電動機隨動變速運行技術實踐與認識

常瑞清 戚興 王翠 殷雷 李春紅 周錄方 鞏宏亮 郭振超

（1.大慶油田有限責任公司采油工程研究院；2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室；3.大慶油田有限責任公司第二采油廠）

游梁式抽油機由于具有結構簡單、可靠耐用、操作及維修方便等特點，具有100多年的發展歷史，如今仍作為油田最常用的機械采油設備，其應用數量在各種人工舉升方式中占比90%左右，因此，游梁式抽油機的發展水平在油田整體發展中起到主導地位。

游梁式抽油機系統由于其四連桿機構存在固有特性，啟動扭矩大[1-4]，負載波動幅度大，系統承受交變載荷，載荷沖擊大，振動大，從而導致系統效率低、部分零部件壽命縮短等問題。隨著節能抽油機、節能電動機、節能配電箱等節能配套技術的廣泛應用以及控制技術的發展，油田涌現出了各種周期性階段變速控制技術[5-6]，在抽油機井節能降耗方面見到了一定的效果，但這些技術沒有從根本上解決載荷波動大的問題。為此，近年來，探索和實踐了電動機隨動變速運行技術，該技術以隨抽油機井交變載荷變化而實時調整電動機轉速為手段，實現降低功率和載荷波動幅度[7-10]、提高效率、改善抽油機運行狀態，經過模擬井和現場不同工況井的試驗，取得了較好的試驗效果，為油田節能降耗工作開辟了發展途徑。

1 技術原理

隨動變速就是隨著抽油機系統負載瞬時運行情況實時調整電動機轉速，輸出頻率在10～100 Hz范圍內無級可調，載荷增大電動機減速，載荷減小電動機提速，實現電動機功率平穩輸出，抽油機系統時刻保持柔性運行狀態，有效避免載荷沖擊。常規運行電動機轉速和功率變化曲線見圖1，柔性運行電動機轉速和功率變化曲線見圖2。

圖1 常規運行電動機轉速和功率變化曲線Fig.1 Speed and power variation curve of regular running motor

圖2 柔性運行電動機轉速和功率變化曲線Fig.2 Speed and power variation curve of flexible running motor

從地面驅動和傳動整個系統來看，游梁式抽油機的理想驅動方式就是按負載需求動態調整電動機驅動轉速，游梁式抽油機井電動機隨動變速運行技術是在不改變原有系統任何結構的基礎上，開發了一種柔性隨動控制技術，控制原理流程見圖3，該技術系統主要由智能控制器、變頻驅動器、電動機轉速傳感器和曲柄位置傳感器組成，通過電動機轉速、曲柄位置[11]和電參等多參數回饋，智能控制器分析電動機轉速、功率和曲柄位置，計算出電動機驅動速度和功率，變頻驅動器按照智能控制器下達的指令驅動電動機實時調整電動機轉速，能夠對游梁式抽油機系統實時精準調控，且充分利用了系統慣性，有效降低電動機功率峰值及波動幅度，實現電動機功率平穩輸出，電動機高效運行，最終達到節能降耗，延長整機使用壽命的目的。

圖3 控制原理流程Fig.3 Control principle flow

（工況條件：CYJ10-3-37HB型抽油機、?57 mm抽油泵、3 m沖程、6次/min、1 000 m泵深、800 m動液面）。

2 應用效果

2.1 標準模擬井試驗效果

在CYJ10-3-37HB常規游梁式抽油機標準模擬試驗井同等工況情況下（工況條件：CYJ10-3-37HB型抽油機、?70 mm抽油泵、3 m沖程、沖次為6次/min、600 m動液面），開展了常規工頻運行和電動機隨動變速運行狀態下對比測試試驗，對比內容包括電動機輸入功率、減速箱輸出扭矩、減速箱振動幅度和系統效率，對比結果為：

1）電動機隨動變速運行狀態下電動機功率峰值顯著降低，降幅達到70.4%，抽油機在一個沖程內電動機功率平穩，消除了負功。電動機輸入功率曲線對比見圖4。

圖4 電動機輸入功率曲線對比Fig.4 The comparison of motor input power curve

2）電動機隨動變速運行狀態下減速箱輸出扭矩峰值降低，降幅16.2%，減速箱負扭矩明顯減小。減速箱輸出扭矩見圖5。

圖5 減速箱輸出扭矩Fig.5 Gearbox output torque

3）電動機隨動變速運行狀態下減速箱振動降低，最大振動幅度降低了76.1%，減輕了對設備的沖擊。減速箱振動幅度分布見圖6。

圖6 減速箱振動幅度分布圖Fig.6 The distribution diagram of gearbox vibration amplitude

4）電動機隨動變速運行狀態下電動機效率和系統效率明顯提高，電動機效率提高3個百分點以上，系統效率提高4個百分點以上，常規運行和電動機隨動變速運行電動機效率和系統效率對比見表1。

表1 常規運行和電動機隨動變速運行電動機效率和系統效率對比Tab.1 Comparison of motor efficiency and system efficiency between regular running and motor with variable speed operation

