抽油機多功能調速裝置的應用及效果

趙麗紅（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

游梁式抽油機在某油田某采油區塊運行近40 年，作為有桿泵采油的主要舉升設備，通過應用永磁電動機、高轉差電動機等，提高了節能效果，但仍然存在參數調整受限、節能潛力可挖潛、操作不便等問題，尤其是在上下沖程運行速度沒有根據當前桿管偏磨的實際問題，有針對性的改變。

通過把有桿泵作為一個完整的抽油系統綜合評價，對影響機械采油能耗的因素進行系統分析，選用了抽油機多功能調速裝置，摸索參數組合方式，開展了現場試驗。

1 機械采油能耗影響原因分析

“十三五”以來，依托于有桿泵舉升技術特點，把整個采油過程分為8 個節點，地面4 個節點、井下4個節點，根據各節點的特性有針對性的開展了技術優化措施，地面以實施拖動裝置更新、改造措施為主，應用皮實耐用、維護便利的節能設備，提高了驅動效率，在一定程度上提高了機采節能設備覆蓋率低、潛力不足的問題。但拖動裝置運行速度仍屬于固定轉速，不能按需輸出，導致了系統效率仍然偏低，全區平均系統效率為31.07%[1]。

1.1 抽油機井能耗分析

由于抽油機井總能耗等于光桿功率與電網向舉升系統輸入電能之和，按抽油機井各節點，系統分析地面和井下的能耗分布狀況。對批量井能耗分布情況進行了研究，利用油井功圖計算了抽油機井光桿功率，對抽油機井地面、井下能量消耗情況進行統計，功圖載荷分析見圖1，井下能耗約占總能耗的60%~80%。

圖1 功圖載荷分析

1.2 抽油機井井下能耗影響因素分析

在有桿泵采油舉升過程中，消耗的能量等于用于舉升液體的有效能量和舉升過程損失能量。損失能量等于井下損失能量和地面損失能量。地面損失能量主要包括四連桿機構摩阻損失能量和拖動裝置損失能量兩個部分，減少抽油機摩阻損失能量技術成熟，不作分析；井下損失能量主要包括水擊能耗、滑動摩阻損失能量和黏滯摩阻損失能量。在這里，水擊發生因時間短且平均功率過低，故在計算過程中忽略[2]。

在抽油機舉升系統中，電動機輸入功率主要考慮了地面損失功率、有效功率、滑動損失功率、黏滯損失功率和桿柱損失功率。

1）黏滯損失功率。有桿泵采油過程中，被舉升的液體由于與油管、抽油桿等產生磨擦而損耗的功率稱作黏滯損失功率。黏滯損失功率的大小主要取決于采油過程中的泵掛深度、抽油桿直徑、油管直徑、沖程、沖次、液體黏度6個因素。

黏滯損失功率：

式中：Pr為黏滯損失功率，kW；s為沖程，m；n為沖次，次/min；μi為第i段液體黏度，mPa·s；li為第i段油管長度，m；m為管徑桿徑比，無因次。

2）滑動損失功率。抽油機井因井斜造成的油管與抽油桿間磨擦和泵筒與泵柱塞間磨擦而產生的功率稱為滑動損失功率。滑動損失功率的大小取決于井斜的水平軌跡長度、抽油桿重度、沖次、沖程以及桿管材質5個因素。

滑動損失功率：

式中：Pk為滑動損失功率，kW；fk為桿與管的磨擦系數；L為井斜的水平軌跡長度，m；qr為桿重度，N/m；g為重力加速度，m/s2。

3）桿柱損耗功率。有桿泵采油過程中，由于產量動態變化，部分井出現桿柱匹配不合理產生靜載荷增大，使消耗的功率增加了。

式中：Wr為桿柱損耗功率，kW；fr為桿截面積，m2；ρs為抽油桿密度，kg/m3；L為抽油桿長，m。

滑動損失功率的大小與沖程和沖次成正比關系，黏滯損失功率的大小與沖程和沖次的平方成正比關系。與井下能耗相關的敏感參數是沖次和桿截面積。因此，優化時以目標產液量為前提，優先選擇降低沖次，實現抽油機井參數合理匹配[3]。

