潛油電泵采油工藝中變頻技術應用效果分析

張寶柱

（大慶油田力神泵業有限公司，黑龍江 大慶 163000）

近年來，我國潛油電泵采油工藝發展較快，據相關資料統計，目前，潛油電泵井約占機采井總數的15%，還有繼續增長的趨勢，已成為油田尤其是開采多年油田提高采收率、降低成本的重要采油方式。各油田潛油電泵電機功率普遍在37～75kW，泵掛深度在1000～2000m之間；受油井管徑限制，電纜截面不能過大，因此，一般選用三相異步電機，額定電壓在660～2000V之間。由于潛油電泵位于1000m以上的井下，工作環境惡劣，諸如高溫高壓、強腐蝕等，同時地質因素、供電系統電壓波動等均對傳統的工頻、全壓供電方式造成了影響，使其頻繁出現故障降低泵機組壽命，還會使能耗大幅升高、效率大幅降低，無法自動調整泵進出口參數，導致其不能在最佳工況下運轉。變頻技術的出現，與潛油電泵系統相結合，通過改進其控制系統，可實現降低運轉能耗、提高采收率的效果。

1 潛油電泵傳統供電方式下常見問題

（1）不論是全壓還是工頻起動，起動電流均過大，會產生巨大的沖擊扭矩，對泵硬件系統會造成較大損害，且停泵時，系統電纜或電機電纜頭會產生電力反沖擊，造成能耗損失的同時，也會影響電機、電纜等的使用壽命。

（2）如果系統采用工頻運行，因不同深度油層的壓力不同，井液的流速就無法控制，可能裹攜大量泥沙造成沙卡、沙堵，進而導致潛油電泵故障，甚至報廢；或出現井液含水量過大，造成水淹事故。

（3）如果系統內無穩壓系統，由于電網內負荷不平衡、非線性及沖擊性的存在，會造成供電系統電壓波動過大。電壓高時，產生的扭矩就大，對潛油電泵的連接系統損害就大，同時，引起泵轉速高，流量大于正常值，溫度降低；電壓低時，產生的扭矩就小，會降低轉速，甚至運轉困難，泵效大幅降低，同時，引起系統溫度升高，造成絕緣層老化，引發事故。

（4）油田電網位于供電線路末端，受上游用戶影響，電壓穩定性較差，功率因數較低，造成潛油電泵系統效率低下。

（5）工頻運轉時，泵系統排量一定，無法根據井液動液面——也就是井內液面高低調整泵的排量，需人為進行干預，效率低下。

（6）潛油電泵系統是油電高能耗設備，工頻運轉時，往往無法根據不同時期油井產量更換泵系統，經常出現“大馬拉小車現象”，造成能源浪費。無論從潛油電泵的起動過程中對機械部分的損害，還是從能耗的角度來說，將變頻技術引入該系統是大勢所趨。

2 潛油電泵變頻控制系統的設置

2．1 技術工作原理

潛油電泵變頻控制系統主要是在電壓不變的情況下調整頻率，進而調整機械部分的轉速，以適應荷載的變化，電源頻率與泵轉速可用下式表示：

式中，n表示轉速，轉/分；f表示頻率，赫茲；S表示轉差率，%；P表示極對數，個。

根據式（1），異步電機的轉差率（電機機械轉速與同步轉速之差與同步轉速的比值）在很小范圍內波動，變化不大，同時，極對數為常數，因此，潛油電泵的轉速與控制電源的頻率近似成正比關系。

2．2 變頻控制系統的組成

潛油電泵變頻控制系統主要由變頻器單元、波形處理單元、保護及控制單位三部分組成，如圖1所示。

圖1 潛油電泵變頻控制系統原理圖

2．3 主要電路設計

（1）主電路。目前，油田潛油電泵變頻器主電路一般有兩種形式，兩電平電路和三電平電路。三電平電路輸出的電壓波形和兩電平一樣均為矩形，但其脈沖值是兩電平電路的一半，能大幅降低電壓變化率dU/dt，從而有效減少絕緣和諧波現象出現，使波形更接近于正弦，這一特點，徹底杜絕了很多問題，如輻射及傳導干擾問題、因器件換流引起的絕緣系統沖擊問題、電泵軸承腐蝕問題等。三電平變頻主電路原理圖如圖2。

圖2 三電平變頻主電路原理圖

（2）控制電路。控制電路由單片機采集接收電機的電流、電壓、頻率變化引起的反饋信號，實時監測系統的運行狀態，控制系統的運行方式。控制電路通過U/f方式控制主電路，頻率發生改變，變頻系統的輸出電壓會在一定寬度范圍內變化，調整電機轉速，提高其運行效率。

（3）保護電路。保護電路主要有6個部分，主要功能如下：穩定系統電壓、瞬時過電電流保護、接地保護、斷電保護、風機監測等，保護電路能有效降低電泵系統的故障率，延長其使用壽命，節約運行成本。

3 潛油電泵變頻調速驅動的功能特點

3．1 電泵系統的軟啟動

電泵系統在變頻模式下起動時，由于頻率的變化平穩，可消除電流對電機的沖擊，減小反電勢對絕緣層的作用，對電纜、電機等起到良好的保護作用。

3．2 穩定系統電壓

潛油電泵泵掛深度普遍在1100～3000m，井下電纜長導致壓降大，同時，由于用電周期及傳輸原因電網電壓波動大，井下溫度、壓力高，環境復雜，會導致電力系統及機械系統出現故障；增加變頻裝置后，可以根據實際參數自動控制電泵的輸入電壓，通過穩壓、降頻來解決常見的超壓、欠壓問題，以保障電泵系統穩定運行。

3．3 可智能控制、節能及降低故障率

根據參數實現閉環自動控制，通過頻率的調節控制油壓，調節油井出油量，使其在最佳工況下工作，達到節能的效果，避免了電泵長期高壓運轉出現故障，實現貧油井的連續作業及富油井的增產，有效減少卡泵、氣鎖、結垢、結蠟等現象。

3．4 延長電泵系統的壽命周期

變頻技術的應用可使電泵在最佳工況下運轉，有效降低了機械部件的磨損及系統的發熱，增加了密封件及防腐結構的使用壽命，因此，可以大幅延長電泵系統的壽命周期。

4 潛油電泵變頻技術在某作業區的應用

大慶油田外圍采油廠某作業區共有油井426口，其中潛油電泵井123口，所占比率為28.9%，所產原油約占總產量的50%，截至目前，所有潛油電泵井均已完成變頻技術改造。經過對2年現場實際數據統計分析得出，潛油電泵系統的保護功能大大提高，如缺相、過流、短路、過壓、過熱，免修期從平均140天延長至平均220天；與變頻系統安裝前對比，單井產液量平均降低3.8T，產油量平均降低0.4T，電流平均下降8.1A，功率因數從平均0.72提高至平均0.89。

5 結語

事實證明，變頻技術在潛油電泵采油系統中的應用，在外圍采油廠取得了明顯的節能效果，節約了維修保養費用，大大降低了采油成本，保護了油田環境，研發變頻調速技術在潛油電泵采油系統推廣具有廣闊的市場前景。