智能伺服控制技術提高游梁式抽油機系統效能的研究與應用

孟祥濤（中國石化中原油田分公司安全環保處）

抽油機是石油開采的主要地面設備，我國抽油機保有量超過20萬臺，其中游梁式抽油機約占90%，是石油行業機采系統最大的耗能設備。在采油成本中，抽油機電費占30%左右，其年耗電量占油田總耗電量的20%～30%，位列油田電耗的第二位，僅次于注水。研究和應用智能伺服控制技術，針對地下井筒“泵-桿”運行特性規律，對地面抽油機運行狀態進行智能控制優化，保證“機-桿-泵”協調平穩運行，可以大幅度提高抽油機整體系統能效水平。

1 現狀及問題

隨著油田逐步進入開采中后期，油井含水率不斷上升，動液面不斷下降，新開發油田產層深度、泵掛深度呈增加趨勢。抽油機采用具有對稱循環四桿機構或近似對稱循環四桿機構，雖然其結構簡單，運行可靠，操作維護方便，但由于常規抽油機的結構特征，決定了其平衡效果差，曲柄凈轉矩脈動大，存在負轉矩、載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點[1]。

1.1 “機-桿-泵”運行不同步

抽油機四連桿機構使驢頭的運動規律類似簡諧運行，驢頭在最高點和最低點運動方向發生交替轉換過程，地下井筒內的抽油泵柱塞并未同步進行轉換，而是有一定的置后時間，即此時驢頭與抽油泵柱塞的運動速度不同、方向甚至相反，而此時加速度變化最大，會對機械系統產生兩大危害：對抽油機變速箱齒輪、抽油桿、抽油泵產生巨大的沖擊載荷，容易造成減速箱損壞、抽油桿斷脫；造成沖程損失，導致抽油泵效率下降[2]。

1.2 電動機轉矩與負載不匹配

抽油機慣性矩較大，通常都是重載啟動，啟動轉矩比正常運行轉矩大1倍以上；抽油機啟動進入正常工作狀態后，其平均轉矩與啟動轉矩相差甚遠；而且為了應對抽油過程中的特殊情況（砂卡、結蠟等異常問題出現），防止抽油機電動機因卡死而燒毀，電動機設計功率都遠大于實際運行功率。目前，油田抽油機常用的三相異步電動機出廠效率在90%左右，但實際功率因數大多小于0.4，負載率低于30%。選用大容量電動機確實提高了系統的穩定性，但同時也降低了電能利用率和系統效率[3]。

1.3 電動機產生倒發電

游梁式抽油機的載荷特點是帶有沖擊的周期性交變載荷，在一個沖程之中存在倒發電問題。通常當交流電動機轉子當前轉速超過其同步轉速時，就會出現倒發電現象，電動機向電網發電。抽油機下沖程時負載帶動抽油機運行，此過程中存在倒發電，但倒發電并未用于抽油機抽油，而是損失在電網和電磁轉換中，造成抽油機電動機功率因數低。當電動機進入再發電狀態時，多余的能量反饋到電網，會對電網產生沖擊，使電網供電質量下降，對電動機影響很大，也不利于抽油機的可靠工作。

1.4 供抽不匹配

隨著油井的不斷開采，油井的供液能力逐漸下降。抽油機單位時間內抽出的液量變少，但其運行時間并沒有減少，與以往相比同樣的電能消耗換來的卻是更少的原油產品，而且隨著時間的推移，用電效率還有降低的趨勢。分析其主要原因是由于抽油機對于發生變化的井下供液能力保持固定的工作方式，高速的抽油機運行速度與低下的油井供液能力形成供不應求的差距，最終造成抽油機泵空（即空抽現象）[4]。

2 潛力分析

國內機采系統平均運行效率僅25.96%，先進水平為30.05%。根據節能測試研究分析，機采系統效率理論值在50%左右，而實際值為30%，有很大的提升空間（表1）。

表1 機采系統效率的潛力

影響機采系統效率的因素很多，從局部或者幾個環節實施技術改造并不能解決整體系統的問題，而且存在投入資金大、經濟效益差的諸多問題。機采系統效率為地面系統效率與地下系統效率乘積值，將“機-桿-泵”整體考慮，根據地下井筒“泵-桿”運行特性規律，利用智能伺服控制技術精確控制地面抽油機運行狀態，保證“泵-桿”平穩高效運行，能夠大幅度提高抽油機整體系統能效水平。

3 智能伺服控制技術

3.1 技術原理

預設控制目標，按照“誤差→當前值→誤差”控制流程，形成一個閉環控制，實時“比較指令值與當前值，縮小誤差”進行反饋控制；有誤差時改變控制內容，并將該過程進行反復控制，直至達到預設目標[5]（圖1）。

