游梁式抽油機“一拖多”轉子變頻調速技術的試驗應用

何先君 常彥榮 劉鐵 涂學萬 程遠義

（1.長慶油田分公司工程技術部；2.長慶油田分公司油田開發處；

3.超低滲透油藏第二項目部；4.湖北創新電氣有限公司）

游梁式抽油機“一拖多”轉子變頻調速技術的試驗應用

何先君1常彥榮2劉鐵3涂學萬3程遠義4

（1.長慶油田分公司工程技術部；2.長慶油田分公司油田開發處；

3.超低滲透油藏第二項目部；4.湖北創新電氣有限公司）

游梁式抽油機作為主要的采油設備在各大油田廣泛使用，隨著油田開發的不斷深入，油井產量降低、含水上升，機采設備能耗上升。另外，游梁式抽油機生產參數調整困難，無法實現油井生產的供排協調，導致抽油泵效及機采系統效率總體偏低。長慶油田采用游梁式抽油機與“一拖多”轉子變頻調速技術相結合的措施，在36個井組200余口油井上進行了試驗應用，降低了采油系統能耗，提高了機采系統效率。

游梁式抽油機一拖多變頻調速供排協調

游梁式抽油機結構簡單，可靠耐用，操作維修方便，作為主要的采油方式在國內外油田廣泛應用[1]。近年來，隨著低滲透、特低滲透、致密油藏的不斷開發，油井產量降低、含水量增加，機采設備能耗上升趨勢加快，機械采油系統出現諸多問題：泵效及機采系統效率總體偏低；生產參數調整困難，無法實現油井生產的供排協調；功率因數低，無功功率損耗大等。

目前，國內外游梁式抽油機節能方法、提高系統效率的方法種類繁多，然而這些方法只能提高某一方面或幾個方面的性能，不能綜合解決抽油機井存在的效率低和能耗高的問題。本文介紹一種變頻調速技術[2]，該技術與游梁式抽油機有機結合后，可根據地層實際供液能力，適時地進行變頻調速，實現了油井沖速的無級調速，最終達到了提高油井機采效率和降低能耗的目的[3]。

1 變頻調速技術

游梁式抽油機“一拖多”變頻調速技術是將轉子變頻調速技術與游梁式抽油機相結合，使用一套逆變裝置實現多臺電動機調速控制與能量回饋[4]，其中轉子變頻調速系統包括繞線式電動機、變頻裝置及逆變裝置。

游梁式抽油機配套的繞線電動機在定子接通電網50 Hz工頻交流電后，將電動機轉子側輸出的交流電通過整流器整流成直流，經過IGBT斬波器的占空比來改變電動機轉速，調速過程中產生的轉差功率（額定輸入功率與變頻后轉子功率之差）與游梁式抽油機固有特性所產生的倒發電能通過逆變器逆變成與電網同頻同相的交流電回饋至電網，同時實現了各電動機的無級調速[5]。

該技術除具備生產參數調整方便、能夠實現油井的供排協調生產外，還具有以下特點：

1）繞線式電動機具有易于控制、啟動力矩大、過載能力強等特點，變頻運行后啟動電流大幅降低，因此電動機選型可適當降容。

2）能夠實現一個逆變器拖動多臺電動機“異步調速運行，同時進行能量回饋”的功能，特別適用于叢式井組。

3）節能降耗效果顯著，通過變頻調速能量回饋系統，實現系統中富余能量的回饋利用。

2 現場試驗

為全面落實國家節能減排工程，依托油田數字化管理平臺，探索單井智能調參與數字化管理模式，長慶油田進行了大量的機采系統的變頻調速技術研究與現場試驗。

2.1電動機降容

鼠籠式電動機過載能力為1.8倍，繞線式電動機過載能力為2.4～3倍，同級數電動機在工況一致時，計算表明鼠籠電動機的過載力矩與功率小一個等級的繞線電動機相當。同時，使用“一拖多”轉子變頻后，電動機啟動運行更平穩，對電網的沖擊更小，繞線式電動機變頻啟動電流沖擊倍數為1.05～1.47倍，遠低于鼠籠式電動機工頻啟動的7.03～9.38倍，因此繞線式電動機可在變頻調速的油井上降型使用，以提高電動機效率及功率利用率。

