先進(jìn)的智能采油新技術(shù)

　　變頻器自20世紀(jì)80年代在中國(guó)推出以后，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著日益重要的作用，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)以及人們的生活中。變頻器廣泛應(yīng)用,主要得益于其優(yōu)良的節(jié)能特性和調(diào)速特性。中國(guó)產(chǎn)值能耗是世界上最高的國(guó)家之一。要解決產(chǎn)品能耗問(wèn)題，除其它相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。

　　變頻器的主要功能就是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。由于變頻器具有體積小、重量輕、精度高、工藝先進(jìn)、功能豐富、保護(hù)齊全、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)、易形成閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，且由其組成的系統(tǒng)具備較好的節(jié)能效果，因而深受鋼鐵、有色、石油、石化、電力、煤炭、城市供水及污水處理等行業(yè)的歡迎。

　　中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，離不開鋼鐵、石油、石化、電力、機(jī)械等國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，但是，我們必須看到，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)高增長(zhǎng)是以大量消耗本國(guó)生產(chǎn)資源和巨大的環(huán)境污染為前提的，這充分說(shuō)明我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是存在著巨大隱患，是不可持續(xù)和不科學(xué)的。近年來(lái)，可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能、環(huán)保等概念越來(lái)越多的出現(xiàn)在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，并逐步成為未來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。

　　油田作為一個(gè)特殊行業(yè)，有其獨(dú)特的背景，因?yàn)椋覈?guó)的油田多為低滲透的低能、低產(chǎn)油田，不像中東的油田那樣具有很強(qiáng)的自噴能力，大部分油田要靠注水壓油入井，再靠抽油機(jī)把油從地層中提升上來(lái)。以水換油、以電換油是我國(guó)油田的現(xiàn)實(shí)，電費(fèi)在我國(guó)的石油開采成本中占了很大比例。因此，石油行業(yè)十分重視節(jié)約電能。

　　在我國(guó)的石油開采中，機(jī)械采油井占絕大多數(shù)，其中有桿采油占總機(jī)械采油的90%以上。全國(guó)產(chǎn)油量70%以上靠有桿抽油機(jī)來(lái)完成，其能耗已占油田能耗的三分之一，全國(guó)油田每年耗電約四十二億人民幣。由于各油田每年要有幾千口新井投入生產(chǎn)，連同原有設(shè)備更新，每年要新增幾千臺(tái)抽油機(jī)，抽油機(jī)在我國(guó)石油開采有重要的地位。

　　上海鴻寶電氣自動(dòng)化有限公司，在2007-2008兩年的時(shí)間里投入大量的資金和人力，分別研制出適合石油開采、機(jī)械采油用高性能、電流矢量型交流變頻器和抽油機(jī)智能控制器。經(jīng)過(guò)在大慶油田海拉爾油田近一年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，證明上海鴻寶電氣自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)，適合我國(guó)低滲透、低能、低產(chǎn)油田使用，節(jié)電效果明顯、系統(tǒng)效率提高，是我國(guó)目前較為先進(jìn)的采油技術(shù)之一，并得到了采油專家的好評(píng)，取得了該項(xiàng)目的鑒定報(bào)告。

