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    一、前言 

    新木采油廠地處吉林省松原市西北部，是一個低孔低滲的復雜斷塊油藏，開井938口，其中抽油機井899口，螺桿泵井有38口，自噴井有1口，抽油機舉升是主要的采油方式。2005年在系統耗電中，采油系統耗電量占全廠電量的三分之一；在噸油成本中，電費支出約占生產成本的六分之一。06年統計現場測試數據：抽油機井電機平均功率利用23.5％，平均功率因數0.53，系統效率僅為23.5％。系統效率低，提升空間大。分析影響系統效率的因素很多，歸納起來主要為有2個方面，即設備因素和技術管理水平。

    1、設備因素

    抽油機運動特點是帶負荷啟動，啟動力矩大，為了滿足最大轉扭的需求, 同時為保證在結蠟、出砂和抽油機不平衡時有一定裕度，抽油機必須配備較大功率的電機、減速箱和變壓器。但是正常生產時抽油機驢頭承受的是周期性脈動負荷，最大負荷與最小負荷差值大，在一個沖程中相當長的時間輕載運行（圖1），大部分井運行功率僅是電機裝機功率20～30％，即所謂的“大馬拉小車”，使電機效率低，地面效率低。

        

    采油廠抽油機以常規四連桿機構為主，常規型抽油機盡管有種種優點，但缺點也尤為突出。常規型抽油機載荷波動系數（CLF）和懸點加速度大，配套電機功率大，平衡效果差，即使在平衡效果較好的情況下，減速箱峰值扭矩仍較大，負扭矩現象也很嚴重，導致電動機進入再生發電狀態（圖2），將多余能量反饋到電網，引起主回路母線電壓升高，勢必會對整個電網產生沖擊，導致電網供電質量下降，功率因數降低，使常規型抽油機效率低，能耗高。常規型抽油機由于其幾何尺寸和啟動力矩需求，配套電機功率大，而運行時均值功率卻不大。

    節能電機少，常規電機多。交流異步電機的效率和功率因數在額定值附近達到最大值（圖3），常規抽油機運動特性決定電機長期運行在低效區，電機電能利用差，造成了較低的功率因數和電能的浪費。而且很多電機多次維修和嚴重老化，使電機效率低，網損、銅損嚴重，無功損耗大。

                               

   2、技術管理因素

   采油廠是典型低滲油田，有大量低產低效的油井，這些井電機以六級電機為主，抽油機以五型和六型為主。即使工作參數很小時，工作制度仍很大，泵效很低。如118塊最小機型為5-1.8-18HF，該機型在最小理排下產量是12.52（1.8×6×Φ32），泵效在23%以下。這些井泵效低，井下效率小，無功損耗大。對于調低沖次油井，換小直徑皮帶輪，成本低，使用方便，但皮帶輪直徑不能過小，否則皮帶包角過小影響皮帶使用壽命和雨雪天皮帶打滑。常規六型抽油機(減速箱大皮帶輪外徑是800mm，減速箱總傳動比31.714)配備8級電機最多能降到4次/分，配備6級電機最多降到5.3次/分。常規五型減速箱大皮帶輪外徑和減速箱總傳動比小于六型抽油機，最低沖次還降不到這個程度。

    二、提高系統效率技術應用分析

    如何提高機械采油井系統效率，降低油井噸液耗電、減少原油開采成本，促進油田生產效益，已成為油田生產急需解決的重要問題。抽油機井要提高系統效率從兩個方面人手：優選節能設備和優化生產參數。

    1、節能設備分析

    節能設備主要包括節能抽油機、節能電機和節能配電箱。節能抽油機價格高，主要用于新建產能和設備更新上，對于老井主要是進行抽油機節能技術改造，通過降低減速箱峰值扭矩，使電機功率下降，但是初期投入較高，投資回收期長，實施數量非常少。因此節能設備優選對象主要是電機和配電箱，實現目標是通過提高電動機效率和負荷率，提高運行效率和功率因數或者是從系統考慮，改變電動機的機械特性，使抽油機、桿、泵整個系統達到較佳配合，提高系統效率。

    節能電機主要有稀土永磁電機、高轉差電機。節電箱主要是Y一△轉換、功率因數控制器和無功功率補償以及變頻調速等。

    ①稀土永磁電機

    稀土永磁同步電機轉子為稀土磁鋼，采用異步啟動，同步工作方式，轉子轉速與定子旋轉磁場完全同步，無轉差損耗，轉子不需要外加勵磁電源，消除了勵磁損耗，具有起動力矩大、過載能力強、效率高、功率因數高等特點。與Y系列電機和超高轉差相比稀土永磁電機節電明顯，功率因數提高（表1）。但是比Y系列電機還硬的機械特性，使負有功和功率最小值增加，加劇抽油機系統振動（圖4、圖5）。