2.2變頻調速

現場抽樣驗證游梁式抽油機“一拖多”轉子變頻調速系統的調速性能，使用2.5次皮帶輪的調速范圍為0.81～3.04 min-1，3.5次皮帶輪調速范圍為0.84～3.87 min-1，5次皮帶輪調速范圍為0.96～5.74 min-1。使用變頻調速系統后，油井的理論排量為一個范圍，能在油井較長的生命周期內通過數字化平臺進行調整而不用進行皮帶輪的更換。

2.3系統節能

游梁式抽油機配套的電動機是整個采油系統中的能耗設備，電動機選型與電動機類型、傳動效率、減速箱輸出扭矩相關，如式（1）。

式中：

P——有功功率，kW；

n——沖速，min-1；

η——傳動效率，一般取0.9；

M——減速箱平均輸出扭矩，KN·m；

K——不同方法確定的比例系數，一般取0.6。

可以看出沖速與有功功率呈線性變化關系。現場測試顯示：當沖速下降，有功功率呈線性下降，沖速由2.9 min-1下降至0.6 min-1時，有功功率由9.7 kW降至5.1 kW，有功節電率達到47.32%。

2.4提高油井抽汲效率

根據油井實際的供液情況，為提高油井抽汲效率，沖速由4.7 min-1下降至1.38 min-1，抽油泵充滿程度明顯變好，泵效由9.9%提升至51.4%，油井供排關系得到明顯改善。

2.5改善系統電能品質

與鼠籠式電動機相比，使用轉子變頻系統的電動機功率因數有了大幅提高，電網的諧波畸變率小于《電能質量公用電網諧波》標準的5%。測試數據顯示，“一拖多”轉子變頻調速系統功率因數一般在0.9以上水平，平均為0.94；變頻運行后，總電壓諧波畸變率THD相對變化小于1%，絕對指標均小于國家標準，對電網無明顯不良影響。

3 應用效果評價

游梁式抽油機“一拖多”轉子變頻調速技術已在長慶油田擴大試驗36個井組200余口油井?，F場的測試數據顯示：有功節電率為18.3%，綜合節電率為24.6%，功率因數達到0.9以上，機采系統效率由16.6%提高到20.0%，泵效由36.2%提高到48.9%。此外，該系統還具有以下特點：

1）游梁式抽油機低沖速運行減少了偏磨及桿柱疲勞等造成的維修作業，能夠延長設備的使用壽命。

2）變頻調速實現了與油田數字化建設的融合，改變了目前油水井管理模式，提高了技術人員的工作效率。

3）按照每節約1 kWh電減少CO2排放0.997 kg的標準及單井20%的節電能力計算，長慶油田年節約電費支出近1.5億元，年減少CO2排放量23.9× 104t，節能減排的意義深遠。

4 結論

1）游梁式抽油機“一拖多”轉子變頻調速系統實現了對抽油機的遠程無級調速功能，沖速可在額定沖速與最低沖速之間任意調節并穩定運行。

2）該系統能夠較好地提升低滲透油藏抽油泵效和機采系統效率，通過參數優化運行后，試驗井組平均泵效由36.2%提高到48.9%，機采系統效率由16.6%提高到20%，效果明顯。

3）“一拖多”轉子變頻調速系統節電效果顯著，試驗井組平均有功節電率達18.3%，綜合節電率達24.6%，取到了較好的節能效果。

4）該系統具有軟啟動和啟動電流小等特點，提高了繞線式電動機功率利用率，諧波干擾遠小于原系統，功率因數大大提高，達到0.9以上。

[1]孫正貴.游梁式抽油機節能控制技術[M].東營:中國石油大學出版社,2008:136-138.

[2]江友華,曹以龍,龔幼民,等.轉子變頻調速系統的發展和應用[J].變頻世界,2005(7):37-39.

[3]張繼震,馬廣杰,孫景麗,等.游梁抽油機的用電發電與節電[J].石油礦場機械,2001,30(4):36-38.

[4]王天中.繞線電機雙饋轉子變頻調速系統在礦井提升機中的應用[J].科技情報開發與經濟,2010(8):21-24.

[5]林萍萍,?？“?游梁式抽油機變頻調速控制裝置的研制[J].電氣傳動,2008,38(2):51-53.

10.3969/j.issn.2095-1493.2014.012.009

2014-05-30）

何先君，工程師，2009年畢業于西南石油大學，碩士研究生，從事油氣田開發技術及管理工作，E-mail：hexianjun_cq@petrochina.com.cn，地址：陜西省西安市未央區鳳城四路蘇里格大廈0701室，710021。