0 引言

勝利油田孤東采油廠現(xiàn)有油井2 671 口，開井2 100 余口，日產(chǎn)液量12.2 萬余t，平均含水94%，年產(chǎn)原油260 多萬t，隨著油田的深入開發(fā)，高品質(zhì)的整裝區(qū)塊日益衰退，低滲透低效率區(qū)塊的比例逐漸增加，目前低滲透區(qū)塊的稠油年產(chǎn)量為98 萬t。全廠約有10%的油井存在嚴(yán)重的供液不足，油井液面逐年下降，產(chǎn)液量降低，電耗增加，特別是稠油井更是存在著油井系統(tǒng)效率低，能耗高，開采成本高，能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重等問題。針對油井供液不足、油井液面低、產(chǎn)液量少的問題，國內(nèi)各油田普遍采用油井螺桿泵采油工藝取代傳統(tǒng)的游梁式抽油機(jī)生產(chǎn)工藝，但不少油井特別是稠油井仍不能滿足螺桿泵抽油裝置的生產(chǎn)工藝要求，存在油泵空抽、能耗高的問題，為此，在油田螺桿泵抽油裝置上應(yīng)用變頻調(diào)速控制技術(shù)來優(yōu)化控制螺桿泵的轉(zhuǎn)速，以保證螺桿泵工作在合適的運(yùn)行狀態(tài)，從而確保油井連續(xù)抽油，并達(dá)到提高油井系統(tǒng)的運(yùn)行效率，節(jié)約電能的目的。

1 變頻調(diào)速工作原理

變頻器是一種先進(jìn)的節(jié)電設(shè)備，其主要工作原理是通過對電源的頻率的變化，來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整電機(jī)的輸出功率，基本的工作流程信號如圖1 所示。變頻器應(yīng)用過程中對信號的工作方式可分開環(huán)控制、閉環(huán)控制兩種，其中開環(huán)控制工作原理如圖2所示，閉環(huán)控制工作原理如圖3所示。

在油田螺桿泵井上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)控制方案可以采用開環(huán)控制(手動)方式，也可以采用閉環(huán)控制(自動)方式，以及采用開環(huán)控制與閉環(huán)控制相結(jié)合的方式，在系統(tǒng)中設(shè)置手動和自動切換開關(guān)的方法，以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)工作的需要。

2 變頻控制現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)方案

2.1 開環(huán)控制應(yīng)用技術(shù)方案

該方案的螺桿泵電動機(jī)由變頻調(diào)速控制柜上的電位器來控制其運(yùn)行。油井管道上不安裝流量，流量檢測采用人工定時檢測，操作人員根據(jù)油井供液情況，通過人工調(diào)節(jié)5 k贅的電位器來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制油井螺桿泵的排量，從而實(shí)現(xiàn)油井不間斷連續(xù)抽油，防止油井螺桿泵空抽，達(dá)到節(jié)能降耗和油井生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行的目的。

2.2 閉環(huán)控制應(yīng)用技術(shù)方案

該方案的螺桿泵電動機(jī)由變頻器根據(jù)螺桿泵原油管道的流量來自動控制其運(yùn)行。螺桿泵油管出口管道上安裝帶4耀20 mA 模擬信號輸出的流量閥，通過它將流量信號傳給變頻器，變頻器把該流量模擬信號作為輸出的反饋信號。變頻器在接收流量反饋信號后與變頻器設(shè)定值進(jìn)行比較，之后采用PID調(diào)節(jié)控制算法，通過變頻器輸出頻率的變化來自動調(diào)節(jié)控制螺桿泵的排量，達(dá)到節(jié)能降耗和油井生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行自動控制的目的。流量反饋值高時說明井下可抽油量充足，變頻器提升螺桿泵轉(zhuǎn)速以增大抽油能力，流量反饋值低時說明井下油量少供液不足，變頻器會降低螺桿泵轉(zhuǎn)速，直到降低一定低值，保證不間斷連續(xù)抽油。

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，變頻器最低輸出值應(yīng)控制在25 Hz，因?yàn)槌橛蜋C(jī)轉(zhuǎn)速太低，會導(dǎo)致地泵效嚴(yán)重下降，直接影響節(jié)能降耗效果。同時，變頻器根據(jù)外部啟動信號和模擬信號來控制起停和運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對螺桿泵的全面保護(hù)。

2.3 開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的技術(shù)方案

該方案是將開環(huán)控制技術(shù)方案和閉環(huán)控制技術(shù)方案結(jié)合于一體，并在控制系統(tǒng)中加入手動和自動切換開關(guān)，現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行時選其中的一種運(yùn)行方式，它既便于現(xiàn)場電器、電路檢修，又能確保正常生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行，當(dāng)其中一種運(yùn)行方式出現(xiàn)故障時，可以切換到另一種運(yùn)行方式下運(yùn)行。

3 變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況

自2005 年7 月以來先后在孤東采油廠新灘油田KD701# 油井、KD701-1# 油井和KD44X1 油井螺桿泵抽油裝置上各應(yīng)用了ABB 型號為ACS400 的30 kW 小功率變頻器2 臺和VF-A5P型30 kW小功率變頻器1 臺，采用一控一的現(xiàn)場控制工藝方法。三者均采用開環(huán)控制方式。安裝前后的運(yùn)行狀況如表1 所列。