       

        

    ②高轉差電機

    高轉差率電機與Y系列電機相比，加大了轉子電阻及轉子損耗，使電機機械特性變“軟”，減少了提拉速度和加速度，從而使抽油機系統的峰值阻力矩減少，降低了輸出功率。缺點電機效率和功率因數低。其轉差率靠提高轉子電阻實現的，增加了滑差損耗，其輸出功率降低，輸入功率不一定降低。因此用它換Y系列電機有一定適合區間。

         

    ③Y一△轉換

    Y一△轉換適合功率利用率低、大馬拉小車嚴重的抽油井使用。電機三角形啟動后，再將定子繞組切換成星型接法運轉。轉換后平衡變差，如果角接時平衡性差，轉換后平衡性更差，現場需要轉換井平衡性好。

    ④功率因數控制器

    功率因數控制器，主要是采用單片機實時檢測電機電壓與電流之間的相位差變化，控制晶閘管的導通角，自動調節電機的供電電壓，使電機在空載或輕載時降壓運行從而達到提高功率因數，節能的目的。但是在實際應用過程中節電效果不太理想，主要原因是電壓的變化速率跟不上電流的變化速率。另外由于可控硅引起電流產生諧波，受瞬變電勢和瞬變電流的影響，引起電機發熱和振動，影響了節電效果。

    ⑤無功補償器

    無功補償器主要是采用加裝一定容量的電容器對電網進行無功補償，減少無功電流來提高功率因數，降低供電變壓器負荷，從而降低網損達到節電的目的。目前這種技術應用比較廣泛，效果也較好，缺點是不能提高電機效率，也不能降低電機輸入功率，功率因數提高到0.5～0.6，電容器容易損壞。

    ⑥變頻控制器

    變頻控制柜是實現了電動機的軟啟動，對電網無沖擊，電動機功率因數可由0. 25～0. 50 提高到0. 90以上，從而減輕了電網及變壓器的負擔，降低了線損。操作方便，不需停產即可根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度。利用最新研制的四象限矢量控制變頻調速器，配以過程控制、位置傳感等技術改造現有的抽油機，可以實現油井節電、增效和增產，從而提高整個有桿抽油系統的機采效率。

    2、優化參數分析

    優化抽油參數是根據油井動態變化，以低能耗為目標及時調整抽油參數。做法是長沖程、低沖次、合理泵徑。選擇低沖次的方法是很重要的工作。
常規抽油機生產時油井平均沖次計算公式：

    式中: —平均沖次， r/min；

    —電動機平均轉速，r/min；

    —抽油機減速箱總傳動比；

    —電機皮帶輪直徑，mm；

    —減速箱大皮帶輪直徑，mm。 

   

    式中： s—電機轉差率；

    —電源頻率，hz；

    —電動機的磁極對數。

    調換小直徑皮帶輪是現場普遍采用的方法，成本低，使用方便，除非換12極電機否則最多能降到4次/分。增加抽油機減速箱傳動比有兩種方法：一種是更換大總傳動比更大的減速箱，傳動比至少要達到32；另外一種是對減速箱技術改造，在原減速箱基礎上更換短齒齒輪。這兩種方法成本高，不宜在現場使用。

    換減速箱大皮帶輪直徑成本較高，可操作性差。

       

    綜上所述，對比可實施的幾種方案（表2），從優選節能設備和優化生產參數的角度考慮，對于一些低產井和液面波動大的井，由于受到皮帶輪最小包角和沖次有級調整的限制，達不到供排合理的抽油機井使用變頻控制柜是最理想的選擇。

    三、抽油機井變頻調速適應性分析

    1、變頻對輸入功率影響

    輸入功率 與油井工作制度關系可以用下式表示：

   

    上式表明：影響輸入功率大小關鍵因素是沖程和沖次乘積，也就是光桿運行速度。其它參數不變，油井能耗與抽汲速度成正比。沖次將隨著電源頻率的改變而改變，而且兩者的變化為正比關系。因此調低頻率油井輸入功率降低。
2、變頻技術對抽油機懸點運動規律的影響
抽油機運動模型簡化為曲柄滑塊機構運動，懸點運動速度公式：

     

    根據前面的分析，由于抽油機電機的電源頻率發生了改變，從而導致了電機轉數在上下沖程的改變，最終改變了抽油機曲柄運轉的角速度ω，使抽油機懸點運動規律發生了改變：在上沖程過程中，懸點運動的速度、加速度減小；在下沖程過程中，懸點運動的速度、加速度增大。

    3、變頻對抽油機懸點載荷的影響

    抽油機懸點載荷主要包括抽油桿柱載荷、作用在柱塞上的液柱載荷、以及慣性載荷。其中，抽油桿柱載荷、液柱載荷是靜載荷，它不隨懸點速度、加速度的改變而變化，而慣性載荷隨之變化。

