數(shù)字化抽油機(jī)在西峰油田的研究應(yīng)用

楊 杰，彭 盈，程琳玲，茍平安

(長慶油田第二采油廠，甘肅 慶陽 745000)

數(shù)字化抽油機(jī)在西峰油田的研究應(yīng)用

楊 杰，彭 盈，程琳玲，茍平安

(長慶油田第二采油廠，甘肅 慶陽 745000)

西峰油田由于儲層物性差，單井產(chǎn)量低，導(dǎo)致抽油機(jī)效率低、耗能嚴(yán)重。針對此現(xiàn)狀，研制開發(fā)的數(shù)字化抽油機(jī)具有數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制功能，真正達(dá)到無人值守、自動調(diào)節(jié)、高效節(jié)能。

數(shù)字化；智能；抽油機(jī)

長慶油田有抽油機(jī)近3萬口，年耗電量接近8億千瓦時，占油田生產(chǎn)總用電量的60%。而抽油機(jī)采油系統(tǒng)平均效率約20%，低于全國平均水平，為進(jìn)一步提高抽油機(jī)采油系統(tǒng)效率，節(jié)約能源，降低開采成本，逐步推廣數(shù)字化抽油機(jī)。

1 數(shù)字化抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點

數(shù)字化抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，對應(yīng)的主要部件，如表1所示。

圖1 第二代數(shù)字化抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 數(shù)字化抽油機(jī)結(jié)構(gòu)組成

數(shù)字化抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)來看，有以下幾個特點：

（1）三條腿支架結(jié)構(gòu)：三條腿全部坐于底座上，具有足夠穩(wěn)定性，便于制造安裝、節(jié)約材料成本；

（2）減速器安裝方向：與常規(guī)式游梁抽油機(jī)布置一致，更利于低轉(zhuǎn)速減速器的齒輪和軸承潤滑；

（3）電機(jī)與控制柜后置：符合SY6320-2008《陸上油氣田油氣集輸安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，距離井口在5米以上；

（4）無基礎(chǔ)底座：使用近兩年推廣應(yīng)用的無基礎(chǔ)抽油機(jī)底座；

（5）全新游梁平衡調(diào)節(jié)裝置：電動機(jī)帶動絲杠傳動系統(tǒng)，使與抽油機(jī)后臂連接的平衡重力臂發(fā)生改變來平衡懸點載荷；

（6）一體化載荷懸繩器：載荷傳感器嵌入特制的懸繩器能對傳感器提供有效保護(hù)；

（7）預(yù)裝的動力及信號電纜：在游梁、支架、底座等位置預(yù)裝線纜的穿線管和安裝卡座，規(guī)范電纜布置。

2 數(shù)字化抽油機(jī)主體技術(shù)研究

2.1 變頻控制與直流母線共用技術(shù)

（1）變頻控制技術(shù)原理

為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。而把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，稱為逆變器。

對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機(jī)調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。其控制電機(jī)轉(zhuǎn)速主要工作原理是

式中，

n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

f為電源頻率；

p為電機(jī)磁極對數(shù)；

s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

由該公式可知電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)差矩為0，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速=60(秒)×頻率(Hz)／電機(jī)的磁極對數(shù)，而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速較同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速低。其旋轉(zhuǎn)速度近似地取決于電機(jī)的極對數(shù)和頻率。

由于電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的磁極對數(shù)是固定不變的。由于電機(jī)的磁極對數(shù)1個磁極對數(shù)等于2極，電機(jī)的極數(shù)不是一個連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以不適和改變該值來調(diào)整電機(jī)的速度。上式可以轉(zhuǎn)化為

由于，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n受電機(jī)所帶動的主從動輪的半徑之比以及抽油機(jī)減速箱減速比的影響，可最終轉(zhuǎn)換為抽油機(jī)的沖次，所以上式可以轉(zhuǎn)化為

式中，

f為電源頻率；

Q為抽油機(jī)沖次；

β為從動輪與主動輪半徑比值；

α為抽油機(jī)減速箱減速比；

p為電機(jī)磁極對數(shù)。

該式反應(yīng)了電源頻率f與抽油機(jī)沖次Q之間成正比例關(guān)系。

由于頻率是電機(jī)供電電源的電信號，所以該值能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度能夠自由進(jìn)行控制。通過變頻器調(diào)節(jié)頻率達(dá)到對電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制，應(yīng)用在油井上便成為通過變頻器對油井沖次的控制。最終達(dá)到抽油機(jī)的變頻控制。

