采油井上，大多采用游梁式抽油機(jī)結(jié)合管式泵生產(chǎn)。此生產(chǎn)工藝雖然簡單可靠，操作方便，綜合成本可以接受；但是由于存在交變載荷導(dǎo)致功率不穩(wěn)定、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，而正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)功率過剩和供液不足時(shí)產(chǎn)生液擊、空抽等問題，造成機(jī)采系統(tǒng)效率較低，能耗高。薛國鋒、 王立杰等[1]（2009年）提出數(shù)控化智能間抽系統(tǒng)可以解決這一問題。主要原理是，油井進(jìn)入供液不足的狀態(tài)時(shí)，抽油機(jī)自動(dòng)停機(jī)，待動(dòng)液面恢復(fù)到一定位置之后，再啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。但實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)因無人值守起停機(jī)帶來的風(fēng)險(xiǎn)及其一系列安全管理問題而無法推廣。杜紅勇、安蓉、齊光峰等[2]（2010年）提出永磁同步電動(dòng)機(jī)在2 min-1左右時(shí)節(jié)能效果明顯。隨著蘇北油田開發(fā)程度的加大，此問題因地層產(chǎn)液遞減而進(jìn)一步加劇，沖速2 min-1已經(jīng)無法滿足需要。吉效科、許麗、茍永偉等[3]（2014年）提出智能提撈式抽油機(jī)技術(shù)，通過柔性抽油桿、改良后的抽汲工具和數(shù)控井下壓力監(jiān)測系統(tǒng)解決了無人值守的問題，這是一種很好的解決辦法，但需要將整套游梁式抽油機(jī)采油系統(tǒng)替換掉，改造成本高。劉京、張勝林、黃紅星[4]（2013年）針對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)化提出柔性節(jié)能技術(shù)。張忠民[5]（2015年）提出抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)，可以自動(dòng)切換星型接法和三角接法，用電子數(shù)控方式優(yōu)化電動(dòng)機(jī)工作，有一定的節(jié)能效果。

針對(duì)蘇北油田的問題，綜合了目前應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀難點(diǎn)和重點(diǎn)，引進(jìn)變頻技術(shù)，采用降低沖速和優(yōu)化電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方式，達(dá)到了節(jié)能提效的目的。

1 變頻技術(shù)節(jié)能原理

彭躍輝[6]（2013年）提出變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變頻控制系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，變頻控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模塊、電動(dòng)機(jī)控制模塊三部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊通過在機(jī)械采油系統(tǒng)上加裝載荷、角位移、溫度、壓力等傳感器，將生產(chǎn)信息收集起來，再通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模塊上傳至服務(wù)器。電動(dòng)機(jī)參數(shù)由手動(dòng)設(shè)定或服務(wù)器自動(dòng)匹配后通過網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸給電動(dòng)機(jī)控制模塊，接收到電參數(shù)的電動(dòng)機(jī)控制模塊會(huì)確定一個(gè)工作制度，然后“學(xué)習(xí)”電動(dòng)機(jī)的用電情況，根據(jù)功率需求的周期性規(guī)律設(shè)計(jì)出程序化的電功率與轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并通過編碼器和變頻器來實(shí)現(xiàn)功率和轉(zhuǎn)速控制。

1.1 生產(chǎn)難點(diǎn)及對(duì)策

蘇北油田低產(chǎn)低效井面臨的節(jié)能難題主要有參數(shù)不匹配、運(yùn)行需優(yōu)化、自動(dòng)化管理等。

1）參數(shù)不匹配。按照目前的游梁式抽油機(jī)和管式泵組合，現(xiàn)有工藝允許的最低的理論排量為8.33 m3/d，而產(chǎn)液量在5 t 以下的井很多，機(jī)抽參數(shù)不匹配，又因?yàn)橛唾|(zhì)差等原因不能間抽，需要進(jìn)一步降低理論排量。

