抽油機變速驅動與控制技術現狀及發展趨勢

郭福東，樊 靈，鞏宏亮，孫春龍

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580；2.大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

抽油機變速驅動與控制技術現狀及發展趨勢

郭福東1，樊 靈1，鞏宏亮2，孫春龍2

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580；2.大慶油田有限責任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

游梁式抽油機在運行時，系統效率低、能量浪費嚴重。抽油機變速驅動與控制技術作為近年來應用于游梁式抽油機較先進的節能降耗技術，能夠根據油井供液能力的大小以及系統的運行狀況，智能控制電機轉速，實現油井的供采平衡，節約能耗。變速驅動技術按照作用范圍的不同，分為宏觀變速驅動和微觀變速驅動技術2大類。闡述了宏觀變速驅動技術基于懸點示功圖、動液面深度2種智能調速控制方案的設計原理與技術特點；分析了微觀變速驅動技術的節能機理。

游梁式抽油機；變速驅動；智能控制；節能降耗

隨著油田開發進入中后期，地層的能量逐漸下降，極易出現油井開采速度大于地層供液能力的情況，此時，過快的抽汲速度并沒有帶來產量的提高，卻浪費了大量能量，系統效率降低；同時，由于井下供液能力不足，造成井下抽油泵的充滿程度較低，當柱塞上行時，泵筒不能被液體完全充滿，游動閥到泵內流體液面的這段空間內將形成一個低壓區。在下沖程過程中，游動閥在低壓區無法打開，當遇到泵內流體后，游動閥迅速打開，載荷從抽油桿柱轉移到油管柱上并產生液擊現象[1]。液擊的產生會給系統帶來強烈的振動波，增加懸點的附加動載系數，有時能達到30%以上[2]，使系統壽命降低，能耗增加。

變速驅動技術在原油集輸、供水、采暖供熱等領域都取得了較好的節能效果，極大地改善了系統的供需平衡狀況[3]。

針對這一情況，國內外學者提出將變速驅動技術運用到抽油系統上，以協調油井的供液能力，降低抽油桿柱的載荷大小及應力波動，減少油田運行過程中的維修費用以及用電費用等。

1 抽油機變速驅動技術

從變速的作用范圍來看，可以將變速驅動技術分為宏觀變速驅動和微觀變速驅動2大類。

1.1 宏觀變速驅動

該變速驅動技術主要從沖次層面上對油井抽汲速度進行調節。在抽油機井中，沖次反映的是柱塞平均每分鐘完成一個完整的上下往復運動的次數，表征的是整個系統運行的平均運動速度。沖次提高，電機的平均轉速、曲柄的平均角速度以及抽油泵的平均抽汲速度等也會隨之提高。抽油機變速驅動技術在發展初期，主要是通過調節抽油機井的沖次來實現供采平衡的。由于沖次描述的是一個周期系統整體的運行快慢，是個宏觀物理量，所以此時以調節沖次為基礎的變速驅動技術又稱為抽油機宏觀變速驅動技術。

1.2 微觀變速驅動

該變速驅動技術將沖次不斷細化，在保證整體沖次基本不變的前提下，深入到沖次周期內每一時間點的系統抽汲速度，通過改變一個周期內電機速度的分布剖面，對抽油機系統進行變速調節。在油井的生產狀況、地層供液能力不變的情況下，針對特定的預期目標，例如產量提高或能耗降低，理論上一個周期內每一時間點電機的轉速都有一個最優值，抽油機微觀變速驅動與控制技術就是為了在不同油井條件下實現系統最佳運行狀態。

1.3 實現方式

根據變速原理的不同，抽油機變速驅動的實現方式主要可以分為2種[4]。

1) 調壓調速。當負載轉矩一定時，電源電壓降低會使轉差率增大，電機轉速減小，利用異步電機的這種機械特性，通過改變電源電壓的大小對異步電機的轉速進行調節。

2) 變頻調速。根據異步電機轉速公式，電機轉速與電源頻率成正比，通過改變電源頻率的大小可調節異步電機的轉速。

2 宏觀變速驅動技術

抽油機宏觀變速驅動技術主要針對于泵充滿度不高的抽油機井，通過調節沖次，使泵的充滿程度維持在一定的理想范圍內。由于泵充滿度無法在地面直接測量，所以采用智能控制技術，其工作原理是通過分析一些可測量動態參數與泵充滿程度的關系，間接判斷泵充滿度的大小，進而進行小幅度的調節，再依據這些動態參數的反饋信息作為下一周期變速控制的依據。

