基于變頻控制技術的潛油電泵生產(chǎn)應用研究

王 巖

（中法渤海地質服務有限公司，天津 300450）

0 引言

傳統(tǒng)潛油電泵在運行時多處于全壓工頻恒壓模式，在啟動時產(chǎn)生的沖擊電流會對潛油電泵機組的壽命周期產(chǎn)生負面影響，影響油井的正常生產(chǎn)和開采。變頻技術的發(fā)展為提升潛油電泵系統(tǒng)工作效率和壽命周期提供了有利的契機[1]。將現(xiàn)代變頻控制技術應用到潛油電泵系統(tǒng)中，能夠優(yōu)化其系統(tǒng)功能，提升其生產(chǎn)效率，在降低能耗的同時，為企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟利潤。

1 潛油電泵生產(chǎn)系統(tǒng)常見問題

油田開發(fā)進入中后期，含水較高，應用潛油電泵采油能夠有效的提高采收率，提升石油開采的持續(xù)性和穩(wěn)定性，降低作業(yè)成本。目前國內油田使用的潛油電泵額定功率多在37～75 kW。由于其作業(yè)環(huán)境多為管徑較小的油井，為了有效降低電線截面積，多采用660～2000 V 的三相異步電機。潛油電泵多位于地下1000 m 以下的井下，受高溫、高壓、強腐蝕等復雜惡劣地質環(huán)境等因素影響，傳統(tǒng)電泵系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障[2]。

（1）傳統(tǒng)工作中，潛油電泵處于全壓工頻恒壓模式，當電機直接啟動時，系統(tǒng)瞬間受到?jīng)_擊電流較大，一般啟動電流是額定電流的5～8 倍，如果缺少穩(wěn)壓系統(tǒng)，瞬間電壓容易導致潛油電泵系統(tǒng)溫度升高、絕緣損傷，引發(fā)電纜故障。啟動電流產(chǎn)生的沖擊扭矩對電泵機械帶來巨大的沖擊，停泵時會產(chǎn)生電力反沖擊影響電機、電纜的使用壽命。

（2）井下地質環(huán)境復雜，不同深度的地層所承受的地層壓力存在差異，在工頻運行方式下，采油速度難以有效控制，容易導致含水過多、水淹、出砂等問題，導致潛油電泵砂卡損壞。

（3）油氣多儲存在地下數(shù)千公里深度，地質條件復雜、多解性強，因此難以準確配置油氣儲量、單位電力、泵排氣量等參數(shù)。井下液量不足時，泵產(chǎn)生的油壓過高，會導致泵使用壽命縮短。

（4）動力電纜多具有較好的電纜強度以及絕緣性能，能夠適應井下高溫等復雜特種作業(yè)環(huán)境。當潛油電泵作業(yè)時，電壓在線路中傳輸，受行波衍射作用影響，du/dt 值將被放大，對電纜使用壽命帶來影響。

（5）電泵機組在實際運行時，受寄生電容的影響，如果進行高頻次的通斷操作，將會給相關功率元件帶來極大的電應力，在這樣的情況下電泵機組絕緣性能會受到較大影響，長期電應力作用下電纜絕緣老化加速。如電應力持續(xù)加大，將會導致絕緣被擊穿，影響潛油電泵的壽命周期[3]。潛油電泵運行時，電機轉子軸承、定子之間不可避免的會產(chǎn)生寄生電容，進而導致脈沖充電電流，寄生電容持續(xù)累加會導致電機轉子電壓增加，當超過設計值時會對電機軸承潤滑油膜產(chǎn)生擊穿效果，影響電機軸承的正常使用，嚴重者可能造成軸承損壞。

（6）潛油電泵運行過程中，輸出諧波會出現(xiàn)導熱、升溫現(xiàn)象，為此大部分電機采用降額方式應用。諧波電流可能導致波形異常，加劇電機噪聲。諧波電流經(jīng)過電機，可能引發(fā)電機轉子套組銅損問題。諧波電流還會導致磁場的產(chǎn)生，并對轉子鐵芯產(chǎn)生一定損傷，即在轉子及電機定子中生成附加鐵損，導致電機加速升溫。部分研究結果顯示，受諧波電流的影響，電機效率一般會下降2%左右[3]。

（7）潛油電泵耗電量較大，是油田主要高能耗設備，工頻狀態(tài)運轉時會導致能源浪費。因此，無論是減少機械損傷還是降低能源損耗，都迫切需要引入變頻控制技術。

2 變頻控制技術原理和特點

2.1 變頻控制技術原理

變頻控制技術是在保證供電電壓不變的前提下調整電源頻率，使得電源頻率f 與泵轉速n 相適應，通常情況下二者之間的關系為n=60f（1-s）/p，其中s 表示轉差率，異步電機轉差率波動范圍較小；p 表示極對數(shù)，多為常數(shù)，因此潛油電泵轉速與電源頻率二者正向相關。對于普通變壓源變頻器來說，電壓輸出時不可避免會出現(xiàn)電壓跳變的現(xiàn)象，因此需要逆變器功率元件提升開關的應用速度。此時電壓的變化率（du/dt）會隨之增加，一旦該變化率超過設計閾值，將會對電泵機組的絕緣性產(chǎn)生負面影響。作為井下工作的多級離心泵，為了降低潛油電泵線路壓降，電機多設計為660 V 或1000 V 級等中壓范疇：電壓降低會造成電機低效無法正常工作，電壓升高則可能導致線路面臨絕緣問題，降低線路可靠性。目前泵掛深度在1 km 范圍內的油井，多數(shù)情況下采用660 V 級別的潛油電泵，泵掛深度在1～2 km 的油井，潛油電泵多為1140 V 級[4]。