游梁式抽油機(jī)工作原理

　　游梁式抽油機(jī)的動(dòng)作原理是由交流電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)拖動(dòng)抽油泵，沿著重力作用方向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而把原油從數(shù)百至數(shù)千米的井下抽到地面。分析其負(fù)載特性可知其慣量較大，而不同的油井的粘度大小又很不同，當(dāng)油的粘度較大時(shí)，泵的效率也變低，往往啟動(dòng)也很困難。該負(fù)載又是周期負(fù)載，上升、下降行程負(fù)載性質(zhì)亦不同，下降時(shí)尚帶有位勢(shì)負(fù)載性質(zhì)。為適應(yīng)這些復(fù)雜的工況，抽油機(jī)的配置及其實(shí)際工作狀態(tài)往往只能是大馬拉小車。游梁式抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)為反復(fù)上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動(dòng)力來(lái)自電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當(dāng)大的鋼質(zhì)滑塊，當(dāng)滑塊提升時(shí)，類似杠桿作用，將采油機(jī)桿送入井中；滑塊下降時(shí)，采油桿提出帶油至井口，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，滑塊下降過(guò)程中，負(fù)荷減輕，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無(wú)法被負(fù)載吸引，勢(shì)必會(huì)尋找能量消耗的渠道，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生發(fā)電狀態(tài)，將多余能量反饋到電網(wǎng)，引起主回路母線電壓升高，勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，功率因數(shù)降低的危險(xiǎn)；頻繁的高壓沖擊會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，造成生產(chǎn)效率降低、維護(hù)量加大，極不利于抽油設(shè)備的節(jié)能降耗，給企業(yè)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。游梁式抽油機(jī)引入兩個(gè)大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導(dǎo)致抽油機(jī)的起動(dòng)沖擊大等諸多問(wèn)題。

　　除上述兩方面問(wèn)題外，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設(shè)備有其獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn)：在油井開采前期儲(chǔ)油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運(yùn)行，保證較高產(chǎn)油量；在中后期，由于石油儲(chǔ)量減少，易造成供液不足，電動(dòng)機(jī)若仍工頻運(yùn)行，勢(shì)必浪費(fèi)電能，造成不必要損耗，這時(shí)須考慮實(shí)際工作情況，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，減少?zèng)_程，有效提高充盈率。

上海鴻寶電氣自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)工作原理和特點(diǎn)是：

一、適用井況

l     需要間歇工作的油井

l     經(jīng)常改變井況的油井 (例如.: 注氣井, 注水井)

l     經(jīng)常斷桿的井

l     水平井

l     高含氣井

l     低于設(shè)計(jì)能力的油井功能

二、       特點(diǎn)

l     具有自學(xué)習(xí)功能，可自動(dòng)識(shí)別井下工況

l     具有工頻和變頻，手動(dòng)和自動(dòng)多種工作模式選擇

l     自動(dòng)保持井下動(dòng)液面恒定

l     矢量控制變頻交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

l     允許電機(jī)速度連續(xù)變化

l     適用于標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)和高滑差電機(jī).

l     戶外標(biāo)準(zhǔn)箱體

l     寬工作溫度范圍，溫控風(fēng)扇開關(guān)

l     泵可以更深的放入井中，(由于降低了抽油桿工作強(qiáng)度)可以增加沖程長(zhǎng)度, 增加產(chǎn)量, 提高泵效

l     提高可靠性，減少維護(hù)，提高設(shè)備壽命，包括油泵系統(tǒng)的抽油桿、套管、油泵。 傳動(dòng)系統(tǒng)的減速箱、皮帶、電機(jī)等.

三、技術(shù)規(guī)范

1、電機(jī)功率范圍               P≤7.5～75KW

2、電源額定頻率：             50Hz

3、輸入電源電壓               三相AC，380-440 V±10%

4、輸出電壓頻率               10HZ～60HZ

5、正常工作溫度范圍           -40° C ～ +50 ° C

6、儲(chǔ)存及運(yùn)輸溫度             -40° C ～ +60 ° C

7、相對(duì)濕度                   ≤90%，海拔高度不大于2000m

8、防護(hù)等級(jí)                   IP40

四、工作原理

　　控制器通過(guò)采集電機(jī)轉(zhuǎn)矩，輸出功率，井下液面值實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次的閉環(huán)控制，其中電機(jī)轉(zhuǎn)矩為內(nèi)環(huán)，輸出功率為中環(huán)，井下液面為外環(huán)。運(yùn)用先進(jìn)科學(xué)的算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)和控制器的最佳工況控制。

