抽油機(jī)變速驅(qū)動與控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭福東，樊 靈，鞏宏亮，孫春龍

(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

抽油機(jī)變速驅(qū)動與控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

郭福東1，樊 靈1，鞏宏亮2，孫春龍2

(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

游梁式抽油機(jī)在運(yùn)行時，系統(tǒng)效率低、能量浪費(fèi)嚴(yán)重。抽油機(jī)變速驅(qū)動與控制技術(shù)作為近年來應(yīng)用于游梁式抽油機(jī)較先進(jìn)的節(jié)能降耗技術(shù)，能夠根據(jù)油井供液能力的大小以及系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，智能控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)油井的供采平衡，節(jié)約能耗。變速驅(qū)動技術(shù)按照作用范圍的不同，分為宏觀變速驅(qū)動和微觀變速驅(qū)動技術(shù)2大類。闡述了宏觀變速驅(qū)動技術(shù)基于懸點(diǎn)示功圖、動液面深度2種智能調(diào)速控制方案的設(shè)計原理與技術(shù)特點(diǎn)；分析了微觀變速驅(qū)動技術(shù)的節(jié)能機(jī)理。

游梁式抽油機(jī)；變速驅(qū)動；智能控制；節(jié)能降耗

隨著油田開發(fā)進(jìn)入中后期，地層的能量逐漸下降，極易出現(xiàn)油井開采速度大于地層供液能力的情況，此時，過快的抽汲速度并沒有帶來產(chǎn)量的提高，卻浪費(fèi)了大量能量，系統(tǒng)效率降低；同時，由于井下供液能力不足，造成井下抽油泵的充滿程度較低，當(dāng)柱塞上行時，泵筒不能被液體完全充滿，游動閥到泵內(nèi)流體液面的這段空間內(nèi)將形成一個低壓區(qū)。在下沖程過程中，游動閥在低壓區(qū)無法打開，當(dāng)遇到泵內(nèi)流體后，游動閥迅速打開，載荷從抽油桿柱轉(zhuǎn)移到油管柱上并產(chǎn)生液擊現(xiàn)象[1]。液擊的產(chǎn)生會給系統(tǒng)帶來強(qiáng)烈的振動波，增加懸點(diǎn)的附加動載系數(shù)，有時能達(dá)到30%以上[2]，使系統(tǒng)壽命降低，能耗增加。

變速驅(qū)動技術(shù)在原油集輸、供水、采暖供熱等領(lǐng)域都取得了較好的節(jié)能效果，極大地改善了系統(tǒng)的供需平衡狀況[3]。

針對這一情況，國內(nèi)外學(xué)者提出將變速驅(qū)動技術(shù)運(yùn)用到抽油系統(tǒng)上，以協(xié)調(diào)油井的供液能力，降低抽油桿柱的載荷大小及應(yīng)力波動，減少油田運(yùn)行過程中的維修費(fèi)用以及用電費(fèi)用等。

1 抽油機(jī)變速驅(qū)動技術(shù)

從變速的作用范圍來看，可以將變速驅(qū)動技術(shù)分為宏觀變速驅(qū)動和微觀變速驅(qū)動2大類。

1.1 宏觀變速驅(qū)動

該變速驅(qū)動技術(shù)主要從沖次層面上對油井抽汲速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在抽油機(jī)井中，沖次反映的是柱塞平均每分鐘完成一個完整的上下往復(fù)運(yùn)動的次數(shù)，表征的是整個系統(tǒng)運(yùn)行的平均運(yùn)動速度。沖次提高，電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速、曲柄的平均角速度以及抽油泵的平均抽汲速度等也會隨之提高。抽油機(jī)變速驅(qū)動技術(shù)在發(fā)展初期，主要是通過調(diào)節(jié)抽油機(jī)井的沖次來實(shí)現(xiàn)供采平衡的。由于沖次描述的是一個周期系統(tǒng)整體的運(yùn)行快慢，是個宏觀物理量，所以此時以調(diào)節(jié)沖次為基礎(chǔ)的變速驅(qū)動技術(shù)又稱為抽油機(jī)宏觀變速驅(qū)動技術(shù)。

