魏顯峰（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

螺桿泵舉升工藝具有占地面積小、安裝方便、能耗低等技術(shù)優(yōu)勢，近幾年在油田得到普遍推廣和應(yīng)用。直驅(qū)螺桿泵的研發(fā)解決了原有設(shè)備傳動效率低、存在安全隱患等問題，但同時也存在抽油桿制動后扭矩不能充分釋放、參數(shù)錄取不方便以及時率低等問題。為此，大慶油田開展了直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理技術(shù)研究，成功研發(fā)出永磁力矩電動機(jī)數(shù)字化無位置傳感器矢量控制技術(shù)以及GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用2 000余口井，獲得了較好應(yīng)用效果。

1 直驅(qū)螺桿泵機(jī)械驅(qū)動方式

直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動裝置坐在井口法蘭上，通過卡子將電動機(jī)的輸出軸與光桿連為一體，出油口與地面輸油管線連接。在電動機(jī)的下部連接承載軸承和支座，從而使整個裝置直接坐在井口法蘭上，實(shí)現(xiàn)軸向承載，具體結(jié)構(gòu)見圖1。螺桿泵井口密封裝置設(shè)計在電動機(jī)空心軸里，包括機(jī)械密封裝置定盤和動盤，抽油桿穿過密封管在井口通過扭矩傳遞卡子與電動機(jī)空心軸的軸頭連接傳遞電動機(jī)扭矩。

2 數(shù)控抽油桿防反轉(zhuǎn)制動技術(shù)

根據(jù)實(shí)際工況，螺桿泵井如果突然停電或人為停機(jī)，則抽油桿變形產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)力矩會帶動螺桿泵反轉(zhuǎn)，從而可能使之損壞。采取數(shù)控措施：一是通過使能端控制驅(qū)動器（圖2），如果突然斷電，則在0.02 s內(nèi)繼電器工作，使驅(qū)動器的使能端斷電，封鎖力矩電動機(jī)的驅(qū)動信號，采用10%梯度衰減控制模式，供給電動機(jī)繞組反向電流，隨主動控制抽油桿彈性勢能釋放速度，減緩沖擊載荷，控制更平穩(wěn)，從而達(dá)到保護(hù)驅(qū)動器的作用；二是采用能耗電阻制動（圖3），電路中采用了常開/常閉觸點(diǎn)的交流接觸器組，正常工作時，交流接觸器主觸點(diǎn)閉合，使驅(qū)動器與力矩電動機(jī)繞組連接，電動機(jī)正常運(yùn)行，如果突然斷電，則在0.04 s內(nèi)交流接觸器主觸點(diǎn)斷開，電動機(jī)繞組與驅(qū)動器斷開，同時交流接觸器輔助觸點(diǎn)閉合，使電動機(jī)繞組與3個能耗電阻短接實(shí)現(xiàn)電磁制動。

3 數(shù)字化高效驅(qū)動技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化速度實(shí)時調(diào)節(jié)。與普通的感應(yīng)電動機(jī)變頻系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)中多設(shè)置了一個測角元件——位置傳感器，它可以隨時提供轉(zhuǎn)子的位置和速度。目前使用的角位移傳感器是應(yīng)用最為廣泛的增量編碼器，在露天、嚴(yán)重污染、劇烈振動的場合使用容易損壞。為適應(yīng)螺桿泵井工作的高可靠性和環(huán)境特性要求，在系列產(chǎn)品中采用了通過電動機(jī)定子端電壓和電流直接計算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的方法，這種方法計算簡單、動態(tài)響應(yīng)快、延遲小，但需要準(zhǔn)確的電動機(jī)數(shù)學(xué)模型。永磁同步電動機(jī)能夠在無位置傳感器狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)矢量控制[1]。負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，則電動機(jī)的電流大，系統(tǒng)輸出的有功功率也大；負(fù)載轉(zhuǎn)矩小，則電動機(jī)的電流自動減小與負(fù)載匹配，系統(tǒng)輸出的有功功率也小。由于該電動機(jī)的功率因數(shù)高，無功功率很小，因此輕載時井口的耗能和線路的耗能都很小，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載自動跟蹤和節(jié)能。