　　井下液面的外環(huán)控制系統(tǒng)是指以井下液面為控制對(duì)象，宏觀調(diào)控電機(jī)的平均速度和油井工作間隙，該控制為小時(shí)級(jí)控制；輸出功率中環(huán)控制指以輸出功率為控制對(duì)象，對(duì)輸出功率進(jìn)行分鐘級(jí)控制，為保證井下泵體的充滿度；電機(jī)轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制指以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為控制對(duì)象，對(duì)輸出電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行秒級(jí)控制，為保證抽油桿的受力合理，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電源的直流母線電壓不要過(guò)高。

　　控制器具有三重自學(xué)習(xí)功能，第一種為對(duì)電機(jī)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的自學(xué)習(xí)功能，通過(guò)學(xué)習(xí)使得控制器與電機(jī)獲得最佳匹配；第二種為控制器對(duì)井下工況的學(xué)習(xí)，包括井下液面，初始平均功率，電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律等參數(shù)，通過(guò)學(xué)習(xí)使得控制器與抽油機(jī)系統(tǒng)獲得最佳匹配；第三種為工作過(guò)程中的自學(xué)習(xí)修正，在正常工作過(guò)程中通過(guò)學(xué)習(xí)對(duì)了解的井下工況進(jìn)行不斷的修正，以保證抽油機(jī)系統(tǒng)始終工作在正確的狀態(tài)下。

　　識(shí)別泵充滿度自動(dòng)調(diào)節(jié)抽汲參數(shù)。抽油機(jī)全閉環(huán)變頻智能控制裝置是根據(jù)電動(dòng)機(jī)輸出功率和泵充滿度之間的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在控制柜內(nèi)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)輸出功率，根據(jù)功率識(shí)別抽油系統(tǒng)的工作狀態(tài)，克服了使用載荷—位移傳感器存在的各種問(wèn)題。

　　變頻器單元作為變頻調(diào)速技術(shù)的實(shí)施單元，是整個(gè)系統(tǒng)最重要的器件之一，本系統(tǒng)配置的是矢量型HB-H9系列高性能變頻器。HB-H9系列高性能變頻器是沿續(xù)通用變頻器，在 V/F 控制上標(biāo)準(zhǔn)裝備了矢量控制的。可實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)功率及輸出轉(zhuǎn)矩。變頻器額定電壓380-440V，額定功率范圍4-75Kw，過(guò)載能力為：200%*60秒。

　　主控制板單元；是以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)控制中心，用來(lái)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、比較及向變頻器發(fā)送控制信號(hào)的關(guān)鍵部件，主控制板采用4層工業(yè)PCB 板設(shè)計(jì)，全部選用工業(yè)級(jí)器件，適用環(huán)境溫度－20～65℃。

五、使用效果

1.電流比較

　　以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在大慶油田海拉爾公司實(shí)地測(cè)試得到的，測(cè)試流程為：第一步先測(cè)試沒(méi)有使用抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)前的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，第二步測(cè)試使用抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)后的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后對(duì)前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

表1：使用抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)前后電流變化表

　　上表是對(duì)四種不同井進(jìn)行的電流測(cè)定，4月20日和4月21日是沒(méi)有使用抽油機(jī)智能變頻系統(tǒng)前測(cè)得的電流值，4月22日和4月23日是使用了抽油機(jī)智能變頻系統(tǒng)后測(cè)得的電流值。由此可以看出使用抽油機(jī)智能變頻系統(tǒng)以后，上下沖程的電流有明顯的下降。

2  示功圖的分析

　　示功圖是由載荷隨位移的變化關(guān)系曲線所構(gòu)成的封閉曲線。表示懸點(diǎn)載荷與位移關(guān)系的示功圖稱為地面示功圖或光桿示功圖。在實(shí)際工作中是以實(shí)測(cè)地面示功圖作為分析深井泵工作狀況的主要依據(jù)。