1.2 微觀變速驅(qū)動

該變速驅(qū)動技術(shù)將沖次不斷細(xì)化，在保證整體沖次基本不變的前提下，深入到?jīng)_次周期內(nèi)每一時間點(diǎn)的系統(tǒng)抽汲速度，通過改變一個周期內(nèi)電機(jī)速度的分布剖面，對抽油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)。在油井的生產(chǎn)狀況、地層供液能力不變的情況下，針對特定的預(yù)期目標(biāo)，例如產(chǎn)量提高或能耗降低，理論上一個周期內(nèi)每一時間點(diǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速都有一個最優(yōu)值，抽油機(jī)微觀變速驅(qū)動與控制技術(shù)就是為了在不同油井條件下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 實(shí)現(xiàn)方式

根據(jù)變速原理的不同，抽油機(jī)變速驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)方式主要可以分為2種[4]。

1) 調(diào)壓調(diào)速。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時，電源電壓降低會使轉(zhuǎn)差率增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，利用異步電機(jī)的這種機(jī)械特性，通過改變電源電壓的大小對異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2) 變頻調(diào)速。根據(jù)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式，電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，通過改變電源頻率的大小可調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 宏觀變速驅(qū)動技術(shù)

抽油機(jī)宏觀變速驅(qū)動技術(shù)主要針對于泵充滿度不高的抽油機(jī)井，通過調(diào)節(jié)沖次，使泵的充滿程度維持在一定的理想范圍內(nèi)。由于泵充滿度無法在地面直接測量，所以采用智能控制技術(shù)，其工作原理是通過分析一些可測量動態(tài)參數(shù)與泵充滿程度的關(guān)系，間接判斷泵充滿度的大小，進(jìn)而進(jìn)行小幅度的調(diào)節(jié)，再依據(jù)這些動態(tài)參數(shù)的反饋信息作為下一周期變速控制的依據(jù)。

主要動態(tài)參數(shù)為懸點(diǎn)示功圖以及動液面深度。根據(jù)動態(tài)參數(shù)的不同，將基于沖次調(diào)節(jié)的智能控制技術(shù)分成以下2類。

2.1 基于懸點(diǎn)示功圖的沖次智能控制

2.1.1 判斷依據(jù)

懸點(diǎn)示功圖反映的是抽油桿柱在懸點(diǎn)位置所受載荷與懸點(diǎn)位移的對應(yīng)關(guān)系，隨著泵充滿程度的不同，抽油桿柱所受的載荷的大小也不一樣。通過分析懸點(diǎn)示功圖的形狀，可以判斷該工況下泵的充滿程度。

典型的泵充不滿的懸點(diǎn)示功圖如圖1所示。由于泵內(nèi)供液不足，導(dǎo)致下沖程開始后泵內(nèi)壓力基本不變，游動閥無法及時打開，造成卸載延遲[5]。通過計算AD′與AD的比值或者ABCD′A圍成的面積與ABCDA圍成的面積的比值可以判斷泵充滿程度的大小[6]。

圖1 典型的充不滿的懸點(diǎn)示功圖曲線

2.1.2 控制流程

提高抽油機(jī)沖次后，AD′的長度或者ABCD′A圍成的面積沒有降低，則說明此時井內(nèi)供液充足，沖次仍有提高的空間；如果降低沖次后，AD′的長度或者ABCD′A圍成的面積沒有增加，則說明此時懸點(diǎn)示功圖已經(jīng)非常飽滿，不需要再降低沖次來提高泵的充滿程度。

2.1.3 技術(shù)特點(diǎn)

1) 需要安裝動力示功儀測量懸點(diǎn)載荷與懸點(diǎn)位移的數(shù)據(jù)。

2) 可實(shí)現(xiàn)對泵充滿度的定量估計。

3) 傳感器的精確性和穩(wěn)定性直接影響變速驅(qū)動效果的好壞。

4) 示功圖面積或示功圖特征長度的計算可利用計算機(jī)完成，計算量小，且整個過程可實(shí)現(xiàn)實(shí)時變速控制。

2.2 基于動液面深度的沖次智能控制

2.2.1 判斷依據(jù)

該方法主要是通過直接或間接測量動液面深度，并根據(jù)下泵深度的大小來判斷井下供液情況，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井的變速運(yùn)行[7]。