（2）直流母線共用技術(shù)原理

在同一個電力拖動系統(tǒng)中的一個或多個傳動有時會發(fā)生從電機(jī)端發(fā)電得到的能量反饋到傳動的變頻器中來，這種現(xiàn)象叫“反發(fā)電”。這種情況一般發(fā)生在電機(jī)被拖著走的時候，或者是當(dāng)傳動電機(jī)發(fā)生制動以提供足夠的張力的時候。傳統(tǒng)意義上的變頻器并沒有設(shè)計使反發(fā)電能量反饋到三相電源的功能，因此所有變頻器從電機(jī)吸收的能量都會保存在電解電容中，最終導(dǎo)致變頻器中的母線電壓升高。進(jìn)而造成整個電網(wǎng)的污染。針對這種現(xiàn)象，將多個變頻器通過直流母線互連的話，一個或多個電機(jī)產(chǎn)生的反發(fā)電能量就可以被其他電機(jī)以電動的方式消耗吸收了。這是一種非常有效的工作方式，即使有多個部位的電機(jī)一直處于連續(xù)發(fā)電狀態(tài)，也不用再去考慮其他的處理反發(fā)電能量的方式。在這種方式下，如果還需要一個更快剎車或緊急停止的狀態(tài)的話，那就需要再加上一個一定容量的制動單元和制動電阻以便在非常時刻起作用，當(dāng)然采用能量回饋裝置就可以充分地將直流母線上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中來。

將叢式井組中多臺抽油機(jī)的控制變頻器直流母線并聯(lián)在一起，可將下沖程運行時抽油機(jī)所發(fā)電能儲存在變頻器電容中，以供其他抽油機(jī)上沖程運行使用。這樣不僅利用了電機(jī)反發(fā)電能，減少了對電網(wǎng)的干擾,而且還提高了電機(jī)的運行效率，實現(xiàn)了節(jié)能。各變頻器電容相互并聯(lián),使得儲存容量變大,這樣有利于克服“泵升電壓”，防止過電壓保護(hù)動作，使設(shè)備安全平穩(wěn)運行。即節(jié)約了電能，又降低了設(shè)備投資。

2.2 抽油機(jī)最佳工作沖次優(yōu)化調(diào)整技術(shù)研究

（1）原理分析

在原油生產(chǎn)過程中新投產(chǎn)的抽油機(jī)井，抽油設(shè)備的選擇是根據(jù)油層供液能力而確定的,因此投產(chǎn)初期由于油層供液能力充足而使得抽油機(jī)井工作在高效穩(wěn)產(chǎn)的狀態(tài)下。但隨著開采時間的延長,一些油井尤其是低產(chǎn)井就會出現(xiàn)井下供液不足的現(xiàn)象,這一現(xiàn)象將會打破原抽油設(shè)備設(shè)計的高效穩(wěn)產(chǎn)狀態(tài)，引起一系列的連鎖反應(yīng)。油層供液不足首先會影響到動液面,油井的采油流動方程為：

式中，

Q油井產(chǎn)液量，t/d；

K采油指數(shù),t/(d·m)；

Lf動液面深度，m；

Ls靜液面深度，m。

當(dāng)油層的供液不足時,采油指數(shù)會降低,因此在相同的產(chǎn)液量下油井的動液面深度會增加。

動液面深度的增加會影響到泵吸入處的壓力，相應(yīng)的關(guān)系式為：

式中，

pf沉沒壓力，MPa；

pc井口套壓，MPa；

L下泵深度，m。

充滿程度不足會影響到抽油電動機(jī)的平均輸出功率,在沖次一定時,電動機(jī)輸出功率與泵充滿度成正比關(guān)系。要保證足夠的充滿程度和泵效,就必須保證動液面處于合理的范圍。這一過程通過以監(jiān)測液面以及功圖的方式來了解井下供液能力的下降，實時地進(jìn)行變頻調(diào)速來控制平均采液速率。具體控制過程如圖2所示的動液面、功圖與平均采液速率閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 動液面、功圖與平均采液速率閉環(huán)控制系統(tǒng)

通過變頻控制器與液面測試儀以及功圖采集裝置的配合，經(jīng)過變頻控制軟件的自學(xué)習(xí)功能，不斷對整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行修正，以保證抽油機(jī)系統(tǒng)始終工作在正確的狀態(tài)之下。同時使沖次參數(shù)保持最適合整個系統(tǒng)的最佳狀態(tài)。

（2）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)硬件工作原理如圖3所示。主控制板單元是以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)控制中心,可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計算、比較及向變頻器發(fā)送控制信號。變頻器是整個系統(tǒng)最重要的器件之一，本系統(tǒng)配置的是矢量型PWM系列高性能變頻器。其沿續(xù)通用變頻器在V/F控制標(biāo)準(zhǔn)上裝備了矢量控制。控制器通過采集電動機(jī)轉(zhuǎn)矩、輸出功率、井下動液面、功圖實現(xiàn)3個層次的閉環(huán)控制，其中電動機(jī)轉(zhuǎn)矩為內(nèi)環(huán)，輸出功率為中環(huán)，井下液面及功圖為外環(huán)，運用先進(jìn)的算法實現(xiàn)電動機(jī)和控制器的最佳工況控制。