2）運(yùn)行需優(yōu)化。在蘇北油田上普遍使用三相異步雙速電動(dòng)機(jī)，其功率因數(shù)低，“倒發(fā)電”嚴(yán)重，并且沒有運(yùn)行在高效區(qū)間，有功、無功損耗大。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和平時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩相差大，導(dǎo)致其利用率低，且啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)有沖擊，需要優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)方式。

3）自動(dòng)化管理。蘇北油田為小斷塊油田，油井分布零散，對(duì)油井進(jìn)行調(diào)參、維護(hù)的人工成本高，需要進(jìn)行數(shù)控化和自動(dòng)化管理。

1.2 變頻節(jié)能原理

用于蘇北油田上的異步電動(dòng)機(jī)又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電動(dòng)機(jī)。

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式求得：

式中：n 為轉(zhuǎn)速，r/min；f 為電動(dòng)機(jī)頻率，Hz；s 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，無量綱；p 為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，無量綱。由式（1）可知，由于s 和p 為電動(dòng)機(jī)性能常數(shù)，所以頻率與轉(zhuǎn)速n 為正比例關(guān)系。

管式泵是利用抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)所驅(qū)動(dòng)的柱塞式抽油泵中常用的一類。

管式泵理論排量可由下式求得：

式中：Qt為理論排量，m3/d；Ap為活塞有效橫截面積，m2；S 為沖程，m；n 為沖速，min-1。由式（2）可知，由于Ap和S 分別為泵和抽油機(jī)的性能常數(shù)，而且已經(jīng)無法繼續(xù)減少，所以轉(zhuǎn)速n 與Qt為正比例關(guān)系。

變頻技術(shù)與傳統(tǒng)的皮帶輪調(diào)節(jié)不同，可以直接進(jìn)行精密而直觀的沖速調(diào)節(jié)，并且具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）解決生產(chǎn)參數(shù)匹配問題。針對(duì)理論排量過大，通過降頻來降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)讓抽油機(jī)以小于1.0 r/min 的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，使其理論排量直接與供液能力相匹配，解決供液不足的問題。

2）優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。針對(duì)抽油機(jī)“倒發(fā)電”，電動(dòng)機(jī)控制模塊記錄電動(dòng)機(jī)的用電行為，設(shè)計(jì)出動(dòng)態(tài)化控制電動(dòng)機(jī)輸出功率的程序，以匹配任意時(shí)間段的功率需求，達(dá)到節(jié)能的目的。

3）保護(hù)電網(wǎng)降低裝機(jī)容量。針對(duì)電網(wǎng)沖擊和裝機(jī)容量問題，利用變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，降低抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊作用，同時(shí)使裝機(jī)容量較傳統(tǒng)啟動(dòng)方式大大降低。

4）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊，可以自動(dòng)完成適應(yīng)生產(chǎn)情況變化的機(jī)抽參數(shù)設(shè)計(jì)，節(jié)約人工成本的同時(shí)提高生產(chǎn)效率，降低能耗。

上述四大優(yōu)勢(shì)說明，該技術(shù)可以解決蘇北油田低產(chǎn)低效井的節(jié)能難題。

2 現(xiàn)場應(yīng)用

由于變頻控制柜與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)暫無法交換數(shù)據(jù)，選用對(duì)比示功圖調(diào)節(jié)頻率的方法進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)測試其穩(wěn)定狀態(tài)下的電功率，以分析節(jié)能效果。使用HIOKI 3169 測試儀測試有功功率，采用井口標(biāo)定產(chǎn)量，通過遠(yuǎn)傳系統(tǒng)監(jiān)控示功圖。

S1-2 井的平均日產(chǎn)液為1.02 t，含水8%，目前泵掛在1 599.5 m，理論排量14.69 m3/d，實(shí)驗(yàn)前泵效僅7.98%，功率6.26 kW，常開（日耗電量150 kWh）。使用變頻器進(jìn)行優(yōu)化前后，單井生產(chǎn)和電參數(shù)情況對(duì)比見表1。