   

    根據上面的分析，抽油機井在采用變頻調速后，改變了上下沖程過程中的懸點加速度，導致上沖程過程中液柱慣性載荷和抽油桿柱慣性載荷都減小，而下沖程過程中，只引起抽油桿柱慣性載荷的增大，最終的結果是引起懸點最大載荷比變頻前有明顯的下降，而懸點最小載荷比變頻前稍有增大。

    4、變頻對井下抽油桿應力的影響

    鋼制抽油桿極限交變次數按700萬次～1000萬次計算，不同沖次時抽油桿的使用壽命見下圖。

          

    可見，油井的沖數越高，抽油桿使用的年限越短。如果井下偏磨或腐蝕，抽油桿使用壽命大大降低。調低頻率后，降低沖數，，減少循環次數，抽油桿使用壽命延長。進一步變頻，采取上慢下快的抽油方式，使懸點最大載荷減小，最小載荷增大，改變了井下抽油桿的循環特性，降低應力幅度，延長了桿的使用壽命。

    5、變頻對抽油井偏磨的影響

    油井偏磨是導致油井作業的重要原因。抽油桿柱實際軸向分布力越小，臨界軸向壓力越小，抽油桿柱越容易彎曲，從而導致偏磨。抽油機井變載荷運行使抽油桿產生彈性振動，振動載荷由下至上逐步增大，直接影響軸向壓力的變化，當軸向壓力增加到一定程度時，桿柱將屈曲變形產生徑向接觸力，增加了桿管偏磨。沖次增加，增加了振動幅度，在中和點部位增加了軸向壓力，將增加抽油桿彎曲沖擊的動量和沖量，這將增加桿柱的軸向作用力。在該壓力達到足夠大的情況下能夠使桿柱失穩彎曲，抽油桿受到軸向壓力越大，隨之產生的側向力也越大，從而加快了桿管的偏磨。使用變頻后可以下調沖次，減少桿柱軸向作用力，降低甚至避免偏磨的發生。

                     

        

    6、變頻對油井產量和泵效的影響

    對于供液充足的油井，在保證合理沉沒度即動液面的情況下，增大電源頻率調高沖次，提高油井的產液量，發揮油井的生產潛力和增大有效功率。

    對供液不充足的油井，由于影響油井供液不足的原因一是地層本身的供液能力差，二是油井抽油參數相對偏大。因油井地層能量低，而抽油參數又相對偏大，抽油泵在吸液過程中還未來得及充滿就轉入了排液過程，造成了抽油泵充滿程度低，使得抽油井實際被舉升的液量少，泵效低，這樣就造成了抽油井的有效功率小，系統效率低。對于這樣的抽油井應調小電源頻率，降低沖次。針對油井生產狀況，利用上下沖程電源頻率調整的技術，調整上下沖程抽汲速度，上慢下快，提高泵的充滿程度；上快下慢，減少泵的漏失。

    7、變頻對油井熱洗清蠟的影響

    低沖次采油后，油井抽油速度降低，產出液在油管內流速降低，結蠟速度增大，洗井周期縮短，洗井返排時間延長。使用變頻器后，洗井前手動按鈕提高頻率，沖次由2～3次/min提高到6次～7.3次，理排提高2倍～3.65倍，含水恢復期和影響產油量大幅度下降，效果明顯，當含水正常后再調回原來的頻率和沖次。

    8、變頻對稀土永磁電機的影響

    稀土永磁電機堵轉扭矩可以達到2.7-3.5，而普通電機僅為1.8-2.0，能取代比它大兩個功率等級的普通電機，運行時各種負荷狀態時都具有很好的效率和功率因數，節能效果顯著，目前是油田大力推廣的抽油機拖動裝置。但不可否認，稀土電機也有明顯的缺點。永磁電機和變頻器配套應用，可以優勢互補。利用變頻調速裝置的軟起動功能能夠平穩起動永磁同步電機，從而解決其振動及噪音大的缺陷；利用變頻調速裝置的頻率調節功能能夠使永磁同步電機的轉速無級可調，實現調速功能，兩者的結合是目前最理想的高效調速方式。

    四、抽油機井變頻器工作原理、技術參數

    1、工作原理

    IPC－MD系列變頻器采用了最新的雙PWM拓撲結構的四象限運行變頻控制技術。變頻器主要采用交一直一交方式．變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器。且輸出為PWM波形，中問直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源。然后再把直流電源轉換成不同頻率的交流電供給電動機。使電動機獲得無極調速所需要的電壓電流和頻率。
        

