抽油機井變頻柜在油田現(xiàn)場的應用

一、前言

新木采油廠地處吉林省松原市西北部，是一個低孔低滲的復雜斷塊油藏，開井938口，其中抽油機井899口，螺桿泵井有38口，自噴井有1口，抽油機舉升是主要的采油方式。2005年在系統(tǒng)耗電中，采油系統(tǒng)耗電量占全廠電量的三分之一；在噸油成本中，電費支出約占生產(chǎn)成本的六分之一。06年統(tǒng)計現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)：抽油機井電機平均功率利用率23.5％，平均功率因數(shù)0.53，系統(tǒng)效率僅為23.5％。系統(tǒng)效率低，提升空間大。分析影響系統(tǒng)效率的因素很多，歸納起來主要為有2個方面，即設備因素和技術管理水平。

1、設備因素

抽油機運動特點是帶負荷啟動，啟動力矩大，為了滿足最大轉(zhuǎn)扭的需求, 同時為保證在結蠟、出砂和抽油機不平衡時有一定裕度，抽油機必須配備較大功率的電機、減速箱和變壓器。但是正常生產(chǎn)時抽油機驢頭承受的是周期性脈動負荷，最大負荷與最小負荷差值大，在一個沖程中相當長的時間輕載運行（圖1），大部分井運行功率僅是電機裝機功率20～30％，即所謂的“大馬拉小車”，使電機效率低，地面效率低。

采油廠抽油機以常規(guī)四連桿機構為主，常規(guī)型抽油機盡管有種種優(yōu)點，但缺點也尤為突出。常規(guī)型抽油機載荷波動系數(shù)（CLF）和懸點加速度大，配套電機功率大，平衡效果差，即使在平衡效果較好的情況下，減速箱峰值扭矩仍較大，負扭矩現(xiàn)象也很嚴重，導致電動機進入再生發(fā)電狀態(tài)（圖2），將多余能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓升高，勢必會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低，使常規(guī)型抽油機效率低，能耗高。常規(guī)型抽油機由于其幾何尺寸和啟動力矩需求，配套電機功率大，而運行時均值功率卻不大。

節(jié)能電機少，常規(guī)電機多。交流異步電機的效率和功率因數(shù)在額定值附近達到最大值（圖3），常規(guī)抽油機運動特性決定電機長期運行在低效區(qū)，電機電能利用差，造成了較低的功率因數(shù)和電能的浪費。而且很多電機多次維修和嚴重老化，使電機效率低，網(wǎng)損、銅損嚴重，無功損耗大。

2、技術管理因素

采油廠是典型低滲油田，有大量低產(chǎn)低效的油井，這些井電機以六級電機為主，抽油機以五型和六型為主。即使工作參數(shù)很小時，工作制度仍很大，泵效很低。如118塊最小機型為5-1.8-18HF，該機型在最小理排下產(chǎn)量是12.52（1.8×6×Φ32），泵效在23%以下。這些井泵效低，井下效率小，無功損耗大。對于調(diào)低沖次油井，換小直徑皮帶輪，成本低，使用方便，但皮帶輪直徑不能過小，否則皮帶包角過小影響皮帶使用壽命和雨雪天皮帶打滑。常規(guī)六型抽油機(減速箱大皮帶輪外徑是800mm，減速箱總傳動比31.714)配備8級電機最多能降到4次/分，配備6級電機最多降到5.3次/分。常規(guī)五型減速箱大皮帶輪外徑和減速箱總傳動比小于六型抽油機，最低沖次還降不到這個程度。

二、提高系統(tǒng)效率技術應用分析

如何提高機械采油井系統(tǒng)效率，降低油井噸液耗電、減少原油開采成本，促進油田生產(chǎn)效益，已成為油田生產(chǎn)急需解決的重要問題。抽油機井要提高系統(tǒng)效率從兩個方面人手：優(yōu)選節(jié)能設備和優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)。

1、節(jié)能設備分析

節(jié)能設備主要包括節(jié)能抽油機、節(jié)能電機和節(jié)能配電箱。節(jié)能抽油機價格高，主要用于新建產(chǎn)能和設備更新上，對于老井主要是進行抽油機節(jié)能技術改造，通過降低減速箱峰值扭矩，使電機功率下降，但是初期投入較高，投資回收期長，實施數(shù)量非常少。因此節(jié)能設備優(yōu)選對象主要是電機和配電箱，實現(xiàn)目標是通過提高電動機效率和負荷率，提高運行效率和功率因數(shù)或者是從系統(tǒng)考慮，改變電動機的機械特性，使抽油機、桿、泵整個系統(tǒng)達到較佳配合，提高系統(tǒng)效率。