根據(jù)動液面深度以及下泵深度的大小，推算出沉沒深度以及沉沒壓力(忽略油套環(huán)空中氣柱段的壓力)為

hs=L-Lf

(1)

(2)

而對于深井泵來說，泵的入口壓力一般低于流體的飽和壓力，在泵的抽汲過程中氣體容易析出，降低泵的充滿度，所以沉沒壓力的大小與泵的充滿程度有關(guān)。

(3)

(4)

式中：R為泵內(nèi)氣液比；K為余隙比；β為泵充滿程度；Rp為生產(chǎn)氣油比；Rs為溶解氣油比；fw為含水率。

隨著沖次的降低，泵的理論排量減小，動液面深度會隨之增加，沉沒壓力增大，氣體不易析出，泵內(nèi)氣液比會相應(yīng)降低，泵的充滿系數(shù)會逐漸增加。

2.2.2 控制流程

若動液面深度降低，可適當(dāng)降低沖次，提高泵的充滿程度，在維持產(chǎn)量不變的情況下降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)效率；若動液面深度增加，說明此時井下供液充足，泵的充滿程度較高，可適當(dāng)提高沖次，增加產(chǎn)量。

2.2.3 技術(shù)特點(diǎn)

1) 利用單聲道或雙聲道回聲儀可對動液面深度進(jìn)行實(shí)時測量[8]。

2) 該方法只能通過對比前后兩次動液面深度的變化對泵充滿度進(jìn)行定性分析。

3) 該方法需根據(jù)現(xiàn)場條件預(yù)先設(shè)定理想動液面深度值，通過實(shí)時測量值與該值的對比，實(shí)現(xiàn)智能控制。

3 抽油機(jī)井微觀變速驅(qū)動技術(shù)

微觀變速驅(qū)動技術(shù)主要是針對抽油機(jī)平衡狀況差，系統(tǒng)效率低，能耗大等問題，通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，降低轉(zhuǎn)矩波動以及能量損失。

3.1 節(jié)能機(jī)理

1) 通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以控制曲柄角速度的變化規(guī)律，并根據(jù)抽油機(jī)四連桿的幾何特點(diǎn)，可以得到光桿運(yùn)行速度與曲柄轉(zhuǎn)速的關(guān)系，即電機(jī)轉(zhuǎn)速會影響光桿的運(yùn)行規(guī)律。在上下沖程過程中光桿的“快提慢放”能減少漏失，提高泵效；“慢提快放”則能提高泵的充滿系數(shù)。

2) 與恒轉(zhuǎn)速驅(qū)動相比，變速驅(qū)動使抽油機(jī)的轉(zhuǎn)動部件產(chǎn)生慣性轉(zhuǎn)矩，合理利用慣性轉(zhuǎn)矩可以降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩的峰值及波動。

3) 電機(jī)功率是電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速的乘積，而常規(guī)的轉(zhuǎn)矩曲線為類似正弦曲線峰谷相夾的形狀，合理設(shè)計電機(jī)轉(zhuǎn)速，在載荷較大時使電機(jī)減速，避免高功率運(yùn)行；在載荷較小時使電機(jī)加速，避免電機(jī)反轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)“重載慢行，輕載快行”的效果。

3.2 研究進(jìn)展

與宏觀變速驅(qū)動技術(shù)改變沖次這一單一數(shù)值相比，抽油機(jī)井微觀變速驅(qū)動技術(shù)調(diào)節(jié)和優(yōu)化的是每一時間點(diǎn)的系統(tǒng)驅(qū)動速度，需要設(shè)計一個周期內(nèi)一系列電機(jī)轉(zhuǎn)速值，這就意味著微觀驅(qū)動技術(shù)更復(fù)雜，考慮的問題更系統(tǒng)。

