變頻技術(shù)在油田螺桿泵井上的應(yīng)用

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，能源浪費現(xiàn)象嚴重等問題。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行狀態(tài)，從而確保油井連續(xù)抽油，并達到提高油井系統(tǒng)的運行效率，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，來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)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(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由變頻調(diào)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(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，從而實現(xiàn)油井不間斷連續(xù)抽油，防止油井螺桿泵空抽，達到節(jié)能降耗和油井生產(chǎn)平穩(wěn)運行的目的。

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由變頻器根據(jù)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(shè)定值進行比較，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，達到節(jié)能降耗和油井生產(chǎn)平穩(wěn)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(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，變頻器最低輸出值應(yīng)控制在25 Hz，因為抽油機轉(zhuǎn)速太低，會導(dǎo)致地泵效嚴重下降，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行狀態(tài)，從而實現(xiàn)對螺桿泵的全面保護。

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)場實際運行時選其中的一種運行方式，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)運行，當(dāng)其中一種運行方式出現(xiàn)故障時，可以切換到另一種運行方式下運行。

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，電機工作電流大幅下降，電機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。值得指出的一點是泵效有所下降，但這是正?，F(xiàn)象，因為電流頻率下降之后，電機和泵不能在設(shè)計工況下運行，效果不能最佳，因此泵效有所下降，但節(jié)電效果顯著，3臺在用泵機組綜合節(jié)電率可達35%以上，3 臺在用變頻器年節(jié)電達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

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，減少機械故障，延長抽油裝置設(shè)備使用壽命，確保油井機采系統(tǒng)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(xù)生產(chǎn)平穩(wěn)運行。

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行，不必進行特殊調(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行保護停機，以保護電動機及機械設(shè)備，減少維修量，防止斷桿。變頻器對過壓、欠壓、過載、短路及電動機失速都能可靠地保護，對延長電動機的壽命，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，降低停機維修率，節(jié)省大量的維護費用，同時還可增加油井變壓器的容量，節(jié)省變壓器容量費用。

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462 890 余kW·h，以0.65元/kW·h價格計算，則已實現(xiàn)累計節(jié)省電費達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)備的維修維護費用。由于油氣混輸螺桿泵實現(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)過程實現(xiàn)變頻調(diào)速控制，保證了生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運行，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。

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)成本和電能費用，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

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