變頻控制系統(tǒng)核心部件為配電控制箱。與兩電平電路相比，三電平電路輸出的電壓脈沖值較低，能夠有效減少絕緣和諧波等現(xiàn)象，進而避免傳導干擾、絕緣系統(tǒng)沖擊等問題。三電平變頻調控系統(tǒng)如圖1 所示，總體上來說，該控制系統(tǒng)可以劃分為控制監(jiān)測單元、頻率生成單元、電壓波形數(shù)據(jù)存儲單元以及電壓變換輸出單元。其中控制監(jiān)測單元主要為核心單片機，能夠接收電機電流、電壓以及頻率變化引起的信號，對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測。頻率生成單元包括計數(shù)器、定時器等器件；電壓波形數(shù)據(jù)存儲單元主要為ROM。根據(jù)系統(tǒng)運行情況，單片機控制電路通過U/f 等方式計算出最優(yōu)的電源頻率和電壓，進而實現(xiàn)控制輸出電平以及閉環(huán)控制的目的。

2.2 變頻控制技術特點

（1）軟啟動功能。變頻調速技術的應用能夠保證電泵系統(tǒng)進行軟啟動，在該模式下，沖擊電流能夠限制在額定電流150%以內，進而最大程度上消除電流對電機的沖擊效應。與此同時，頻率變化相對平穩(wěn)，電機轉速接近同步狀態(tài)，能夠減小反電勢對絕緣層的作用。基于變頻控制技術對潛油電泵進行優(yōu)化改造，實現(xiàn)潛油電泵的軟啟動，能夠對電機以及電纜起到良好的保護作用。

（2）穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。泵掛深度一般在地下1～3 km，井筒內電纜長，導致壓降大，在高溫、高壓復雜工作環(huán)境下，容易出現(xiàn)系統(tǒng)故障問題，影響油田的高效生產(chǎn)。變頻控制技術的應用能夠自動控制電泵的輸入電壓，進而解決超壓、欠壓問題，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（3）節(jié)能效果顯著。根據(jù)井況，通過頻率調節(jié)控制油井出油量，使其能夠在最佳工況下工作，避免電泵長期處于高壓工作狀態(tài)。與此同時，無論是重載還是輕載狀態(tài)下，系統(tǒng)功率因數(shù)均較高，節(jié)電、節(jié)能效果明顯。

（4）延長電泵系統(tǒng)的使用壽命。變頻控制技術尤其是變頻器軟啟動功能的應用，能夠限制啟動電流的峰值，進而延長電泵的壽命周期，降低設備故障發(fā)生概率，節(jié)約油井維修成本，助力油田經(jīng)濟效益提升。基于變頻調速技術，潛油電泵機組能夠在最佳工況下作業(yè)，采油系統(tǒng)工作效率大幅提升。國內外油田應用結果顯示，將變頻控制技術應用到潛油電泵生產(chǎn)作業(yè)中，能夠大幅降低設備維修周期，技術應用前維修周期在3～6 個月，技術改造后維修周期延長至1～2 年[5]。與此同時，變頻調控系統(tǒng)具有過載保護功能，能夠提升電泵和電機在復雜環(huán)境下的工作壽命，提升其工作適應性。與傳統(tǒng)兩電平變頻器相比，三電平變頻調控系統(tǒng)輸出電壓波形更接近于正弦，較好地解決了諧波、絕緣、干擾等問題，多臺集中使用不會對電網(wǎng)功能產(chǎn)生影響。此外，變頻器器件已經(jīng)相對成熟且性價比高，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行故障率低。

（5）實現(xiàn)智能控制，自動化程度有效提升。利用微型計算機智能控制，自動適應工作狀況，人工干預程度低。基于變頻控制技術，可根據(jù)不同井況智能調整采油效率。例如對于富油井來說能夠進一步提升采油效率，實現(xiàn)增產(chǎn)增效；對于貧油井來說，通過智能調控能夠做到連續(xù)生產(chǎn)減少關井次數(shù)；對于含砂油井來說，能夠有效減少卡泵概率，提升電泵壽命周期；對含氣油井來說，能夠避免油氣分離不佳導致的氣鎖現(xiàn)象；對于含蠟油井來說，能夠最大程度上規(guī)避因結蠟導致的管路堵塞問題；對于稠油油井來說，可根據(jù)工況實施低速大功率工作模式，減少停井次數(shù)。

（6）經(jīng)濟效益顯著。對既有電潛泵進行變頻控制技術改造，能夠降低設備故障概率，延長設備壽命周期，提升節(jié)能效果，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。

3 變頻控制技術在潛油電泵生產(chǎn)控制系統(tǒng)中應用

近年來，對海上某油田28 口潛油電泵進行變頻控制技術應用，取得了較好的應用效果。變頻控制技術應用以后，油井平均檢泵周期由應用前的182 d 延長至498 d；單井平均功率因數(shù)由應用前的0.70 提升至0.89；單井日產(chǎn)液量基本保持不變，單井平均電量下降30.21%，測試平均噸液耗電降低32.25%，平均系統(tǒng)效率提升11.58%。應用實踐顯示，將變頻控制技術應用到潛油電泵井，電泵系統(tǒng)的保護功能大大提高，現(xiàn)場維護費用以及開采成本降低，節(jié)能降耗和經(jīng)濟效益顯著。

4 結束語

在石油開采過程中，將變頻控制技術應用于油田潛油電泵生產(chǎn)系統(tǒng)，不僅能夠降低系統(tǒng)故障率，節(jié)約設備維修、保養(yǎng)費用，還具有顯著的節(jié)能效果，應用前景廣闊，具有推廣價值。