圖1  使用抽油機(jī)智能變頻系統(tǒng)前B14-B59-56油井測(cè)試綜合記錄

圖2  使用抽油機(jī)智能變頻系統(tǒng)后B14-B59-56油井測(cè)試綜合記錄

圖3  使用抽油機(jī)智能變頻系統(tǒng)前B14-X64-64油井測(cè)試綜合記錄

圖4  使用抽油機(jī)智能變頻系統(tǒng)后B14-X64-64油井測(cè)試綜合記錄

　　抽油井測(cè)試的綜合記錄可以看出，在沒(méi)有使用抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)前，地面示功圖的分析結(jié)果表明供液不足，液體不能充滿工作筒，在使用抽油機(jī)智變頻控制系統(tǒng)后，地面示功圖的分析結(jié)果表明供液正常。

3  抽油機(jī)系統(tǒng)效率的分析

　　表2是對(duì)不同井號(hào)的抽油機(jī)的日產(chǎn)液量，實(shí)際升舉高度，有功功率，無(wú)功功率，視在功率，噸也耗電量，噸液百米耗電量，系統(tǒng)效率值的測(cè)定。圖中各數(shù)據(jù)均是在大慶油田實(shí)地測(cè)得。表3是使用抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)后測(cè)得的各數(shù)據(jù)值。然后對(duì)前后數(shù)據(jù)經(jīng)行對(duì)比，來(lái)說(shuō)明抽油機(jī)系統(tǒng)效率的變化情況。

表2  使用抽油機(jī)智能變頻系統(tǒng)前系統(tǒng)效率匯總表

表3  使用抽油機(jī)智能變頻系統(tǒng)后系統(tǒng)效率匯總表

　　有以上兩表可以看出，在沒(méi)有使用抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)前，井號(hào)為貝14-B58-57，機(jī)型為CYJY12-3-53HB，電機(jī)型號(hào)為MW/FD-CJF-14的噸液耗電量為157 KWh，系統(tǒng)效率為3.13%，在使用抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)后，噸液耗電量為87.3KWh，系統(tǒng)效率為5.63%。井號(hào)為貝14-X64-64，機(jī)型為CYJY10-3-37HB，電機(jī)型號(hào)為TYG250M-8的噸液耗電量為98.4KWh，系統(tǒng)效率為4.02%，在使用抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)后，噸液耗電量50.2KWh，系統(tǒng)效率為7.88%。井號(hào)為貝14-X66-62，機(jī)型為CYJY10-3-37HB，電機(jī)型號(hào)為ZYCYT250M-8/12的噸液耗電量為33.9KWh，系統(tǒng)效率為12.72%，在使用抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)后，噸液耗電量為17.3KWh，系統(tǒng)效率為20.8%。由此可見使用了抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)后，噸液耗電量下降了，系統(tǒng)效率上升了，這表明抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)有著明顯的節(jié)能，增產(chǎn)，提高功效的效果，是我國(guó)目前較為先進(jìn)的采油技術(shù)之一。

　　上海鴻寶電氣自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)與以往簡(jiǎn)單的變頻控制系統(tǒng)不同的是；①利用電流矢量變頻器的特點(diǎn)和智能控制系統(tǒng)對(duì)抽油機(jī)電機(jī)進(jìn)行力矩、功率、電流等進(jìn)行控制，使抽油機(jī)鋼質(zhì)滑塊下行時(shí)電機(jī)不發(fā)電，并可根據(jù)井下情況，自動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使采油效率達(dá)到最佳狀態(tài)。②在抽油機(jī)智能控制系統(tǒng)中加裝了直流、輸入、輸出電抗器，有效地防止變頻器對(duì)電機(jī)、變頻器對(duì)電網(wǎng)的污染，提高了功率因數(shù)。

　　目前，上海鴻寶電氣自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的智能型抽油機(jī)控制系統(tǒng)開始批量生產(chǎn)，產(chǎn)品已銷往大慶油田、海拉爾油田、新疆克拉瑪依油田等。