1.3 電動機損失能量

電動機是抽油機舉升的動力源，因抽油機在運行過程中的特殊要求，拖動裝置需要同時滿足三個“最大”要求，即最大允許掛重、最大沖次、最大沖程。此外，還需要有足夠大的堵轉轉矩，克服啟動時靜態的嚴重不平衡。所以，抽油機在設計時往往設定的容量裕度都較大。抽油機在運行過程中是受交變載荷作用，啟動功率一般達到正常運行功率的3～5 倍，這種工作模式決定了抽油機井使用的常規電動機負載率低、功率因數低[4]。

電動機如果運行在額定負荷或額定負荷附近，則電動機運行處于經濟運行范圍內。在實際生產上，電動機多數屬于輕載運行，即“大馬拉小車”的情況。

通常把效率即將快速下降的a點所對應的負荷率稱為臨界負荷率βa。當負荷率β大于βa時，效率的變化不大，當負荷率β小于0.70時，功率因數下降很快，效率和功率因數隨負荷率變化曲線見圖2。

圖2 效率和功率因數隨負荷率變化曲線

“十三五”期間，油田應用的電動機節能技術主要分為三個方面：一是通過應用變頻類控制裝置，改變電動機的機械特性，從而提高舉升系統效率；二是如高轉差電動機或超高轉差電動機，從技術設計上改變電動機的機械特性，使電動機與抽油機的配合度更高，從而提高系統效率；三是如雙功率電動機或三功率電動機，通過提高電動機的負荷率、功率因數等來達到節能的目的。

2 抽油機多功能調速裝置的應用

2.1 技術原理

抽油機多功能調速裝置主要由變頻器、分析儀、傳感器等部分組成。傳感器分辨出上、下沖程位置信號，并將位置信號傳遞給分析儀，通過對工況運行判斷分析，把有效的開關信號提供給變頻器；變頻器接收信號后，執行指令，實現了軟停啟、電動機轉速不停機調整等功能。抽油機多功能調速裝置應用了變頻調速技術，符合四連桿機構的交變載荷的工作特點，開發了內置專用的伺服控制程序[5]。

2.1.1 實現沖次精細調整

抽油機配套應用的電動機為感應式交流電動機。感應式交流電動機的旋轉速度（近似）由電動機的極數和頻率決定。電動機的極數是固定的，由于極數值是2的倍數（極數為2，4，6），不是連續的數值，因此不適合改變極數來改變電動機的速度，可以通過改變供電頻率來改變電動機轉速。頻率是電動機供電電源的電信號，通過控制裝置調節頻率后再供給電動機，電動機的轉速就可以按需求進行控制了。

轉速調整的基本原理公式：

式中：n1為同步轉速，r/min；f1為定子供電電源頻率，Hz；p為磁極對數。

異步電動機轉速n與同步電動機轉速n1存在一個滑差關系。

式中：n為異步電動機轉速，r/min；s為異步電動機轉差率。

由公式（5）式可知，調速的方法可通過改變f1、p、s其中任意一參數來實現，對異步電動機最好的方法是改變頻率，實現轉速控制。

2.1.2 實現上快下慢運行模式

可以根據油井的實際情況，通過設置抽油機多功能調速裝置運行模式（表1），在線時實監測抽油機的電參數、電流平衡度、功率平衡率、累計電量等，經過運算處理后，通過安裝于減速箱輸出軸與曲柄總承之間曲柄位置傳感器監測、采集曲柄旋轉過程中實時的曲柄位置信號，同時判斷出抽油機運行處于上沖程或下沖程的位置，給出指令，把開關信號指令傳遞給分析儀，實現自行檢測抽油機的沖程頻次，達到上、下沖程間的平穩過渡，實現不停機沖次的連續調節，滿足各種產量油井的供排協調需求；實現抽油機井在一個沖程周期中，上快下慢的運行方式，提高泵的充滿度，提高泵效，同時還可起到緩解桿管偏磨的作用[6]。