主要動態參數為懸點示功圖以及動液面深度。根據動態參數的不同，將基于沖次調節的智能控制技術分成以下2類。

2.1 基于懸點示功圖的沖次智能控制

2.1.1 判斷依據

懸點示功圖反映的是抽油桿柱在懸點位置所受載荷與懸點位移的對應關系，隨著泵充滿程度的不同，抽油桿柱所受的載荷的大小也不一樣。通過分析懸點示功圖的形狀，可以判斷該工況下泵的充滿程度。

典型的泵充不滿的懸點示功圖如圖1所示。由于泵內供液不足，導致下沖程開始后泵內壓力基本不變，游動閥無法及時打開，造成卸載延遲[5]。通過計算AD′與AD的比值或者ABCD′A圍成的面積與ABCDA圍成的面積的比值可以判斷泵充滿程度的大小[6]。

圖1 典型的充不滿的懸點示功圖曲線

2.1.2 控制流程

提高抽油機沖次后，AD′的長度或者ABCD′A圍成的面積沒有降低，則說明此時井內供液充足，沖次仍有提高的空間；如果降低沖次后，AD′的長度或者ABCD′A圍成的面積沒有增加，則說明此時懸點示功圖已經非常飽滿，不需要再降低沖次來提高泵的充滿程度。

2.1.3 技術特點

1) 需要安裝動力示功儀測量懸點載荷與懸點位移的數據。

2) 可實現對泵充滿度的定量估計。

3) 傳感器的精確性和穩定性直接影響變速驅動效果的好壞。

4) 示功圖面積或示功圖特征長度的計算可利用計算機完成，計算量小，且整個過程可實現實時變速控制。

2.2 基于動液面深度的沖次智能控制

2.2.1 判斷依據

該方法主要是通過直接或間接測量動液面深度，并根據下泵深度的大小來判斷井下供液情況，實現抽油機井的變速運行[7]。

根據動液面深度以及下泵深度的大小，推算出沉沒深度以及沉沒壓力(忽略油套環空中氣柱段的壓力)為

hs=L-Lf

(1)

(2)

而對于深井泵來說，泵的入口壓力一般低于流體的飽和壓力，在泵的抽汲過程中氣體容易析出，降低泵的充滿度，所以沉沒壓力的大小與泵的充滿程度有關。

(3)

(4)

式中：R為泵內氣液比；K為余隙比；β為泵充滿程度；Rp為生產氣油比；Rs為溶解氣油比；fw為含水率。

隨著沖次的降低，泵的理論排量減小，動液面深度會隨之增加，沉沒壓力增大，氣體不易析出，泵內氣液比會相應降低，泵的充滿系數會逐漸增加。

2.2.2 控制流程

若動液面深度降低，可適當降低沖次，提高泵的充滿程度，在維持產量不變的情況下降低系統能耗，提高系統效率；若動液面深度增加，說明此時井下供液充足，泵的充滿程度較高，可適當提高沖次，增加產量。

2.2.3 技術特點

1) 利用單聲道或雙聲道回聲儀可對動液面深度進行實時測量[8]。

2) 該方法只能通過對比前后兩次動液面深度的變化對泵充滿度進行定性分析。

3) 該方法需根據現場條件預先設定理想動液面深度值，通過實時測量值與該值的對比，實現智能控制。

3 抽油機井微觀變速驅動技術

微觀變速驅動技術主要是針對抽油機平衡狀況差，系統效率低，能耗大等問題，通過改變電機轉速，以調節系統的運行狀況，降低轉矩波動以及能量損失。

3.1 節能機理

1) 通過調節電機轉速，可以控制曲柄角速度的變化規律，并根據抽油機四連桿的幾何特點，可以得到光桿運行速度與曲柄轉速的關系，即電機轉速會影響光桿的運行規律。在上下沖程過程中光桿的“快提慢放”能減少漏失，提高泵效；“慢提快放”則能提高泵的充滿系數。

