基于變頻控制技術的潛油電泵生產應用研究

王 巖

（中法渤海地質服務有限公司，天津 300450）

0 引言

傳統潛油電泵在運行時多處于全壓工頻恒壓模式，在啟動時產生的沖擊電流會對潛油電泵機組的壽命周期產生負面影響，影響油井的正常生產和開采。變頻技術的發展為提升潛油電泵系統工作效率和壽命周期提供了有利的契機[1]。將現代變頻控制技術應用到潛油電泵系統中，能夠優化其系統功能，提升其生產效率，在降低能耗的同時，為企業帶來更高的經濟利潤。

1 潛油電泵生產系統常見問題

油田開發進入中后期，含水較高，應用潛油電泵采油能夠有效的提高采收率，提升石油開采的持續性和穩定性，降低作業成本。目前國內油田使用的潛油電泵額定功率多在37～75 kW。由于其作業環境多為管徑較小的油井，為了有效降低電線截面積，多采用660～2000 V 的三相異步電機。潛油電泵多位于地下1000 m 以下的井下，受高溫、高壓、強腐蝕等復雜惡劣地質環境等因素影響，傳統電泵系統容易出現故障[2]。

（1）傳統工作中，潛油電泵處于全壓工頻恒壓模式，當電機直接啟動時，系統瞬間受到沖擊電流較大，一般啟動電流是額定電流的5～8 倍，如果缺少穩壓系統，瞬間電壓容易導致潛油電泵系統溫度升高、絕緣損傷，引發電纜故障。啟動電流產生的沖擊扭矩對電泵機械帶來巨大的沖擊，停泵時會產生電力反沖擊影響電機、電纜的使用壽命。

（2）井下地質環境復雜，不同深度的地層所承受的地層壓力存在差異，在工頻運行方式下，采油速度難以有效控制，容易導致含水過多、水淹、出砂等問題，導致潛油電泵砂卡損壞。

（3）油氣多儲存在地下數千公里深度，地質條件復雜、多解性強，因此難以準確配置油氣儲量、單位電力、泵排氣量等參數。井下液量不足時，泵產生的油壓過高，會導致泵使用壽命縮短。

（4）動力電纜多具有較好的電纜強度以及絕緣性能，能夠適應井下高溫等復雜特種作業環境。當潛油電泵作業時，電壓在線路中傳輸，受行波衍射作用影響，du/dt 值將被放大，對電纜使用壽命帶來影響。

（5）電泵機組在實際運行時，受寄生電容的影響，如果進行高頻次的通斷操作，將會給相關功率元件帶來極大的電應力，在這樣的情況下電泵機組絕緣性能會受到較大影響，長期電應力作用下電纜絕緣老化加速。如電應力持續加大，將會導致絕緣被擊穿，影響潛油電泵的壽命周期[3]。潛油電泵運行時，電機轉子軸承、定子之間不可避免的會產生寄生電容，進而導致脈沖充電電流，寄生電容持續累加會導致電機轉子電壓增加，當超過設計值時會對電機軸承潤滑油膜產生擊穿效果，影響電機軸承的正常使用，嚴重者可能造成軸承損壞。

（6）潛油電泵運行過程中，輸出諧波會出現導熱、升溫現象，為此大部分電機采用降額方式應用。諧波電流可能導致波形異常，加劇電機噪聲。諧波電流經過電機，可能引發電機轉子套組銅損問題。諧波電流還會導致磁場的產生，并對轉子鐵芯產生一定損傷，即在轉子及電機定子中生成附加鐵損，導致電機加速升溫。部分研究結果顯示，受諧波電流的影響，電機效率一般會下降2%左右[3]。

（7）潛油電泵耗電量較大，是油田主要高能耗設備，工頻狀態運轉時會導致能源浪費。因此，無論是減少機械損傷還是降低能源損耗，都迫切需要引入變頻控制技術。

2 變頻控制技術原理和特點

2.1 變頻控制技術原理

變頻控制技術是在保證供電電壓不變的前提下調整電源頻率，使得電源頻率f 與泵轉速n 相適應，通常情況下二者之間的關系為n=60f（1-s）/p，其中s 表示轉差率，異步電機轉差率波動范圍較小；p 表示極對數，多為常數，因此潛油電泵轉速與電源頻率二者正向相關。對于普通變壓源變頻器來說，電壓輸出時不可避免會出現電壓跳變的現象，因此需要逆變器功率元件提升開關的應用速度。此時電壓的變化率（du/dt）會隨之增加，一旦該變化率超過設計閾值，將會對電泵機組的絕緣性產生負面影響。作為井下工作的多級離心泵，為了降低潛油電泵線路壓降，電機多設計為660 V 或1000 V 級等中壓范疇：電壓降低會造成電機低效無法正常工作，電壓升高則可能導致線路面臨絕緣問題，降低線路可靠性。目前泵掛深度在1 km 范圍內的油井，多數情況下采用660 V 級別的潛油電泵，泵掛深度在1～2 km 的油井，潛油電泵多為1140 V 級[4]。

