变频技术在油田螺杆泵井上的应用

0 引言

胜利油田孤东采油厂现有油井2 671 口，开井2 100 余口，日产液量12.2 万余t，平均含水94%，年产原油260 多万t，随着油田的深入开发，高品质的整装区块日益衰退，低渗透低效率区块的比例逐渐增加，目前低渗透区块的稠油年产量为98 万t。全厂约有10%的油井存在严重的供液不足，油井液面逐年下降，产液量降低，电耗增加，特别是稠油井更是存在着油井系统效率低，能耗高，开采成本高，能源浪费现象严重等问题。针对油井供液不足、油井液面低、产液量少的问题，国内各油田普遍采用油井螺杆泵采油工艺取代传统的游梁式抽油机生产工艺，但不少油井特别是稠油井仍不能满足螺杆泵抽油装置的生产工艺要求，存在油泵空抽、能耗高的问题，为此，在油田螺杆泵抽油装置上应用变频调速控制技术来优化控制螺杆泵的转速，以保证螺杆泵工作在合适的运行状态，从而确保油井连续抽油，并达到提高油井系统的运行效率，节约电能的目的。

1 变频调速工作原理

变频器是一种先进的节电设备，其主要工作原理是通过对电源的频率的变化，来改变电机的转速，从而调整电机的输出功率，基本的工作流程信号如图1 所示。变频器应用过程中对信号的工作方式可分开环控制、闭环控制两种，其中开环控制工作原理如图2所示，闭环控制工作原理如图3所示。

在油田螺杆泵井上应用变频调速技术控制方案可以采用开环控制(手动)方式，也可以采用闭环控制(自动)方式，以及采用开环控制与闭环控制相结合的方式，在系统中设置手动和自动切换开关的方法，以满足现场生产工作的需要。

2 变频控制现场应用技术方案

2.1 开环控制应用技术方案

该方案的螺杆泵电动机由变频调速控制柜上的电位器来控制其运行。油井管道上不安装流量，流量检测采用人工定时检测，操作人员根据油井供液情况，通过人工调节5 k赘的电位器来调节变频器的输出频率，控制油井螺杆泵的排量，从而实现油井不间断连续抽油，防止油井螺杆泵空抽，达到节能降耗和油井生产平稳运行的目的。

2.2 闭环控制应用技术方案

该方案的螺杆泵电动机由变频器根据螺杆泵原油管道的流量来自动控制其运行。螺杆泵油管出口管道上安装带4耀20 mA 模拟信号输出的流量阀，通过它将流量信号传给变频器，变频器把该流量模拟信号作为输出的反馈信号。变频器在接收流量反馈信号后与变频器设定值进行比较，之后采用PID调节控制算法，通过变频器输出频率的变化来自动调节控制螺杆泵的排量，达到节能降耗和油井生产平稳运行自动控制的目的。流量反馈值高时说明井下可抽油量充足，变频器提升螺杆泵转速以增大抽油能力，流量反馈值低时说明井下油量少供液不足，变频器会降低螺杆泵转速，直到降低一定低值，保证不间断连续抽油。

根据现场应用试验，变频器最低输出值应控制在25 Hz，因为抽油机转速太低，会导致地泵效严重下降，直接影响节能降耗效果。同时，变频器根据外部启动信号和模拟信号来控制起停和运行状态，从而实现对螺杆泵的全面保护。

2.3 开环控制和闭环控制相结合的技术方案

该方案是将开环控制技术方案和闭环控制技术方案结合于一体，并在控制系统中加入手动和自动切换开关，现场实际运行时选其中的一种运行方式，它既便于现场电器、电路检修，又能确保正常生产连续运行，当其中一种运行方式出现故障时，可以切换到另一种运行方式下运行。

3 变频调速技术现场应用情况

自2005 年7 月以来先后在孤东采油厂新滩油田KD701# 油井、KD701-1# 油井和KD44X1 油井螺杆泵抽油装置上各应用了ABB 型号为ACS400 的30 kW 小功率变频器2 台和VF-A5P型30 kW小功率变频器1 台，采用一控一的现场控制工艺方法。三者均采用开环控制方式。安装前后的运行状况如表1 所列。