表1 抽油機多功能調速裝置運行模式

2.1.3 實現功率隨動運行模式

通過電動機負載檢測電路，根據抽油機的負載特性而通過特殊的節能處理方式，經過CPU算出精確功率后，直接由模糊控制器調用節能模型庫內相應數據，送至功率調節器，同時得到節能跟蹤模塊的精確修正后，去優化PWM 驅動模塊，跟蹤調節電動機的供給電壓，減少了電動機運行時的鐵損和銅損，使電動機始終處于經濟、高效和功率因數較高的情況下運行，功率因數均在0.90以上。同時該裝置還具備了抽油機運行需要的各種保護功能，增加了回饋電路，使抽油機的地面拖動裝置處于的高效、穩定運行狀態[7]。

2.2 應用效果

抽油機多功能調速裝置技術應用范圍較廣，在啟動困難、液面波動大、調參頻繁等的高耗能抽油機井上均可應用，變頻控制電動機技術比較成熟且得到了大規模的應用，累計應用2 688 臺，平均有功功率由8.23 kW下降到7.39 kW，平均有功節電率達到了13.54%，年節電2 516.1×104kWh，年創經濟效益1 602.76萬元。

2.2.1 沖次任意調節

電動機型號為YCHD250-8/6 應用抽油機多功能調速裝置，分別設定頻率為30、40、50、60 Hz時，運行平穩沖次分別為3.14 次/min、4.34 次/min、5.31 次/min、6.34 次/min，與前態對比平均沖次增加級差近似為1 次/min，節電率達到了7.86%，平均單井日節電1.41×104kWh，抽油機多功能調速裝置沖次效果見表2。

表2 抽油機多功能調速裝置沖次效果

2.2.2 提高功率因數

在老井更新和產能井均推廣應用，這里選取老井更新井10 口連續測試10 天的電參數及生產動態參數，將所測得的連續數據的平均值與安裝前對比，無功功率由12.22 kVar 下降到1.20 kVar，下降了90.18%，功率因數由0.46提高到0.97，抽油機多功能調速裝置功率因數效果見表3。

表3 抽油機多功能調速裝置功率因數效果

2.2.3 抽油桿受力狀況得到改善

沖次大小對抽油桿受力影響很大，利用變頻器精準調整沖次，采用上快下慢或者下快上慢，能有效改善抽油桿受力。這里選取12 口井，工頻和變頻各測量連續運行10 天的數據。通過計算，最大載荷由43.01 kN 下降到38.98 kN，下降了9.37%，載荷負荷比由2.59 kW 下降到1.97 kW，下降了23.94%，說明了抽油桿受力狀況得到了有效改善，抽油機多功能調速裝置載荷效果見表4。

表4 抽油機多功能調速裝置載荷效果

2.2.4 提高系統效率

油井供排關系協調，泵充滿程度提高，提高了井下驅動效率；減少了地面四連桿機構的無功損耗，提高了地面驅動效率，使舉升系統效率整體提高[8]。在平均日產液和動液面穩定的情況下，累計應用2 665 臺，平均系統效率由23.45%上升到26.23%，提高了2.78%，平均單井日節電26.96 kWh。

2.2.5 減少負功影響

電動機供電電壓采用自動調節，減少了電動機的自身無功損耗，使電動機始終處于高效、高倍功率因數情況下運行[9]。與工頻對比，沖程總負功由0.42 kW 下降到0，運行平穩，變頻和工頻對比曲線見圖3。

圖3 變頻和工頻對比曲線

2.2.6 熱洗清蠟效果提高

抽油機井熱洗時，利用變頻器采用調大沖次，抽油機多功能調速裝置熱洗效果見表5，使理論排量短時間增大，使含水恢復期縮短，減少熱洗對產油量的影響[10]。

表5 抽油機多功能調速裝置熱洗效果

3 結論

1）應用變頻器實現無級調速，滿足抽油機井地面井下優化過程中的參數精準控制需求。

2）本設備段速采用6+1模式，有6種不同段速頻率選擇，在運行中選擇6種段速中的任意一種模式，1種恒速運行選擇，便于穩定沖次自由調參。

3）在抽油機井運行的一個沖程周期內，實現了變頻調速和變速運行，提高了泵的充滿程度，達到了提高泵效、增加產量的目的，同時也可以減緩桿管偏磨的程度。

4）提供非節能電動機節能改造的一項技術手段，有效的利用現有的設備資源。