直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理技術(shù)研究與應用

魏顯峰（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

螺桿泵舉升工藝具有占地面積小、安裝方便、能耗低等技術(shù)優(yōu)勢，近幾年在油田得到普遍推廣和應用。直驅(qū)螺桿泵的研發(fā)解決了原有設備傳動效率低、存在安全隱患等問題，但同時也存在抽油桿制動后扭矩不能充分釋放、參數(shù)錄取不方便以及時率低等問題。為此，大慶油田開展了直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理技術(shù)研究，成功研發(fā)出永磁力矩電動機數(shù)字化無位置傳感器矢量控制技術(shù)以及GPRS遠程通信技術(shù)，現(xiàn)場應用2 000余口井，獲得了較好應用效果。

1 直驅(qū)螺桿泵機械驅(qū)動方式

直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動裝置坐在井口法蘭上，通過卡子將電動機的輸出軸與光桿連為一體，出油口與地面輸油管線連接。在電動機的下部連接承載軸承和支座，從而使整個裝置直接坐在井口法蘭上，實現(xiàn)軸向承載，具體結(jié)構(gòu)見圖1。螺桿泵井口密封裝置設計在電動機空心軸里，包括機械密封裝置定盤和動盤，抽油桿穿過密封管在井口通過扭矩傳遞卡子與電動機空心軸的軸頭連接傳遞電動機扭矩。

2 數(shù)控抽油桿防反轉(zhuǎn)制動技術(shù)

根據(jù)實際工況，螺桿泵井如果突然停電或人為停機，則抽油桿變形產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)力矩會帶動螺桿泵反轉(zhuǎn)，從而可能使之損壞。采取數(shù)控措施：一是通過使能端控制驅(qū)動器（圖2），如果突然斷電，則在0.02 s內(nèi)繼電器工作，使驅(qū)動器的使能端斷電，封鎖力矩電動機的驅(qū)動信號，采用10%梯度衰減控制模式，供給電動機繞組反向電流，隨主動控制抽油桿彈性勢能釋放速度，減緩沖擊載荷，控制更平穩(wěn)，從而達到保護驅(qū)動器的作用；二是采用能耗電阻制動（圖3），電路中采用了常開/常閉觸點的交流接觸器組，正常工作時，交流接觸器主觸點閉合，使驅(qū)動器與力矩電動機繞組連接，電動機正常運行，如果突然斷電，則在0.04 s內(nèi)交流接觸器主觸點斷開，電動機繞組與驅(qū)動器斷開，同時交流接觸器輔助觸點閉合，使電動機繞組與3個能耗電阻短接實現(xiàn)電磁制動。

3 數(shù)字化高效驅(qū)動技術(shù)的實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化速度實時調(diào)節(jié)。與普通的感應電動機變頻系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)中多設置了一個測角元件——位置傳感器，它可以隨時提供轉(zhuǎn)子的位置和速度。目前使用的角位移傳感器是應用最為廣泛的增量編碼器，在露天、嚴重污染、劇烈振動的場合使用容易損壞。為適應螺桿泵井工作的高可靠性和環(huán)境特性要求，在系列產(chǎn)品中采用了通過電動機定子端電壓和電流直接計算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的方法，這種方法計算簡單、動態(tài)響應快、延遲小，但需要準確的電動機數(shù)學模型。永磁同步電動機能夠在無位置傳感器狀態(tài)下實現(xiàn)矢量控制[1]。負載轉(zhuǎn)矩大，則電動機的電流大，系統(tǒng)輸出的有功功率也大；負載轉(zhuǎn)矩小，則電動機的電流自動減小與負載匹配，系統(tǒng)輸出的有功功率也小。由于該電動機的功率因數(shù)高，無功功率很小，因此輕載時井口的耗能和線路的耗能都很小，實現(xiàn)了負載自動跟蹤和節(jié)能。

4 直驅(qū)螺桿泵井遠程監(jiān)測技術(shù)研究

4.1 開發(fā)GPRS數(shù)據(jù)通信處理平臺

在直驅(qū)螺桿泵控制板上增加CDMA模塊（圖4），直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動器內(nèi)的參數(shù)均存儲在驅(qū)動器的內(nèi)存中，CDMA模塊可調(diào)取驅(qū)動器內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，并通過CDMA數(shù)據(jù)終端發(fā)送到網(wǎng)絡。從網(wǎng)絡上接收到的指令也通過CDMA模塊進行讀取，該模塊相當于一個微型處理器，負責無線網(wǎng)絡和直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動器之間的通信。

另外還要增加一個收發(fā)無線信號的CDMA數(shù)據(jù)終端（圖5），可以進行遠程參數(shù)錄取、狀態(tài)監(jiān)控以及遠程調(diào)參、啟停機等操作。通過GPRS網(wǎng)絡可實現(xiàn)兩種功能：GPRS數(shù)據(jù)導入和GPRS實時監(jiān)控。GPRS數(shù)據(jù)導入可將井口驅(qū)動器中的數(shù)據(jù)導入到服務器，GPRS實時監(jiān)控可實時錄取一段時間內(nèi)的參數(shù)變化情況，同時可以向井口驅(qū)動器發(fā)送指令調(diào)參或開關(guān)機等。