節(jié)能電機主要有稀土永磁電機、高轉(zhuǎn)差電機。節(jié)電箱主要是Y一△轉(zhuǎn)換、功率因數(shù)控制器和無功功率補償以及變頻調(diào)速等。

①稀土永磁電機

稀土永磁同步電機轉(zhuǎn)子為稀土磁鋼，采用異步啟動，同步工作方式，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場完全同步，無轉(zhuǎn)差損耗，轉(zhuǎn)子不需要外加勵磁電源，消除了勵磁損耗，具有起動力矩大、過載能力強、效率高、功率因數(shù)高等特點。與Y系列電機和超高轉(zhuǎn)差相比稀土永磁電機節(jié)電明顯，功率因數(shù)提高（表1）。但是比Y系列電機還硬的機械特性，使負有功和功率最小值增加，加劇抽油機系統(tǒng)振動（圖4、圖5）。

表1 稀土永磁電機應用效果對比

圖4：Y系列電機電參數(shù)曲線

圖5：稀土電機電參數(shù)曲線

②高轉(zhuǎn)差電機

高轉(zhuǎn)差率電機與Y系列電機相比，加大了轉(zhuǎn)子電阻及轉(zhuǎn)子損耗，使電機機械特性變“軟”，減少了提拉速度和加速度，從而使抽油機系統(tǒng)的峰值阻力矩減少，降低了輸出功率。缺點電機效率和功率因數(shù)低。其轉(zhuǎn)差率靠提高轉(zhuǎn)子電阻實現(xiàn)的，增加了滑差損耗，其輸出功率降低，輸入功率不一定降低。因此用它換Y系列電機有一定適合區(qū)間。

Y一△轉(zhuǎn)換適合功率利用率低、大馬拉小車嚴重的抽油井使用。電機三角形啟動后，再將定子繞組切換成星型接法運轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換后平衡變差，如果角接時平衡性差，轉(zhuǎn)換后平衡性更差，現(xiàn)場需要轉(zhuǎn)換井平衡性好。

④功率因數(shù)控制器

功率因數(shù)控制器，主要是采用單片機實時檢測電機電壓與電流之間的相位差變化，控制晶閘管的導通角，自動調(diào)節(jié)電機的供電電壓，使電機在空載或輕載時降壓運行從而達到提高功率因數(shù)，節(jié)能的目的。但是在實際應用過程中節(jié)電效果不太理想，主要原因是電壓的變化速率跟不上電流的變化速率。另外由于可控硅引起電流產(chǎn)生諧波，受瞬變電勢和瞬變電流的影響，引起電機發(fā)熱和振動，影響了節(jié)電效果。

⑤無功補償器

無功補償器主要是采用加裝一定容量的電容器對電網(wǎng)進行無功補償，減少無功電流來提高功率因數(shù)，降低供電變壓器負荷，從而降低網(wǎng)損達到節(jié)電的目的。目前這種技術應用比較廣泛，效果也較好，缺點是不能提高電機效率，也不能降低電機輸入功率，功率因數(shù)提高到0.5～0.6，電容器容易損壞。

⑥變頻控制器

變頻控制柜是實現(xiàn)了電動機的軟啟動，對電網(wǎng)無沖擊，電動機功率因數(shù)可由0. 25～0. 50 提高到0. 90以上，從而減輕了電網(wǎng)及變壓器的負擔，降低了線損。操作方便，不需停產(chǎn)即可根據(jù)油井的實際供液能力，動態(tài)調(diào)整抽取速度。利用最新研制的四象限矢量控制變頻調(diào)速器，配以過程控制、位置傳感等技術改造現(xiàn)有的抽油機，可以實現(xiàn)油井節(jié)電、增效和增產(chǎn)，從而提高整個有桿抽油系統(tǒng)的機采效率。

2、優(yōu)化參數(shù)分析

優(yōu)化抽油參數(shù)是根據(jù)油井動態(tài)變化，以低能耗為目標及時調(diào)整抽油參數(shù)。做法是長沖程、低沖次、合理泵徑。選擇低沖次的方法是很重要的工作。