表1 S1-2 井節(jié)能變頻柜現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1 可知，不改變生產(chǎn)參數(shù)的情況下，僅安裝變頻控制柜，有功功率由6.26 kW 下降至5.2 kW，節(jié)能17%。

在S1-2 井日產(chǎn)量穩(wěn)定不降的前提下，先將沖速調(diào)至1.5 min-1，有效改善供液情況，后隨著示功圖變化將沖速逐漸下調(diào)至0.42 min-1，功率從6.26 kW下降至1.55 kW，節(jié)能比率高達(dá)75%。同時(shí)泵效提升到70%，基本完成生產(chǎn)參數(shù)的匹配，達(dá)到科學(xué)節(jié)能生產(chǎn)的要求。

S1-2 井實(shí)驗(yàn)期間系統(tǒng)效率隨沖速變化情況，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)效率隨沖速變化示意圖

由圖2 可知，隨著沖速的降低，耗電量也明顯減少，泵效、系統(tǒng)效率逐漸提高。

為了比較節(jié)能效果與供液能力的相關(guān)性，選取輕微供液不足的G3-3 井，其平均日產(chǎn)液為8.64 t，含水60%，目前泵掛在1951 m，理論排量14.58 m3/d，實(shí)驗(yàn)前泵效62.72%，功率5.94 kW，日耗電量159 kWh 。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 G3-3 井節(jié)能變頻柜現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)

G3-3 井實(shí)驗(yàn)期間系統(tǒng)效率隨沖速變化情況，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)效率隨沖速變化示意圖

使用變頻器進(jìn)行優(yōu)化后，沖速由3 min-1下降到2.4 min-1，泵效上升至80.3%，日耗電從159 kWh 下降到113 kWh，約節(jié)能28%。該井裝機(jī)3 天即達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

目前采用的變頻控制系統(tǒng)成本約為35 000 元。對(duì)應(yīng)S1-2 井試驗(yàn)結(jié)果可知，以電費(fèi)平均0.8 元/kWh來計(jì)算，每日節(jié)約電費(fèi)90 元，年節(jié)約電費(fèi)32 850元，且不影響產(chǎn)量。僅1年多就可以收回成本，其經(jīng)濟(jì)效益顯而易見。在對(duì)輕微供液不足的G3-3 井進(jìn)行測試獲得的節(jié)能比率僅為28%，日節(jié)電46 kWh。比較后可以看出，變頻控制系統(tǒng)的最佳使用對(duì)象是供液嚴(yán)重不足的油井。

4 結(jié)論和建議

應(yīng)用節(jié)能變頻技術(shù)可以解決油井供液不足、低產(chǎn)低效的問題。此技術(shù)成本低，見效快，同時(shí)具備安全可靠的性能。如果該技術(shù)應(yīng)用于油井機(jī)抽試油，可以達(dá)到精確評(píng)估油井產(chǎn)能的目的；與示功圖監(jiān)控系統(tǒng)合作完成自動(dòng)化測試，為后期的區(qū)塊開發(fā)和工程、工藝設(shè)計(jì)提供快速、準(zhǔn)確的資料。

[1]薛國鋒,王立杰,屈艷飛,等.新型實(shí)時(shí)智能間抽控制儀研究與應(yīng)用[J].特種油氣藏,2009,16(1):99-101.

[2]杜紅勇,安蓉,齊光峰,等.抽油機(jī)用節(jié)能電動(dòng)機(jī)綜合對(duì)比測試[J].節(jié)能,2010(5):56-58.

[3]吉效科,許麗,茍永偉,等.智能提撈式抽油機(jī)的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)[J].石油機(jī)械,2014,42(6):91-94.

[4]劉京,張勝林,黃紅星.游梁式抽油機(jī)柔性運(yùn)行節(jié)能技術(shù)應(yīng)用研究[J].石油石化節(jié)能,2013(4):33-34.

[5]張忠民.油田抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能,2015(1):33-34.

[6]彭躍輝.數(shù)字化抽油機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的研究[D].西安:西安工程大學(xué),2013.