變頻控制系統核心部件為配電控制箱。與兩電平電路相比，三電平電路輸出的電壓脈沖值較低，能夠有效減少絕緣和諧波等現象，進而避免傳導干擾、絕緣系統沖擊等問題。三電平變頻調控系統如圖1 所示，總體上來說，該控制系統可以劃分為控制監測單元、頻率生成單元、電壓波形數據存儲單元以及電壓變換輸出單元。其中控制監測單元主要為核心單片機，能夠接收電機電流、電壓以及頻率變化引起的信號，對系統運行狀態進行監測。頻率生成單元包括計數器、定時器等器件；電壓波形數據存儲單元主要為ROM。根據系統運行情況，單片機控制電路通過U/f 等方式計算出最優的電源頻率和電壓，進而實現控制輸出電平以及閉環控制的目的。

2.2 變頻控制技術特點

（1）軟啟動功能。變頻調速技術的應用能夠保證電泵系統進行軟啟動，在該模式下，沖擊電流能夠限制在額定電流150%以內，進而最大程度上消除電流對電機的沖擊效應。與此同時，頻率變化相對平穩，電機轉速接近同步狀態，能夠減小反電勢對絕緣層的作用。基于變頻控制技術對潛油電泵進行優化改造，實現潛油電泵的軟啟動，能夠對電機以及電纜起到良好的保護作用。

（2）穩定系統電壓。泵掛深度一般在地下1～3 km，井筒內電纜長，導致壓降大，在高溫、高壓復雜工作環境下，容易出現系統故障問題，影響油田的高效生產。變頻控制技術的應用能夠自動控制電泵的輸入電壓，進而解決超壓、欠壓問題，保證整個系統的穩定運行。

（3）節能效果顯著。根據井況，通過頻率調節控制油井出油量，使其能夠在最佳工況下工作，避免電泵長期處于高壓工作狀態。與此同時，無論是重載還是輕載狀態下，系統功率因數均較高，節電、節能效果明顯。

（4）延長電泵系統的使用壽命。變頻控制技術尤其是變頻器軟啟動功能的應用，能夠限制啟動電流的峰值，進而延長電泵的壽命周期，降低設備故障發生概率，節約油井維修成本，助力油田經濟效益提升。基于變頻調速技術，潛油電泵機組能夠在最佳工況下作業，采油系統工作效率大幅提升。國內外油田應用結果顯示，將變頻控制技術應用到潛油電泵生產作業中，能夠大幅降低設備維修周期，技術應用前維修周期在3～6 個月，技術改造后維修周期延長至1～2 年[5]。與此同時，變頻調控系統具有過載保護功能，能夠提升電泵和電機在復雜環境下的工作壽命，提升其工作適應性。與傳統兩電平變頻器相比，三電平變頻調控系統輸出電壓波形更接近于正弦，較好地解決了諧波、絕緣、干擾等問題，多臺集中使用不會對電網功能產生影響。此外，變頻器器件已經相對成熟且性價比高，控制系統性能穩定，運行故障率低。

（5）實現智能控制，自動化程度有效提升。利用微型計算機智能控制，自動適應工作狀況，人工干預程度低。基于變頻控制技術，可根據不同井況智能調整采油效率。例如對于富油井來說能夠進一步提升采油效率，實現增產增效；對于貧油井來說，通過智能調控能夠做到連續生產減少關井次數；對于含砂油井來說，能夠有效減少卡泵概率，提升電泵壽命周期；對含氣油井來說，能夠避免油氣分離不佳導致的氣鎖現象；對于含蠟油井來說，能夠最大程度上規避因結蠟導致的管路堵塞問題；對于稠油油井來說，可根據工況實施低速大功率工作模式，減少停井次數。

（6）經濟效益顯著。對既有電潛泵進行變頻控制技術改造，能夠降低設備故障概率，延長設備壽命周期，提升節能效果，為企業帶來良好的經濟效益。

3 變頻控制技術在潛油電泵生產控制系統中應用

近年來，對海上某油田28 口潛油電泵進行變頻控制技術應用，取得了較好的應用效果。變頻控制技術應用以后，油井平均檢泵周期由應用前的182 d 延長至498 d；單井平均功率因數由應用前的0.70 提升至0.89；單井日產液量基本保持不變，單井平均電量下降30.21%，測試平均噸液耗電降低32.25%，平均系統效率提升11.58%。應用實踐顯示，將變頻控制技術應用到潛油電泵井，電泵系統的保護功能大大提高，現場維護費用以及開采成本降低，節能降耗和經濟效益顯著。

4 結束語

在石油開采過程中，將變頻控制技術應用于油田潛油電泵生產系統，不僅能夠降低系統故障率，節約設備維修、保養費用，還具有顯著的節能效果，應用前景廣闊，具有推廣價值。