常規(guī)抽油機生產(chǎn)時油井平均沖次計算公式：

—電源頻率，hz；

—電動機的磁極對數(shù)。

調(diào)換小直徑皮帶輪是現(xiàn)場普遍采用的方法，成本低，使用方便，除非換12極電機否則最多能降到4次/分。增加抽油機減速箱傳動比有兩種方法：一種是更換大總傳動比更大的減速箱，傳動比至少要達到32；另外一種是對減速箱技術改造，在原減速箱基礎上更換短齒齒輪。這兩種方法成本高，不宜在現(xiàn)場使用。

換減速箱大皮帶輪直徑成本較高，可操作性差。

表2 降低電機轉(zhuǎn)速方案對比

綜上所述，對比可實施的幾種方案（表2），從優(yōu)選節(jié)能設備和優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)的角度考慮，對于一些低產(chǎn)井和液面波動大的井，由于受到皮帶輪最小包角和沖次有級調(diào)整的限制，達不到供排合理的抽油機井使用變頻控制柜是最理想的選擇。

三、抽油機井變頻調(diào)速適應性分析

1、變頻對輸入功率影響

輸入功率 與油井工作制度關系可以用下式表示：

上式表明：影響輸入功率大小關鍵因素是沖程和沖次乘積，也就是光桿運行速度。其它參數(shù)不變，油井能耗與抽汲速度成正比。沖次將隨著電源頻率的改變而改變，而且兩者的變化為正比關系。因此調(diào)低頻率油井輸入功率降低。

2、變頻技術對抽油機懸點運動規(guī)律的影響

抽油機運動模型簡化為曲柄滑塊機構運動，懸點運動速度公式：

根據(jù)前面的分析，由于抽油機電機的電源頻率發(fā)生了改變，從而導致了電機轉(zhuǎn)數(shù)在上下沖程的改變，最終改變了抽油機曲柄運轉(zhuǎn)的角速度ω，使抽油機懸點運動規(guī)律發(fā)生了改變：在上沖程過程中，懸點運動的速度、加速度減?。辉谙聸_程過程中，懸點運動的速度、加速度增大。

3、變頻對抽油機懸點載荷的影響

抽油機懸點載荷主要包括抽油桿柱載荷、作用在柱塞上的液柱載荷、以及慣性載荷。其中，抽油桿柱載荷、液柱載荷是靜載荷，它不隨懸點速度、加速度的改變而變化，而慣性載荷隨之變化。

根據(jù)上面的分析，抽油機井在采用變頻調(diào)速后，改變了上下沖程過程中的懸點加速度，導致上沖程過程中液柱慣性載荷和抽油桿柱慣性載荷都減小，而下沖程過程中，只引起抽油桿柱慣性載荷的增大，最終的結果是引起懸點最大載荷比變頻前有明顯的下降，而懸點最小載荷比變頻前稍有增大。

4、變頻對井下抽油桿應力的影響

鋼制抽油桿極限交變次數(shù)按700萬次～1000萬次計算，不同沖次時抽油桿的使用壽命見下圖。

可見，油井的沖數(shù)越高，抽油桿使用的年限越短。如果井下偏磨或腐蝕，抽油桿使用壽命大大降低。調(diào)低頻率后，降低沖數(shù)，，減少循環(huán)次數(shù)，抽油桿使用壽命延長。進一步變頻，采取上慢下快的抽油方式，使懸點最大載荷減小，最小載荷增大，改變了井下抽油桿的循環(huán)特性，降低應力幅度，延長了桿的使用壽命。

5、變頻對抽油井偏磨的影響

油井偏磨是導致油井作業(yè)的重要原因。抽油桿柱實際軸向分布力越小，臨界軸向壓力越小，抽油桿柱越容易彎曲，從而導致偏磨。抽油機井變載荷運行使抽 油桿產(chǎn)生彈性振動，振動載荷由下至上逐步增大，直接影響軸向壓力的變化，當軸向壓力增加到一定程度時，桿柱將屈曲變形產(chǎn)生徑向接觸力，增加了桿管偏磨。沖次增加，增加了振動幅度，在中和點部位增加了軸向壓力，將增加抽油桿彎曲沖擊的動量和沖量，這將增加桿柱的軸向作用力。在該壓力達到足夠大的情況下能夠使桿柱失穩(wěn)彎曲，抽油桿受到軸向壓力越大，隨之產(chǎn)生的側(cè)向力也越大，從而加快了桿管的偏磨。使用變頻后可以下調(diào)沖次，減少桿柱軸向作用力，降低甚至避免偏磨的發(fā)生。