由表1 中可看出3 臺變頻器輸出頻率均在30Hz左右，節(jié)電效果顯著。表2、表3 和表4 分別是油井KD701#、KD701-1#和KD44X1應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)前后的各數(shù)據(jù)對比表。

在油井螺桿泵上安裝變頻器后，電機(jī)工作電流大幅下降，電機(jī)輸入功率也大幅下降，功率因數(shù)隨之提高，節(jié)電效果明顯，系統(tǒng)效率也大幅提高，平均日耗電量下降325 kW·h。值得指出的一點(diǎn)是泵效有所下降，但這是正常現(xiàn)象，因?yàn)殡娏黝l率下降之后，電機(jī)和泵不能在設(shè)計工況下運(yùn)行，效果不能最佳，因此泵效有所下降，但節(jié)電效果顯著，3臺在用泵機(jī)組綜合節(jié)電率可達(dá)35%以上，3 臺在用變頻器年節(jié)電達(dá)118 800 kW·h 以上。由此可見變頻調(diào)速技術(shù)在油田油井螺桿泵上的應(yīng)用既可為解決因地層供液不足而造成的空抽現(xiàn)象，這給降低能耗提供了一個好的解決方法，又可滿足油田生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行的工作需要，且延長了油井生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命。

4 油井螺桿泵應(yīng)用變頻器的優(yōu)點(diǎn)

1)采用變頻器調(diào)節(jié)螺桿泵轉(zhuǎn)速，可以提高采油系統(tǒng)效率，減少機(jī)械故障，延長抽油裝置設(shè)備使用壽命，確保油井機(jī)采系統(tǒng)高效運(yùn)行。

2)采用油井防抽空保護(hù)裝置，能有效解決油井因地層供液不足造成抽油機(jī)空抽而損壞抽油裝置的問題，確保油井連續(xù)生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。

3)系統(tǒng)操作簡單，性能可靠。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)與螺桿泵抽油裝置同步運(yùn)行，不必進(jìn)行特殊調(diào)節(jié)，整個控制操作系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障率低。

4)具有油井螺桿泵軟啟、軟停和保護(hù)功能。由于螺桿泵管道內(nèi)的流質(zhì)含量成分復(fù)雜，具有變轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的變頻器的軟啟、軟停功能可以減少對抽油桿的沖擊，對稠油、結(jié)臘、沙卡等造成的堵轉(zhuǎn)過載等情況都能有效地進(jìn)行保護(hù)停機(jī)，以保護(hù)電動機(jī)及機(jī)械設(shè)備，減少維修量，防止斷桿。變頻器對過壓、欠壓、過載、短路及電動機(jī)失速都能可靠地保護(hù)，對延長電動機(jī)的壽命，減少設(shè)備磨損等都具有很好的作用。

5)延長密封組件的使用壽命，降低停機(jī)維修率，節(jié)省大量的維護(hù)費(fèi)用，同時還可增加油井變壓器的容量，節(jié)省變壓器容量費(fèi)用。

5 綜合效益評價

1)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)后，節(jié)能效果顯著。從孤東采油廠新灘油田KD701#、KD701-1# 和KD44X1油井油氣生產(chǎn)工藝流程中應(yīng)用的3 臺變頻器情況來看，油井平均系統(tǒng)效率明顯得到提高，使用4 年多來累計節(jié)約電能達(dá)462 890 余kW·h，以0.65元/kW·h價格計算，則已實(shí)現(xiàn)累計節(jié)省電費(fèi)達(dá)30多萬元。

2)延長了設(shè)備使用壽命，減少設(shè)備故障維修工作量。從現(xiàn)場使用情況看，使用變頻調(diào)速技術(shù)后，不但大大節(jié)約了能源，而且有效地減少了設(shè)備的維修維護(hù)費(fèi)用。由于油氣混輸螺桿泵實(shí)現(xiàn)低速旋轉(zhuǎn)后，油氣混輸螺桿泵啟動電流小，對供電電網(wǎng)的沖擊波減小，對整條電網(wǎng)其他用電設(shè)備也大有好處，采用變頻調(diào)速技術(shù)后，泵的維修次數(shù)大大降低，提高了油氣混輸螺桿泵的完好率，同時也節(jié)省了油氣混輸螺桿泵易損件的維修費(fèi)用。

3)降低了油井油氣生產(chǎn)工藝的噪音污染，有效地改善了職工的工作環(huán)境，減少了職業(yè)危害。

4)供液不足油井生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制，保證了生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運(yùn)行，滿足了油井連續(xù)生產(chǎn)不間斷輸送，特別是冬季氣溫低連續(xù)生產(chǎn)長距離連續(xù)輸送防止管道堵塞的工藝要求。

5)提高了油井油氣生產(chǎn)過程的自動化管理水平和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，尤其對稠油區(qū)塊低滲透油田的生產(chǎn)開發(fā)提供了良好的經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)語

在油井螺桿泵上應(yīng)用高性能的變頻調(diào)速控制技術(shù)，可以幫助油田開發(fā)企業(yè)在采油生產(chǎn)環(huán)節(jié)上減少大量的開發(fā)成本和電能費(fèi)用，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

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