    2、技術參數

    CPU：采用軍品32bit DSP，-40℃～+90℃氣溫條件下能正常工作。可靠性較商用變頻器大大提高。

    沖次可調，30% ～120%。

    內置回饋制動單元，可把再生電能回饋電網。因已配置電抗器和噪聲濾波器，可直接與380V/660V電網駁接使用。回饋電網的能量，效率97％。

    系統無功損耗小，功率因素COS∮＞0.96，同一供電線路可適當加載，節省增容費。

    柔性啟動，降低電網載荷沖擊，對電機和設備無沖擊。

    電能回收部分，比普通商用變頻器多節能15～25％。熱損耗為電阻制動的3％以下。

    五、試驗應用情況

    2006年經過調研，在新木采油廠采油四隊安裝IPC-MD抽油機井變頻柜4臺，用于先導性試驗。

    1、試驗井基本數據

      

    這4口井是2005年新投的油井，經過初期短暫的高產后，日產液大幅度下降，平均泵效僅為10.7％，平均系統效率僅為6.1％。除118-160井外，其它三口井沖次己經接近最小，無法調小沖次。

    2、試驗井效果

    (1)、沖次任意調節

    不用更換皮帶輪，不需停產調節速度，提高了生產效率。解決了因調速造成的停產和沖次無法調小問題。

    (2)、分段轉速控制

    通過變頻對抽油機轉速的調節，根據抽油機的特殊工況，把轉速控制細劃為上沖程轉速控制和下沖程轉速控制，減少漏失，提高泵充滿程度，提高泵效。

    (3)、提高油井的產量和泵效

    根據油井的實際供液能力，動態調整抽取速度，使油井的供排協調，減少泵的空行程，提高泵效。4口井，提高泵效16.58％，日產液提高0.5，日產油提高0.2。

        

    (4)、提高功率因數

    使用變頻器后，電動機功率因數提高到接近1，從而減輕了電網和變壓器的負擔，降低了線損，節省了無功損耗的電費。 

         

    (5)、對電網和設備無沖擊

    當電機在工頻狀態下啟動時，啟動電流相當于5～7倍額定電流，對抽油設備和供電電網造成很大的沖擊，尤其是118-160井稀土永磁電機在啟動瞬間產生很大的電流和震動，使用變頻后電機柔性啟動，使啟動電流降至3-4倍，減少了對電網和抽油設備的沖擊。

    (6)、改善了抽油桿受力狀況
光桿抽油速度對抽油桿受力有很大的影響，變頻降沖次和優化上下沖程速度實現上慢下快，改善抽油桿循環特性。 

          

    (7)、提高系統效率

    變頻器應用油井使供排協調，泵充滿程度提高，改善桿管應力，提高了井下效率；減少地面無功損耗，提高了地面效率，整體上系統效率明顯提高。 

          

    (8)、減少電機能耗 

    油井調小頻率，平均輸入功率減少3.66kw，平均噸液耗電減少27.62kw.h，平均日耗電減少87.78kw。 

         

    (9)、負功能夠回饋電網

    對生產中的負功，使用回饋式制動單元，能把再生電能回饋電網。內部已經安裝有電抗器和噪聲濾波器，全程噪聲過濾，不會污染電網和干擾其他設備。

    (10)、減少熱洗清蠟的負影響

    油井熱洗時，調頻提高沖次，增加理論排量，強排生產，可以明顯縮短含水恢復期，減少影響產油量。

         

    六、經濟效益分析

    ⑴產出費用

    ①節省電量費用：

    3.66kw×24h×360d×0.47元/kw.h＝14862.5元

    ②少影響產油量費用：

    洗井影響：1445元/噸×2噸/次×10次＝28900元

    ③增產量：

    1445元/噸×0.2噸×360天＝104040元

    合計：14.7802萬元元

    ⑵投入費用

    ①設備投入費用：整套設備投資25000元

    這套裝置投入產出比是1：5.912，而且這套裝置壽命較長，可以長久使用，經濟效益非常可觀。

    七、結論

    從變頻器應用現場數據分析，變頻器一次性投入較高，但解決了機械采油系統功率因數低、電機啟動轉矩大、負載率低、能耗大的問題。電機起動性能良好、功率因數提高到0. 98 、節電率達40 %以上。

    ◎變頻后無極調速，調速范圍廣，調速過程平滑；

    ◎調頻后功率因數接近1；

    ◎柔性起動，可大幅度降低對供電變壓器裝機容量的要求，并使電機振動及噪音大大減小。

    ◎降低抽油泵容積損失，提高了泵充滿系數。

    ◎抽油機運轉性能得到改善，動載荷明顯減少，載荷線光滑平直。

    ◎減少桿管磨損次數，改善桿管受力狀態，延長桿管壽命；

    ◎降低電機輸入功率和油井噸液耗電。