6、變頻對油井產(chǎn)量和泵效的影響

對于供液充足的油井，在保證合理沉沒度即動液面的情況下，增大電源頻率調(diào)高沖次，提高油井的產(chǎn)液量，發(fā)揮油井的生產(chǎn)潛力和增大有效功率。

對供液不充足的油井，由于影響油井供液不足的原因一是地層本身的供液能力差，二是油井抽油參數(shù)相對偏大。因油井地層能量低，而抽油參數(shù)又相對偏大，抽油泵在吸液過程中還未來得及充滿就轉(zhuǎn)入了排液過程，造成了抽油泵充滿程度低，使得抽油井實際被舉升的液量少，泵效低，這樣就造成了抽油井的有效功率小，系統(tǒng)效率低。對于這樣的抽油井應調(diào)小電源頻率，降低沖次。針對油井生產(chǎn)狀況，利用上下沖程電源頻率調(diào)整的技術，調(diào)整上下沖程抽汲速度，上慢下快，提高泵的充滿程度；上快下慢，減少泵的漏失。

7、變頻對油井熱洗清蠟的影響

低沖次采油后，油井抽油速度降低，產(chǎn)出液在油管內(nèi)流速降低，結蠟速度增大，洗井周期縮短，洗井返排時間延長。使用變頻器后，洗井前手動按鈕提高頻率，沖次由2～3次/min提高到6次～7.3次，理排提高2倍～3.65倍，含水恢復期和影響產(chǎn)油量大幅度下降，效果明顯，當含水正常后再調(diào)回原來的頻率和沖次。

8、變頻對稀土永磁電機的影響

稀土永磁電機堵轉(zhuǎn)扭矩可以達到2.7-3.5，而普通電機僅為1.8-2.0，能取代比它大兩個功率等級的普通電機，運行時各種負荷狀態(tài)時都具有很好的效率和功率因數(shù)，節(jié)能效果顯著，目前是油田大力推廣的抽油機拖動裝置。但不可否認，稀土電機也有明顯的缺點。永磁電機和變頻器配套應用，可以優(yōu)勢互補。利用變頻調(diào)速裝置的軟起動功能能夠平穩(wěn)起動永磁同步電機，從而解決其振動及噪音大的缺陷；利用變頻調(diào)速裝置的頻率調(diào)節(jié)功能能夠使永磁同步電機的轉(zhuǎn)速無級可調(diào)，實現(xiàn)調(diào)速功能，兩者的結合是目前最理想的高效調(diào)速方式。

四、抽油機井變頻器工作原理、技術參數(shù)

1、工作原理

IPC－MD系列變頻器采用了最新的雙PWM拓撲結構的四象限運行變頻控制技術。變頻器主要采用交一直一交方式．變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器。且輸出為PWM波形，中問直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源。然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電供給電動機。使電動機獲得無極調(diào)速所需要的電壓電流和頻率。

變頻器的拓撲結構圖

2、技術參數(shù)

CPU：采用軍品32bit DSP，-40℃～+90℃氣溫條件下能正常工作?？煽啃暂^商用變頻器大大提高。

沖次可調(diào)，30% ～120%。

內(nèi)置回饋制動單元，可把再生電能回饋電網(wǎng)。因已配置電抗器和噪聲濾波器，可直接與380V/660V電網(wǎng)駁接使用?；仞侂娋W(wǎng)的能量，效率97％。

系統(tǒng)無功損耗小，功率因素COS∮＞0.96，同一供電線路可適當加載，節(jié)省增容費。

柔性啟動，降低電網(wǎng)載荷沖擊，對電機和設備無沖擊。

電能回收部分，比普通商用變頻器多節(jié)能15～25％。熱損耗為電阻制動的3％以下。

五、試驗應用情況

2006年經(jīng)過調(diào)研，在新木采油廠采油四隊安裝IPC-MD抽油機井變頻柜4臺，用于先導性試驗。

1、試驗井基本數(shù)據(jù)

這4口井是2005年新投的油井，經(jīng)過初期短暫的高產(chǎn)后，日產(chǎn)液大幅度下降，平均泵效僅為10.7％，平均系統(tǒng)效率僅為6.1％。除118-160井外，其它三口井沖次己經(jīng)接近最小，無法調(diào)小沖次。