圖3 變頻控制系統(tǒng)工作原理

2.3 抽油機(jī)平衡度自動判定與自動調(diào)整技術(shù)

抽油機(jī)載荷不平衡嚴(yán)重地影響了抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)、減速箱及電動機(jī)的效率和壽命，也惡化了抽油桿的工作條件，斷脫次數(shù)明顯增加，造成抽油機(jī)主要受力部件斷裂，這種由于抽油機(jī)不平衡造成了大量的能量浪費。

抽油機(jī)平衡度自動判定與自動調(diào)整控制技術(shù)是利用數(shù)字化抽油機(jī)的電流及功率傳感器，自動監(jiān)測并實時顯示抽油機(jī)平衡狀況。利用數(shù)字化抽油機(jī)尾平衡自動調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)平衡度變化，并使其保持在最優(yōu)狀態(tài)運行。

目前現(xiàn)場應(yīng)用中抽油機(jī)平衡測試的主要方法是“電流法”以及“功率法”。電流法即采用模擬式鉗形電流表測量電動機(jī)上下沖程中的電流值I上和I下。根據(jù)公式B=I下/I上×100%計算平衡率(B)，判斷平衡塊調(diào)整方向,估算平衡塊調(diào)整距離；B＞110%，平衡塊向輸出軸方向調(diào)整（內(nèi)移），B＜85%，平衡塊向遠(yuǎn)離輸出軸方向調(diào)整（外移），功率法功率法測平衡主要是依據(jù)抽油機(jī)上、下沖程的消耗電能是否相等。理想平衡狀態(tài)下，應(yīng)有下面公式：

式中，

t上為上沖程時間；

t下為下沖程時間；

P上為功率曲線的上沖程部分；

P下為功率曲線的下沖程部分。

P上和P下利用現(xiàn)場電能表測量。

上式的意義是電動機(jī)在上沖程中的功率曲線所包圍的面積與電動機(jī)在下沖程的功率曲線所包圍的面積相等,也就是說上沖程所耗電能與下沖程所耗電能相等。平衡度定義即為上、下沖程耗電量的之比。其合理范圍同樣為B＞110%，平衡塊向輸出軸方向調(diào)整（內(nèi)移），B＜85%，平衡塊向遠(yuǎn)離輸出軸方向調(diào)整（外移）。

通過控制軟件可設(shè)定合理平衡度（85～110%）為最佳狀態(tài)，每單位時間（3分鐘），采集傳感器都會采集系統(tǒng)各相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計算平衡度，并實時顯示出來。若結(jié)果不在最佳狀態(tài)范圍內(nèi)，尾平衡自動調(diào)節(jié)裝置將啟動進(jìn)行調(diào)整，直至平衡度數(shù)值恢復(fù)最佳狀態(tài)范圍內(nèi)，并保持最佳狀態(tài)。也可人工手動進(jìn)行平衡。

3 數(shù)字化抽油機(jī)應(yīng)用與普通抽油機(jī)數(shù)字化改造效果

通過對50口井?dāng)?shù)字化改造前后對比可知（表），產(chǎn)量變化不大，但含水下降6%，泵效提升7.3%，系統(tǒng)效率提升2.3%。噸液能耗下降2.3 kW.h/t。與改造前相比，平均單井有功功率下降20.5 kW，無功功率下降147.3 kW，日均耗電量降低低25.4 kW.h，綜合節(jié)電率達(dá)到34.7%。以此計算年節(jié)約電費約45萬元。

表3 抽油機(jī)數(shù)字化改造前后效果對比

經(jīng)過現(xiàn)場試驗證明，應(yīng)用數(shù)字化抽油機(jī)或進(jìn)行普通抽油機(jī)的數(shù)字化改造，在提效降耗，節(jié)省人力物力等方面取得了良好的效果。

[1]趙來軍，等.游梁式抽油機(jī)智能化改造[J].石油機(jī)械，1999.

[2]龐成等.油田數(shù)字化井場建設(shè)與施工[J].油氣田地面控制，2011.

[3]薛茹.一種信號采集系統(tǒng)在抽油機(jī)中的應(yīng)用研究[D].西安電子科技大學(xué)，2010.

Digitized Pum ping Unit App lication in Xifeng Oilfield

YANG Jie，PENGYing，CHENG Lin-ling，GOU Ping-an
（Oil Production Plantof Changqing Oilfield，Qingyang 745000，China）

Poor reservoir property and low singlewell production leads to the low efficiency of oil pumpingmachine and high energy consumptionin the Xifeng Oilfield.In accordancewith the situation,digital pumpingmachine can realize data collection,remote control function,unattended operation,automatic regulation and energy-efficient.

digitization；intelligent；oilpumpingmachine

TP273

A

1672-545X（2013）03-0257-04

2012-12-07

楊 杰（1984—），男，工學(xué)學(xué)士，油氣田開發(fā)工程師，主要研究方向，油氣田開發(fā)。