2) 與恒轉速驅動相比，變速驅動使抽油機的轉動部件產生慣性轉矩，合理利用慣性轉矩可以降低電機轉矩的峰值及波動。

3) 電機功率是電機轉矩和電機轉速的乘積，而常規的轉矩曲線為類似正弦曲線峰谷相夾的形狀，合理設計電機轉速，在載荷較大時使電機減速，避免高功率運行；在載荷較小時使電機加速，避免電機反轉，可實現“重載慢行，輕載快行”的效果。

3.2 研究進展

與宏觀變速驅動技術改變沖次這一單一數值相比，抽油機井微觀變速驅動技術調節和優化的是每一時間點的系統驅動速度，需要設計一個周期內一系列電機轉速值，這就意味著微觀驅動技術更復雜，考慮的問題更系統。

目前主要的處理辦法就是建立系統仿真模型，對抽油系統主要部分的運行動態進行模擬，在達到一定模擬精度的基礎上，將微觀變速驅動的電機轉速設計問題轉化為模型優化的數學問題，以電機轉速為優化對象，通過設立目標函數及約束條件，選擇合適的優化算法對問題進行求解。考慮到傅里葉級數在描述周期性函數上的優勢，在建立優化對象時，大多采用傅里葉級數來表示一個周期內電機轉速的變化。

例如，沈迪成等人采用網格優化法，以周期性載荷系數為目標函數，將曲柄角速度表示成三角級數的形式[9]；KrzysztofPalka采用迭代法，以產量為目標函數，將電機轉速表示成傅里立葉級數的形式，分別對該問題進行了求解[10]；而董世民等人則以電機輸出功率的均方根為目標函數，將電機頻率表示成傅里立葉級數的形式，采用罰函數法，計算得到了優化后一個周期內的電源頻率曲線[11]。

3.3 存在問題

該技術以機理模型為基礎，優化過程中需要對懸點載荷進行預測，描述抽油桿柱受力情況的模型主要為波動方程[12]，在計算時下邊界條件通常假設為典型的泵功圖曲線，而實際井下情況較為復雜，這樣的下邊界條件的假設就給仿真模型帶來了較大誤差，使得變速驅動效果不佳，甚至導致系統運行狀況變差。

4 結論

1) 與傳感器技術的結合，提高了抽油機井變速驅動的智能化程度；通過測量變速驅動下動態特征參數的變化，構建閉環控制系統，實現沖次的自適應調節。

2) 抽油機井智能變速驅動技術的研究逐漸從宏觀狀態向微觀過程過渡，由沖次與泵充滿度的閉環控制逐漸深入到研究變速驅動對系統主要運行過程的影響；調節的對象也從沖次轉變成周期內每一時刻點的電機轉速。

3) 抽油機井井下狀況復雜，微觀變速驅動技術所建立的機理模型在一定程度上存在誤差，適應性不足，結合反饋校正技術[13]，利用實時監測數據定期對模型進行修正。研究抽油機變速驅動的滾動優化可在一定程度上提高微觀變速驅動技術的智能化程度。

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Research on Variable Speed Drive and Control of Beam-pumping Unit

GUO Fudong1，FAN Ling1，GONG Hongliang2，SUN Chunlong2

(1.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Daqing Oil Production Engineering & Research Institute，Daqing Oilfield Co.，Ltd.，Daqing 163453，China)

Along with the decline of fluid supply capacity，there are some problems such as low system efficiency and serious energy waste when the beam-pumping unit is working.As the advanced energy-saving technique on beam-pumping unit，the variable speed drive (VSD) can control the motor rotate speed to balance the fluid supply and production，based on the system operation conditions.In the meanwhile，the full degree of pump can be improved and both the peak and fluctuation of the motor torque can be decreased.In this paper，the study on the variable speed drive technique is divided into two parts，in the macro level and in the micro level.In the first part，two types of design based on the polished rod diagram and the dynamic oil level relatively are discussed to achieve automatic control on frequency of stroke.Within the discussion，the main design principle and technical feature are put forward.In the second part，some recent findings on the variable speed drive technique in micro level are concluded including the energy saving mechanism and the existing problems at present.At last，it suggests that the variable speed drive technique will be developed towards more intelligent and elaborate.

beam-pumping unit；variable speed drive；intelligent control；energy-saving

1001-3482(2017)04-0016-04

2017-02-14

郭福東(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向為機械采油系統動態仿真與運行優化，E-mail：11021116@s.upc.edu.cn。

TE933.1

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.005