2、試驗井效果

(1)、沖次任意調(diào)節(jié)

不用更換皮帶輪，不需停產(chǎn)調(diào)節(jié)速度，提高了生產(chǎn)效率。解決了因調(diào)速造成的停產(chǎn)和沖次無法調(diào)小問題。

(2)、分段轉(zhuǎn)速控制

通過變頻對抽油機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，根據(jù)抽油機的特殊工況，把轉(zhuǎn)速控制細劃為上沖程轉(zhuǎn)速控制和下沖程轉(zhuǎn)速控制，減少漏失，提高泵充滿程度，提高泵效。

(3)、提高油井的產(chǎn)量和泵效

根據(jù)油井的實際供液能力，動態(tài)調(diào)整抽取速度，使油井的供排協(xié)調(diào)，減少泵的空行程，提高泵效。4口井，提高泵效16.58％，日產(chǎn)液提高0.5，日產(chǎn)油提高0.2。

(4)、提高功率因數(shù)

使用變頻器后，電動機功率因數(shù)提高到接近1，從而減輕了電網(wǎng)和變壓器的負擔，降低了線損，節(jié)省了無功損耗的電費。

(5)、對電網(wǎng)和設備無沖擊

　　當電機在工頻狀態(tài)下啟動時，啟動電流相當于5～7倍額定電流，對抽油設備和供電電網(wǎng)造成很大的沖擊，尤其是118-160井稀土永磁電機在啟動瞬間產(chǎn)生很大的電流和震動，使用變頻后電機柔性啟動，使啟動電流降至3-4倍，減少了對電網(wǎng)和抽油設備的沖擊。

(6)、改善了抽油桿受力狀況

　　光桿抽油速度對抽油桿受力有很大的影響，變頻降沖次和優(yōu)化上下沖程速度實現(xiàn)上慢下快，改善抽油桿循環(huán)特性。

(7)、提高系統(tǒng)效率

　　變頻器應用油井使供排協(xié)調(diào)，泵充滿程度提高，改善桿管應力，提高了井下效率；減少地面無功損耗，提高了地面效率，整體上系統(tǒng)效率明顯提高。

(8)、減少電機能耗

　　油井調(diào)小頻率，平均輸入功率減少3.66kw，平均噸液耗電減少27.62kw.h，平均日耗電減少87.78kw。

(9)、負功能夠回饋電網(wǎng)

　　對生產(chǎn)中的負功，使用回饋式制動單元，能把再生電能回饋電網(wǎng)。內(nèi)部已經(jīng)安裝有電抗器和噪聲濾波器，全程噪聲過濾，不會污染電網(wǎng)和干擾其他設備。

(10)、減少熱洗清蠟的負影響

　　油井熱洗時，調(diào)頻提高沖次，增加理論排量，強排生產(chǎn)，可以明顯縮短含水恢復期，減少影響產(chǎn)油量。

六、經(jīng)濟效益分析

⑴產(chǎn)出費用

①節(jié)省電量費用：

3.66kw×24h×360d×0.47元/kw.h＝14862.5元

②少影響產(chǎn)油量費用：

洗井影響：1445元/噸×2噸/次×10次＝28900元

③增產(chǎn)量：

1445元/噸×0.2噸×360天＝104040元

合計：14.7802萬元

⑵投入費用

①設備投入費用：整套設備投資32000元

這套裝置投入產(chǎn)出比是1：4.618，而且這套裝置壽命較長，可以長久使用，經(jīng)濟效益非?？捎^。

七、結論

　　從變頻器應用現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，變頻器一次性投入較高，但解決了機械采油系統(tǒng)功率因數(shù)低、電機啟動轉(zhuǎn)矩大、負載率低、能耗大的問題。電機起動性能良好、功率因數(shù)提高到0. 98 、節(jié)電率達40 %以上。

◎變頻后無極調(diào)速，調(diào)速范圍廣，調(diào)速過程平滑；

◎調(diào)頻后功率因數(shù)接近1；

◎柔性起動，可大幅度降低對供電變壓器裝機容量的要求，并使電機振動及噪音大大減小。

◎降低抽油泵容積損失，提高了泵充滿系數(shù)。

◎抽油機運轉(zhuǎn)性能得到改善，動載荷明顯減少，載荷線光滑平直。

◎減少桿管磨損次數(shù)，改善桿管受力狀態(tài)，延長桿管壽命；

◎降低電機輸入功率和油井噸液耗電。