在伺服系統中，對裝在伺服電動機上的編碼器所發出的脈沖信號或伺服電動機的電流信號進行檢測，將結果反饋至伺服放大器，并根據該結果按指令控制電動機的運行。各環節都朝著使指令信號與反饋信號之差為零的目標進行控制：位置環＜速度環＜電流環[6]。各控制模式中使用的控制環節如表2所示。

表2 閉環控制模式

3.2 組成與結構

智能伺服控制系統由電流、電壓、頻率、轉矩及位置五個獨立的全閉環控制系統組成。通過啟動加速和運行軟件，可以實現既靈敏又高精度的動作，始終確認自己的動作狀態，避免與指令發生偏差而不斷進行反饋和修正。以物體位置、方位、態勢為控制量，跟蹤目標的任何變化而構建控制系統。其伺服驅動器采用專用的32位可編程DSP（digital singnal processor），對異步電動機進行全程的數字控制，能根據油井生產實際需要，有效調節電動機電流、轉矩、轉速、頻率等參數，滿足節能高效、平穩運行的生產需要。

圖1 伺服控制系統工作原理

3.3 運行過程

應用抽油機伺服控制系統，不需要改造游梁式抽油機的機械結構和電力拖動裝置，由專用的32位可編程DSP芯片為核心組成的伺服系統，對原三相異步交流電動機工作時的電流、轉矩、速度、位置處于四閉環系統中，實現“機-桿-泵”的同步協調運行。

1）抽油機啟動時，利用PowerFlexⅡ轉矩控制系統，精確控制轉矩，最大轉矩可達電動機額定轉矩的3～5倍，實現低轉速、大轉矩啟動。

2）抽油機啟動后，按照預先建立的運行數學模型，利用轉矩跟隨速度控制系統，讓抽油機驢頭按照設定軌跡全程變速運行。

3）抽油機正常運轉后，利用轉矩、位置控制系統實時跟蹤油井負荷的變化。根據伺服器內部運算系統計算出驢頭位置和轉矩，利用上位機可以繪制出示功圖；根據示功圖的變化可以判斷井下供抽匹配的狀況，自動優化調整抽油機的運行參數，使系統達到最佳工況。

4 現場應用

2018年9月28日，在中原油田分公司濮東采油廠H5-211井上進行現場應用。根據生產現狀，優化調整抽油機運行參數，開展安裝前后節能比對測試。經對比測試，節電率高達38.4%，見表3。

從圖2、圖3可以看出，油井由“較嚴重供液不足”變為“輕微供液不足”；動液面基本穩定，由原來的2 003 m變為2 002 m；平均工作電流明顯下降，由38.68 A下降為12.21 A，降幅達68.4%；在沖速由3.5 min-1下調為1.94 min-1、降幅44.6%的情況下，日產液量穩中有升，由原來的10 t/d增加到11.1 t/d，日增1.1 t；泵效由27.2%提高至54.5%，提高27.3個百分點。降低了驢頭最高（低）點運行速度，減少了沖程損失，增加了泵有效沖程。

表3 H5-211井安裝前后生產及測試數據對比

圖2 H5-211井安裝前示功圖

5 結論與認識

圖3 H5-211井安裝后示功圖

1）利用智能伺服控制技術可方便、平穩地實現變速運行，自動調節抽油桿在上下止點附近的運行速度，實現變速運行，減少沖程損失，減少抽油桿的沖擊載荷，從而提高泵效，改善抽油桿受力狀況，減少偏磨、斷脫現象，有效延長“機-桿-泵”使用壽命。

2）根據伺服驅動器提供的電動機的轉矩變化和驢頭位置通過上位機繪制示功圖，根據對比示功圖變化自動調整抽油機沖速，使抽油泵保持合理的沉沒度，避免供液不足、空抽現象，使低產井保持穩定連續生產，節電效果明顯。

3）對于供液嚴重不足井，可實現超低沖速生產，減少無效沖速，節能效果明顯。而且伺服控制器消除了異步電動機低速運行下轉矩的多邊形脈動，皮帶所受轉矩更均勻，有效地減少了皮帶的抖動、打滑現象，減少了燒皮帶、盤根干磨、跑油等問題，便于抽油井的日常生產管理。

4）改造簡單，不需要改造抽油機機械結構，投入低，非常適合油田企業實施節能降耗、提質增效的需要。

5）電動機皮帶輪過小，影響了節能效果的提升。油田開發后期，普遍存在供液不足的情況，常規方法是不斷調小電動機皮帶輪來降低沖速，其直徑多為180 mm或200 mm。該井由于供液不足，電動機皮帶輪過小，僅為180 mm，皮帶包角過小，導致打滑現象。如果更換大直徑皮帶輪，節能效果將進一步提升。