先进的智能采油新技术

　　变频器自20世纪80年代在中国推出以后，在国民经济和人们日常生活中发挥着日益重要的作用，已经被广泛应用于企业的生产以及人们的生活中。变频器广泛应用,主要得益于其优良的节能特性和调速特性。中国产值能耗是世界上最高的国家之一。要解决产品能耗问题，除其它相关的技术问题需要改进外，变频调速已成为节能及提高产品质量的有效措施。变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

　　变频器的主要功能就是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。由于变频器具有体积小、重量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，且由其组成的系统具备较好的节能效果，因而深受钢铁、有色、石油、石化、电力、煤炭、城市供水及污水处理等行业的欢迎。

　　中国经济的高速发展，离不开钢铁、石油、石化、电力、机械等国民经济支柱产业的快速发展，但是，我们必须看到，我国的经济高增长是以大量消耗本国生产资源和巨大的环境污染为前提的，这充分说明我国的经济发展是存在着巨大隐患，是不可持续和不科学的。近年来，可持续发展、节能、环保等概念越来越多的出现在我国的经济发展中，并逐步成为未来我国经济发展的风向标。

　　油田作为一个特殊行业，有其独特的背景，因为，我国的油田多为低渗透的低能、低产油田，不像中东的油田那样具有很强的自喷能力，大部分油田要靠注水压油入井，再靠抽油机把油从地层中提升上来。以水换油、以电换油是我国油田的现实，电费在我国的石油开采成本中占了很大比例。因此，石油行业十分重视节约电能。

　　在我国的石油开采中，机械采油井占绝大多数，其中有杆采油占总机械采油的90%以上。全国产油量70%以上靠有杆抽油机来完成，其能耗已占油田能耗的三分之一，全国油田每年耗电约四十二亿人民币。由于各油田每年要有几千口新井投入生产，连同原有设备更新，每年要新增几千台抽油机，抽油机在我国石油开采有重要的地位。

　　上海鸿宝电气自动化有限公司，在2007-2008两年的时间里投入大量的资金和人力，分别研制出适合石油开采、机械采油用高性能、电流矢量型交流变频器和抽油机智能控制器。经过在大庆油田海拉尔油田近一年的现场试验和数据采集，证明上海鸿宝电气自动化有限公司生产的抽油机智能控制系统，适合我国低渗透、低能、低产油田使用，节电效果明显、系统效率提高，是我国目前较为先进的采油技术之一，并得到了采油专家的好评，取得了该项目的鉴定报告。

游梁式抽油机工作原理

　　游梁式抽油机的动作原理是由交流电动机恒速运转拖动抽油泵，沿着重力作用方向进行往复运动，从而把原油从数百至数千米的井下抽到地面。分析其负载特性可知其惯量较大，而不同的油井的粘度大小又很不同，当油的粘度较大时，泵的效率也变低，往往启动也很困难。该负载又是周期负载，上升、下降行程负载性质亦不同，下降时尚带有位势负载性质。为适应这些复杂的工况，抽油机的配置及其实际工作状态往往只能是大马拉小车。游梁式抽油机运动为反复上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块，当滑块提升时，类似杠杆作用，将采油机杆送入井中；滑块下降时，采油杆提出带油至井口，由于电动机转速一定，滑块下降过程中，负荷减轻，电动机拖动产生的能量无法被负载吸引，势必会寻找能量消耗的渠道，导致电动机进入再生发电状态，将多余能量反馈到电网，引起主回路母线电压升高，势必会对整个电网产生冲击，导致电网供电质量下降，功率因数降低的危险；频繁的高压冲击会损坏电动机，造成生产效率降低、维护量加大，极不利于抽油设备的节能降耗，给企业造成较大经济损失。游梁式抽油机引入两个大质量的钢质滑块，导致抽油机的起动冲击大等诸多问题。

　　除上述两方面问题外，油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其独特的运行特点：在油井开采前期储油量大，供液足，为提高功效可采用工频运行，保证较高产油量；在中后期，由于石油储量减少，易造成供液不足，电动机若仍工频运行，势必浪费电能，造成不必要损耗，这时须考虑实际工作情况，适当降低电动机转速，减少冲程，有效提高充盈率。

上海鸿宝电气自动化有限公司生产的抽油机智能控制系统工作原理和特点是：

一、适用井况

l     需要间歇工作的油井

l     经常改变井况的油井 (例如.: 注气井, 注水井)

l     经常断杆的井

l     水平井

l     高含气井

l     低于设计能力的油井功能

二、       特点

l     具有自学习功能，可自动识别井下工况

l     具有工频和变频，手动和自动多种工作模式选择

l     自动保持井下动液面恒定

l     矢量控制变频交流电机驱动

l     允许电机速度连续变化

l     适用于标准电机和高滑差电机.

l     户外标准箱体

l     宽工作温度范围，温控风扇开关

l     泵可以更深的放入井中，(由于降低了抽油杆工作强度)可以增加冲程长度, 增加产量, 提高泵效

l     提高可靠性，减少维护，提高设备寿命，包括油泵系统的抽油杆、套管、油泵。 传动系统的减速箱、皮带、电机等.