由表1 中可看出3 台变频器输出频率均在30Hz左右，节电效果显著。表2、表3 和表4 分别是油井KD701#、KD701-1#和KD44X1应用变频调速技术前后的各数据对比表。

在油井螺杆泵上安装变频器后，电机工作电流大幅下降，电机输入功率也大幅下降，功率因数随之提高，节电效果明显，系统效率也大幅提高，平均日耗电量下降325 kW·h。值得指出的一点是泵效有所下降，但这是正常现象，因为电流频率下降之后，电机和泵不能在设计工况下运行，效果不能最佳，因此泵效有所下降，但节电效果显著，3台在用泵机组综合节电率可达35%以上，3 台在用变频器年节电达118 800 kW·h 以上。由此可见变频调速技术在油田油井螺杆泵上的应用既可为解决因地层供液不足而造成的空抽现象，这给降低能耗提供了一个好的解决方法，又可满足油田生产连续运行的工作需要，且延长了油井生产设备的使用寿命。

4 油井螺杆泵应用变频器的优点

1)采用变频器调节螺杆泵转速，可以提高采油系统效率，减少机械故障，延长抽油装置设备使用寿命，确保油井机采系统高效运行。

2)采用油井防抽空保护装置，能有效解决油井因地层供液不足造成抽油机空抽而损坏抽油装置的问题，确保油井连续生产平稳运行。

3)系统操作简单，性能可靠。变频调速控制系统与螺杆泵抽油装置同步运行，不必进行特殊调节，整个控制操作系统稳定可靠，故障率低。

4)具有油井螺杆泵软启、软停和保护功能。由于螺杆泵管道内的流质含量成分复杂，具有变转矩负载特性的变频器的软启、软停功能可以减少对抽油杆的冲击，对稠油、结腊、沙卡等造成的堵转过载等情况都能有效地进行保护停机，以保护电动机及机械设备，减少维修量，防止断杆。变频器对过压、欠压、过载、短路及电动机失速都能可靠地保护，对延长电动机的寿命，减少设备磨损等都具有很好的作用。

5)延长密封组件的使用寿命，降低停机维修率，节省大量的维护费用，同时还可增加油井变压器的容量，节省变压器容量费用。

5 综合效益评价

1)应用变频调速技术后，节能效果显著。从孤东采油厂新滩油田KD701#、KD701-1# 和KD44X1油井油气生产工艺流程中应用的3 台变频器情况来看，油井平均系统效率明显得到提高，使用4 年多来累计节约电能达462 890 余kW·h，以0.65元/kW·h价格计算，则已实现累计节省电费达30多万元。

2)延长了设备使用寿命，减少设备故障维修工作量。从现场使用情况看，使用变频调速技术后，不但大大节约了能源，而且有效地减少了设备的维修维护费用。由于油气混输螺杆泵实现低速旋转后，油气混输螺杆泵启动电流小，对供电电网的冲击波减小，对整条电网其他用电设备也大有好处，采用变频调速技术后，泵的维修次数大大降低，提高了油气混输螺杆泵的完好率，同时也节省了油气混输螺杆泵易损件的维修费用。

3)降低了油井油气生产工艺的噪音污染，有效地改善了职工的工作环境，减少了职业危害。

4)供液不足油井生产过程实现变频调速控制，保证了生产过程的平稳运行，满足了油井连续生产不间断输送，特别是冬季气温低连续生产长距离连续输送防止管道堵塞的工艺要求。

5)提高了油井油气生产过程的自动化管理水平和企业的经济效益，尤其对稠油区块低渗透油田的生产开发提供了良好的经验。

6 结语

在油井螺杆泵上应用高性能的变频调速控制技术，可以帮助油田开发企业在采油生产环节上减少大量的开发成本和电能费用，具有良好的推广应用价值。

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