4.2 實現(xiàn)遠程監(jiān)控

直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)主要監(jiān)控螺桿泵的運行狀態(tài)、電參數(shù)、扭矩和轉(zhuǎn)速。根據(jù)實際需求，可分為短時間實時數(shù)據(jù)采集和運行狀態(tài)監(jiān)控兩種采集方法。遠程實時監(jiān)控可及時發(fā)現(xiàn)故障停井、參數(shù)不合理等問題，便于及時進行維修和優(yōu)化設計，減少故障停井對產(chǎn)油的影響，可保證螺桿泵井長期運行在合理狀態(tài)。

4.3 實現(xiàn)數(shù)據(jù)操作

U盤數(shù)據(jù)導入：當需要導入數(shù)天內(nèi)的數(shù)據(jù)時用遠程傳輸速度較慢，因此比較適于用U盤導入數(shù)據(jù)，將井口數(shù)據(jù)存入U盤，取回后連接到服務器即可直接讀取歷史數(shù)據(jù)。

GPRS數(shù)據(jù)導入：導入少量數(shù)據(jù)可使用GPRS數(shù)據(jù)導入功能，在線導入直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動器內(nèi)存中的歷史數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)速設置：首先錄取螺桿泵井運行狀態(tài)和目前轉(zhuǎn)速，然后輸入需要的轉(zhuǎn)速進行設置，井口驅(qū)動器動作后返回調(diào)參后的轉(zhuǎn)速。

4.4 開發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)

系統(tǒng)由4個功能模塊組成，主要包括基礎信息管理、數(shù)據(jù)信息管理、數(shù)據(jù)操作管理、單井分析管理。基礎信息管理包括功能管理、角色管理、用戶信息、字典管理、組織機構(gòu)等部分，這部分主要給不同的用戶賦予不同的權(quán)限；數(shù)據(jù)信息管理包括螺桿泵基礎信息、調(diào)參日志信息、GPRS導入日志等；數(shù)據(jù)操作管理包括U盤數(shù)據(jù)導入、GPRS數(shù)據(jù)導入、轉(zhuǎn)速設置、單井分析歷史記錄、GPRS狀態(tài)查詢、GPRS開關(guān)機等；單井分析管理包括單井年、月、日、時、分數(shù)據(jù)分析等。

5 現(xiàn)場應用效果

5.1 數(shù)字化管理系統(tǒng)應用

2010年以來，應用直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)裝置2 112套，平均轉(zhuǎn)速控制精度達到±3%以內(nèi)，能夠滿足生產(chǎn)需求，單井平均節(jié)電率達到21.2%，提高系統(tǒng)效率7.8個百分點，提高設備運行時率3.2個百分點。通過現(xiàn)場驗證，直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)的實現(xiàn)能夠避免位置傳感器故障影響螺桿泵時率，提高了設備運行時率，節(jié)能效果顯著，運行安全系數(shù)大幅提高，實現(xiàn)了螺桿泵井的數(shù)字化管理，為該技術(shù)的推廣應用奠定了基礎。

5.2 遠程監(jiān)控

遠程轉(zhuǎn)速設置提高了工作效率，在室內(nèi)即可實現(xiàn)對多口井的操作，使參數(shù)調(diào)整更及時，能有效發(fā)揮油井產(chǎn)能，減少對螺桿泵的損害。圖6是對螺桿泵參數(shù)的讀取曲線。

5.3 單井數(shù)據(jù)分析

可按年、月、日、小時、分進行扭矩數(shù)據(jù)分析，管理人員能夠全面及時地掌握油井的生產(chǎn)動態(tài)，及時處理油井出現(xiàn)的各種問題。選擇組織機構(gòu)，選擇井號，選擇分析類型，再根據(jù)類型選擇相應的時間條件，點擊生成相應條件下的圖表。通過單井分析可判斷某段時間內(nèi)油井載荷的變化情況，可協(xié)助螺桿泵泵況的診斷。

6 結(jié)論與認識

1）直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)操作便捷、自動化程度高，解決了螺桿泵井生產(chǎn)自動化和管理數(shù)字化的技術(shù)問題，可以在油田螺桿泵井大規(guī)模使用。

2）數(shù)控電磁制動抽油桿防反轉(zhuǎn)裝置能夠削減抽油桿、油管和泵的沖擊載荷，延長使用周期，同時簡化井口結(jié)構(gòu)，提高了運行安全系數(shù)。

3）隨著油田自動化系統(tǒng)逐步完善，將抽油機井和注入井納入到同一個網(wǎng)絡，構(gòu)建一個數(shù)字化的管理平臺，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動錄取、信息資源共享、設備遠程控制，為油田物聯(lián)網(wǎng)建設奠定基礎。

[1]吳芳,黃聲華,萬山明.永磁同步電動機無位置傳感器功率因數(shù)矢量控制方法研究.微電動機[J],2009(4).