目前主要的處理辦法就是建立系統(tǒng)仿真模型，對抽油系統(tǒng)主要部分的運(yùn)行動態(tài)進(jìn)行模擬，在達(dá)到一定模擬精度的基礎(chǔ)上，將微觀變速驅(qū)動的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為模型優(yōu)化的數(shù)學(xué)問題，以電機(jī)轉(zhuǎn)速為優(yōu)化對象，通過設(shè)立目標(biāo)函數(shù)及約束條件，選擇合適的優(yōu)化算法對問題進(jìn)行求解。考慮到傅里葉級數(shù)在描述周期性函數(shù)上的優(yōu)勢，在建立優(yōu)化對象時，大多采用傅里葉級數(shù)來表示一個周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。

例如，沈迪成等人采用網(wǎng)格優(yōu)化法，以周期性載荷系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，將曲柄角速度表示成三角級數(shù)的形式[9]；KrzysztofPalka采用迭代法，以產(chǎn)量為目標(biāo)函數(shù)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速表示成傅里立葉級數(shù)的形式，分別對該問題進(jìn)行了求解[10]；而董世民等人則以電機(jī)輸出功率的均方根為目標(biāo)函數(shù)，將電機(jī)頻率表示成傅里立葉級數(shù)的形式，采用罰函數(shù)法，計算得到了優(yōu)化后一個周期內(nèi)的電源頻率曲線[11]。

3.3 存在問題

該技術(shù)以機(jī)理模型為基礎(chǔ)，優(yōu)化過程中需要對懸點(diǎn)載荷進(jìn)行預(yù)測，描述抽油桿柱受力情況的模型主要為波動方程[12]，在計算時下邊界條件通常假設(shè)為典型的泵功圖曲線，而實(shí)際井下情況較為復(fù)雜，這樣的下邊界條件的假設(shè)就給仿真模型帶來了較大誤差，使得變速驅(qū)動效果不佳，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行狀況變差。

4 結(jié)論

1) 與傳感器技術(shù)的結(jié)合，提高了抽油機(jī)井變速驅(qū)動的智能化程度；通過測量變速驅(qū)動下動態(tài)特征參數(shù)的變化，構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)沖次的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

2) 抽油機(jī)井智能變速驅(qū)動技術(shù)的研究逐漸從宏觀狀態(tài)向微觀過程過渡，由沖次與泵充滿度的閉環(huán)控制逐漸深入到研究變速驅(qū)動對系統(tǒng)主要運(yùn)行過程的影響；調(diào)節(jié)的對象也從沖次轉(zhuǎn)變成周期內(nèi)每一時刻點(diǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3) 抽油機(jī)井井下狀況復(fù)雜，微觀變速驅(qū)動技術(shù)所建立的機(jī)理模型在一定程度上存在誤差，適應(yīng)性不足，結(jié)合反饋校正技術(shù)[13]，利用實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)定期對模型進(jìn)行修正。研究抽油機(jī)變速驅(qū)動的滾動優(yōu)化可在一定程度上提高微觀變速驅(qū)動技術(shù)的智能化程度。

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Research on Variable Speed Drive and Control of Beam-pumping Unit

GUO Fudong1，F(xiàn)AN Ling1，GONG Hongliang2，SUN Chunlong2

(1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Daqing Oil Production Engineering & Research Institute，Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daqing 163453，China)

Along with the decline of fluid supply capacity，there are some problems such as low system efficiency and serious energy waste when the beam-pumping unit is working.As the advanced energy-saving technique on beam-pumping unit，the variable speed drive (VSD) can control the motor rotate speed to balance the fluid supply and production，based on the system operation conditions.In the meanwhile，the full degree of pump can be improved and both the peak and fluctuation of the motor torque can be decreased.In this paper，the study on the variable speed drive technique is divided into two parts，in the macro level and in the micro level.In the first part，two types of design based on the polished rod diagram and the dynamic oil level relatively are discussed to achieve automatic control on frequency of stroke.Within the discussion，the main design principle and technical feature are put forward.In the second part，some recent findings on the variable speed drive technique in micro level are concluded including the energy saving mechanism and the existing problems at present.At last，it suggests that the variable speed drive technique will be developed towards more intelligent and elaborate.

beam-pumping unit；variable speed drive；intelligent control；energy-saving

1001-3482(2017)04-0016-04

2017-02-14

郭福東(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械采油系統(tǒng)動態(tài)仿真與運(yùn)行優(yōu)化，E-mail：11021116@s.upc.edu.cn。

TE933.1

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.005