2.2 現場應用效果

在現場選取了不同工況的462口井開展了電動機隨動變速運行技術應用后的效果評價。

2.2.1 高沉沒度井應用效果

開展了147口高沉沒度井測試，應用電動機隨動變速運行技術前后效果對比見表2，系統效率提高了5.7個百分點，單井日產液增加4.7 t，實現了耗電不升，提高了舉升能力。

表2 高沉沒度井應用隨動變速運行技術前后效果對比Tab.2 Comparison of the effect of high-submergence wells before and after the application of variable speed operation technology

2.2.2 超負荷井應用效果

開展了42口超負荷井測試，這些井原來經常性出現過載停機，超負荷井應用隨動變速運行技術前后效果對比見表3，功率峰值降幅37.4%，運行時率由82.4%提高到96.5%，單井日產液增加5.7 t，不但提高了舉升能力，而且大幅減少了換機工作量。

表3 超負荷井應用隨動變速運行技術前后效果對比Tab.3 Comparison of the effect of overload wells before and after the application of variable speed operation technology

2.2.3 老區油田低沉沒度井應用效果

開展了79口大慶老區油田低沉沒度井測試，老區低沉沒度井應用隨動變速運行技術前后效果對比見表4，系統效率提高了3.6個百分點，節電率17.7%，單井年節電14 760 kWh。

表4 老區低沉沒度井應用隨動變速運行技術前后效果對比Tab.4 Comparison of the effect of low-submergence wells in olddistrict before and after the application of variable speed operation technology

2.2.4 外圍油田低沉沒度井應用效果

開展了76口大慶外圍油田低沉沒度井測試，外圍低沉沒度井應用隨動變速運行技術前后效果對比見表5，系統效率提高了6.2個百分點，節電率23.4%，單井年節電11 520 kWh，實現了產量不降，節能增效。

表5 外圍低沉沒度井應用隨動變速運行技術前后效果對比Tab.5 Comparison of the effect of peripheral low-submergence wells before and after the application of variable speed operation technology

2.2.5 合理沉沒度井應用效果

開展了118口合理沉沒度井測試，合理沉沒度井應用隨動變速運行技術前后效果對比見表6。系統效率提高了3.3個百分點，單井日產液增加1.3 t，節電率12.8%，單井年節電13 320 kWh。

表6 合理沉沒度井應用隨動變速運行技術前后效果對比Tab.6 Comparison of the effect of reasonable low-submergence wells before and after the application of variable speed operation technology

3 應用前景分析

3.1 數字化油田領域的應用

應用游梁式抽油機電動機隨動變速運行技術無需改變原有抽油機和電動機，在現場應用中表現出了提高舉升能力、降能耗、降功率峰值、削減負扭矩等顯著效果，系統設備運行穩定，可實現載荷、扭矩和電參的數字化，具備遠傳控制、能耗計算等功能。

3.2 保障游梁式抽油機高效運行

電動機隨動變速運行技術可在10～100 Hz超寬頻率范圍內實時調整電動機速度，當地層供液發生變化時，無需更換抽油機、抽油泵和電動機等設備就可以實現供排協調，油井高效運行。

當油井產量明顯增加（比如地層壓裂等增產措施），動液面偏高的情況下，可做到自動調高頻率，提高抽油機沖次；當油井產量明顯降低，出現嚴重供液不足的情況下，可與不停機間抽技術有機結合，即：地面示功圖充滿度嚴重偏低時（小于65%）抽油機曲柄自動進入擺動運行、井下泵停抽狀態，地面示功圖充滿度大于一定值時（大于等于65%）抽油機自動進入電動機隨動變速連續運行狀態。

因此，電動機隨動變速運行技術的合理應用，既可以節省一次性投資，又能保證油井高效運行。

3.3 提高電動機運行穩定性

有些無轉差率的特種電動機比如永磁電動機、開關磁阻電動機等同步電動機，固有特性剛性強、運轉時設備沖擊大，電動機隨動變速運行技術應用到這種電動機的油井上，不但能提高設備可靠性和穩定性，延長設備使用壽命，還能保持油井高效運行。

4 結論

1）該技術在不改變游梁式抽油機結構的條件下，按供采平衡原則主動調整電動機運行速度，能夠使游梁式抽油機的整體運行效果接近直線式抽油機的水平。

2）該技術運行方式特征為重載慢驅、輕載快驅的運行模式，保障電動機功率平穩輸出，使得系統的運行速度范圍大幅提高，并且實現了柔性運行，減輕地面傳動系統和整個桿柱結構的疲勞環境，延長設備使用壽命。

3）該技術在現場應用中表現出提高舉升能力，在一定程度上提高電動機效率和抽油機系統效率、降能耗、降功率峰值、削減負扭矩等顯著效果，系統設備運行穩定，降低減速箱振動，減少設備沖擊，技術有效性和可靠性得到了充分驗證。

4）該技術現場應用于不同工況油井，均見到了明顯效果，同工況油井節能提效明顯，低負載油井節能效果突出，高負載油井提高了系統舉升能力，高沉沒度油井提液增效顯著。

5）該技術可在游梁式抽油機全生命周期內發揮特有的優勢，游梁式抽油機是油田第一大舉升方式，在用井數眾多，該技術應用空間廣闊。