變頻技術在油田螺桿泵井上的應用

0 引言

勝利油田孤東采油廠現有油井2 671 口，開井2 100 余口，日產液量12.2 萬余t，平均含水94%，年產原油260 多萬t，隨著油田的深入開發，高品質的整裝區塊日益衰退，低滲透低效率區塊的比例逐漸增加，目前低滲透區塊的稠油年產量為98 萬t。全廠約有10%的油井存在嚴重的供液不足，油井液面逐年下降，產液量降低，電耗增加，特別是稠油井更是存在著油井系統效率低，能耗高，開采成本高，能源浪費現象嚴重等問題。針對油井供液不足、油井液面低、產液量少的問題，國內各油田普遍采用油井螺桿泵采油工藝取代傳統的游梁式抽油機生產工藝，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用變頻調速控制技術來優化控制螺桿泵的轉速，以保證螺桿泵工作在合適的運行狀態，從而確保油井連續抽油，并達到提高油井系統的運行效率，節約電能的目的。

1 變頻調速工作原理

變頻器是一種先進的節電設備，其主要工作原理是通過對電源的頻率的變化，來改變電機的轉速，從而調整電機的輸出功率，基本的工作流程信號如圖1 所示。變頻器應用過程中對信號的工作方式可分開環控制、閉環控制兩種，其中開環控制工作原理如圖2所示，閉環控制工作原理如圖3所示。

在油田螺桿泵井上應用變頻調速技術控制方案可以采用開環控制(手動)方式，也可以采用閉環控制(自動)方式，以及采用開環控制與閉環控制相結合的方式，在系統中設置手動和自動切換開關的方法，以滿足現場生產工作的需要。

2 變頻控制現場應用技術方案

2.1 開環控制應用技術方案

該方案的螺桿泵電動機由變頻調速控制柜上的電位器來控制其運行。油井管道上不安裝流量，流量檢測采用人工定時檢測，操作人員根據油井供液情況，通過人工調節5 k贅的電位器來調節變頻器的輸出頻率，控制油井螺桿泵的排量，從而實現油井不間斷連續抽油，防止油井螺桿泵空抽，達到節能降耗和油井生產平穩運行的目的。

2.2 閉環控制應用技術方案

該方案的螺桿泵電動機由變頻器根據螺桿泵原油管道的流量來自動控制其運行。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定值進行比較，之后采用PID調節控制算法，通過變頻器輸出頻率的變化來自動調節控制螺桿泵的排量，達到節能降耗和油井生產平穩運行自動控制的目的。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速，直到降低一定低值，保證不間斷連續抽油。

根據現場應用試驗，變頻器最低輸出值應控制在25 Hz，因為抽油機轉速太低，會導致地泵效嚴重下降，直接影響節能降耗效果。同時，變頻器根據外部啟動信號和模擬信號來控制起停和運行狀態，從而實現對螺桿泵的全面保護。

2.3 開環控制和閉環控制相結合的技術方案

該方案是將開環控制技術方案和閉環控制技術方案結合于一體，并在控制系統中加入手動和自動切換開關，現場實際運行時選其中的一種運行方式，它既便于現場電器、電路檢修，又能確保正常生產連續運行，當其中一種運行方式出現故障時，可以切換到另一種運行方式下運行。

3 變頻調速技術現場應用情況

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，采用一控一的現場控制工藝方法。三者均采用開環控制方式。安裝前后的運行狀況如表1 所列。

由表1 中可看出3 臺變頻器輸出頻率均在30Hz左右，節電效果顯著。表2、表3 和表4 分別是油井KD701#、KD701-1#和KD44X1應用變頻調速技術前后的各數據對比表。

在油井螺桿泵上安裝變頻器后，電機工作電流大幅下降，電機輸入功率也大幅下降，功率因數隨之提高，節電效果明顯，系統效率也大幅提高，平均日耗電量下降325 kW·h。值得指出的一點是泵效有所下降，但這是正常現象，因為電流頻率下降之后，電機和泵不能在設計工況下運行，效果不能最佳，因此泵效有所下降，但節電效果顯著，3臺在用泵機組綜合節電率可達35%以上，3 臺在用變頻器年節電達118 800 kW·h 以上。由此可見變頻調速技術在油田油井螺桿泵上的應用既可為解決因地層供液不足而造成的空抽現象，這給降低能耗提供了一個好的解決方法，又可滿足油田生產連續運行的工作需要，且延長了油井生產設備的使用壽命。

4 油井螺桿泵應用變頻器的優點

1)采用變頻器調節螺桿泵轉速，可以提高采油系統效率，減少機械故障，延長抽油裝置設備使用壽命，確保油井機采系統高效運行。

2)采用油井防抽空保護裝置，能有效解決油井因地層供液不足造成抽油機空抽而損壞抽油裝置的問題，確保油井連續生產平穩運行。

3)系統操作簡單，性能可靠。變頻調速控制系統與螺桿泵抽油裝置同步運行，不必進行特殊調節，整個控制操作系統穩定可靠，故障率低。

4)具有油井螺桿泵軟啟、軟停和保護功能。由于螺桿泵管道內的流質含量成分復雜，具有變轉矩負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、結臘、沙卡等造成的堵轉過載等情況都能有效地進行保護停機，以保護電動機及機械設備，減少維修量，防止斷桿。變頻器對過壓、欠壓、過載、短路及電動機失速都能可靠地保護，對延長電動機的壽命，減少設備磨損等都具有很好的作用。

5)延長密封組件的使用壽命，降低停機維修率，節省大量的維護費用，同時還可增加油井變壓器的容量，節省變壓器容量費用。

5 綜合效益評價

1)應用變頻調速技術后，節能效果顯著。從孤東采油廠新灘油田KD701#、KD701-1# 和KD44X1油井油氣生產工藝流程中應用的3 臺變頻器情況來看，油井平均系統效率明顯得到提高，使用4 年多來累計節約電能達462 890 余kW·h，以0.65元/kW·h價格計算，則已實現累計節省電費達30多萬元。

2)延長了設備使用壽命，減少設備故障維修工作量。從現場使用情況看，使用變頻調速技術后，不但大大節約了能源，而且有效地減少了設備的維修維護費用。由于油氣混輸螺桿泵實現低速旋轉后，油氣混輸螺桿泵啟動電流小，對供電電網的沖擊波減小，對整條電網其他用電設備也大有好處，采用變頻調速技術后，泵的維修次數大大降低，提高了油氣混輸螺桿泵的完好率，同時也節省了油氣混輸螺桿泵易損件的維修費用。

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

4)供液不足油井生產過程實現變頻調速控制，保證了生產過程的平穩運行，滿足了油井連續生產不間斷輸送，特別是冬季氣溫低連續生產長距離連續輸送防止管道堵塞的工藝要求。

5)提高了油井油氣生產過程的自動化管理水平和企業的經濟效益，尤其對稠油區塊低滲透油田的生產開發提供了良好的經驗。

6 結語

在油井螺桿泵上應用高性能的變頻調速控制技術，可以幫助油田開發企業在采油生產環節上減少大量的開發成本和電能費用，具有良好的推廣應用價值。

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