三、技术规范

1、电机功率范围               P≤7.5～75KW

2、电源额定频率：             50Hz

3、输入电源电压               三相AC，380-440 V±10%

4、输出电压频率               10HZ～60HZ

5、正常工作温度范围           -40° C ～ +50 ° C

6、储存及运输温度             -40° C ～ +60 ° C

7、相对湿度                   ≤90%，海拔高度不大于2000m

8、防护等级                   IP40

四、工作原理

　　控制器通过采集电机转矩，输出功率，井下液面值实现三个层次的闭环控制，其中电机转矩为内环，输出功率为中环，井下液面为外环。运用先进科学的算法实现电机和控制器的最佳工况控制。

　　井下液面的外环控制系统是指以井下液面为控制对象，宏观调控电机的平均速度和油井工作间隙，该控制为小时级控制；输出功率中环控制指以输出功率为控制对象，对输出功率进行分钟级控制，为保证井下泵体的充满度；电机转矩内环控制指以电机转矩为控制对象，对输出电机转矩进行秒级控制，为保证抽油杆的受力合理，同时驱动电源的直流母线电压不要过高。

　　控制器具有三重自学习功能，第一种为对电机参数和结构特点的自学习功能，通过学习使得控制器与电机获得最佳匹配；第二种为控制器对井下工况的学习，包括井下液面，初始平均功率，电机转矩变化规律等参数，通过学习使得控制器与抽油机系统获得最佳匹配；第三种为工作过程中的自学习修正，在正常工作过程中通过学习对了解的井下工况进行不断的修正，以保证抽油机系统始终工作在正确的状态下。

　　识别泵充满度自动调节抽汲参数。抽油机全闭环变频智能控制装置是根据电动机输出功率和泵充满度之间的线性关系实现闭环控制，在控制柜内测量电动机的实时输出功率，根据功率识别抽油系统的工作状态，克服了使用载荷—位移传感器存在的各种问题。

　　变频器单元作为变频调速技术的实施单元，是整个系统最重要的器件之一，本系统配置的是矢量型HB-H9系列高性能变频器。HB-H9系列高性能变频器是沿续通用变频器，在 V/F 控制上标准装备了矢量控制的。可实时检测电机功率及输出转矩。变频器额定电压380-440V，额定功率范围4-75Kw，过载能力为：200%*60秒。

　　主控制板单元；是以单片机为核心的系统控制中心，用来数据采集、计算、比较及向变频器发送控制信号的关键部件，主控制板采用4层工业PCB 板设计，全部选用工业级器件，适用环境温度－20～65℃。

五、使用效果

1.电流比较

　　以下试验数据是在大庆油田海拉尔公司实地测试得到的，测试流程为：第一步先测试没有使用抽油机智能变频控制系统前的各项试验数据，第二步测试使用抽油机智能变频控制系统后的各项试验数据，然后对前后试验数据进行对比。

表1：使用抽油机智能变频控制系统前后电流变化表

　　上表是对四种不同井进行的电流测定，4月20日和4月21日是没有使用抽油机智能变频系统前测得的电流值，4月22日和4月23日是使用了抽油机智能变频系统后测得的电流值。由此可以看出使用抽油机智能变频系统以后，上下冲程的电流有明显的下降。

2  示功图的分析

　　示功图是由载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线。表示悬点载荷与位移关系的示功图称为地面示功图或光杆示功图。在实际工作中是以实测地面示功图作为分析深井泵工作状况的主要依据。

图1  使用抽油机智能变频系统前B14-B59-56油井测试综合记录

图2  使用抽油机智能变频系统后B14-B59-56油井测试综合记录

图3  使用抽油机智能变频系统前B14-X64-64油井测试综合记录

图4  使用抽油机智能变频系统后B14-X64-64油井测试综合记录

　　抽油井测试的综合记录可以看出，在没有使用抽油机智能变频控制系统前，地面示功图的分析结果表明供液不足，液体不能充满工作筒，在使用抽油机智变频控制系统后，地面示功图的分析结果表明供液正常。

3  抽油机系统效率的分析

　　表2是对不同井号的抽油机的日产液量，实际升举高度，有功功率，无功功率，视在功率，吨也耗电量，吨液百米耗电量，系统效率值的测定。图中各数据均是在大庆油田实地测得。表3是使用抽油机智能变频控制系统后测得的各数据值。然后对前后数据经行对比，来说明抽油机系统效率的变化情况。

表2  使用抽油机智能变频系统前系统效率汇总表

表3  使用抽油机智能变频系统后系统效率汇总表

　　有以上两表可以看出，在没有使用抽油机智能变频控制系统前，井号为贝14-B58-57，机型为CYJY12-3-53HB，电机型号为MW/FD-CJF-14的吨液耗电量为157 KWh，系统效率为3.13%，在使用抽油机智能变频控制系统后，吨液耗电量为87.3KWh，系统效率为5.63%。井号为贝14-X64-64，机型为CYJY10-3-37HB，电机型号为TYG250M-8的吨液耗电量为98.4KWh，系统效率为4.02%，在使用抽油机智能变频控制系统后，吨液耗电量50.2KWh，系统效率为7.88%。井号为贝14-X66-62，机型为CYJY10-3-37HB，电机型号为ZYCYT250M-8/12的吨液耗电量为33.9KWh，系统效率为12.72%，在使用抽油机智能变频控制系统后，吨液耗电量为17.3KWh，系统效率为20.8%。由此可见使用了抽油机智能变频控制系统后，吨液耗电量下降了，系统效率上升了，这表明抽油机智能变频控制系统有着明显的节能，增产，提高功效的效果，是我国目前较为先进的采油技术之一。

　　上海鸿宝电气自动化有限公司生产的抽油机智能控制系统与以往简单的变频控制系统不同的是；①利用电流矢量变频器的特点和智能控制系统对抽油机电机进行力矩、功率、电流等进行控制，使抽油机钢质滑块下行时电机不发电，并可根据井下情况，自动调整电机转速，使采油效率达到最佳状态。②在抽油机智能控制系统中加装了直流、输入、输出电抗器，有效地防止变频器对电机、变频器对电网的污染，提高了功率因数。

　　目前，上海鸿宝电气自动化有限公司生产的智能型抽油机控制系统开始批量生产，产品已销往大庆油田、海拉尔油田、新疆克拉玛依油田等。