4 直驅(qū)螺桿泵井遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)研究

4.1 開發(fā)GPRS數(shù)據(jù)通信處理平臺

在直驅(qū)螺桿泵控制板上增加CDMA模塊（圖4），直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動器內(nèi)的參數(shù)均存儲在驅(qū)動器的內(nèi)存中，CDMA模塊可調(diào)取驅(qū)動器內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，并通過CDMA數(shù)據(jù)終端發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。從網(wǎng)絡(luò)上接收到的指令也通過CDMA模塊進(jìn)行讀取，該模塊相當(dāng)于一個微型處理器，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)和直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動器之間的通信。

另外還要增加一個收發(fā)無線信號的CDMA數(shù)據(jù)終端（圖5），可以進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)錄取、狀態(tài)監(jiān)控以及遠(yuǎn)程調(diào)參、啟停機(jī)等操作。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)兩種功能：GPRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入和GPRS實(shí)時監(jiān)控。GPRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入可將井口驅(qū)動器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到服務(wù)器，GPRS實(shí)時監(jiān)控可實(shí)時錄取一段時間內(nèi)的參數(shù)變化情況，同時可以向井口驅(qū)動器發(fā)送指令調(diào)參或開關(guān)機(jī)等。

4.2 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控

直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)主要監(jiān)控螺桿泵的運(yùn)行狀態(tài)、電參數(shù)、扭矩和轉(zhuǎn)速。根據(jù)實(shí)際需求，可分為短時間實(shí)時數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控兩種采集方法。遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控可及時發(fā)現(xiàn)故障停井、參數(shù)不合理等問題，便于及時進(jìn)行維修和優(yōu)化設(shè)計，減少故障停井對產(chǎn)油的影響，可保證螺桿泵井長期運(yùn)行在合理狀態(tài)。

4.3 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作

U盤數(shù)據(jù)導(dǎo)入：當(dāng)需要導(dǎo)入數(shù)天內(nèi)的數(shù)據(jù)時用遠(yuǎn)程傳輸速度較慢，因此比較適于用U盤導(dǎo)入數(shù)據(jù)，將井口數(shù)據(jù)存入U盤，取回后連接到服務(wù)器即可直接讀取歷史數(shù)據(jù)。

GPRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入：導(dǎo)入少量數(shù)據(jù)可使用GPRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，在線導(dǎo)入直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動器內(nèi)存中的歷史數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)速設(shè)置：首先錄取螺桿泵井運(yùn)行狀態(tài)和目前轉(zhuǎn)速，然后輸入需要的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，井口驅(qū)動器動作后返回調(diào)參后的轉(zhuǎn)速。

4.4 開發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)

系統(tǒng)由4個功能模塊組成，主要包括基礎(chǔ)信息管理、數(shù)據(jù)信息管理、數(shù)據(jù)操作管理、單井分析管理?；A(chǔ)信息管理包括功能管理、角色管理、用戶信息、字典管理、組織機(jī)構(gòu)等部分，這部分主要給不同的用戶賦予不同的權(quán)限；數(shù)據(jù)信息管理包括螺桿泵基礎(chǔ)信息、調(diào)參日志信息、GPRS導(dǎo)入日志等；數(shù)據(jù)操作管理包括U盤數(shù)據(jù)導(dǎo)入、GPRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入、轉(zhuǎn)速設(shè)置、單井分析歷史記錄、GPRS狀態(tài)查詢、GPRS開關(guān)機(jī)等；單井分析管理包括單井年、月、日、時、分?jǐn)?shù)據(jù)分析等。

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

5.1 數(shù)字化管理系統(tǒng)應(yīng)用

2010年以來，應(yīng)用直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)裝置2 112套，平均轉(zhuǎn)速控制精度達(dá)到±3%以內(nèi)，能夠滿足生產(chǎn)需求，單井平均節(jié)電率達(dá)到21.2%，提高系統(tǒng)效率7.8個百分點(diǎn)，提高設(shè)備運(yùn)行時率3.2個百分點(diǎn)。通過現(xiàn)場驗證，直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能夠避免位置傳感器故障影響螺桿泵時率，提高了設(shè)備運(yùn)行時率，節(jié)能效果顯著，運(yùn)行安全系數(shù)大幅提高，實(shí)現(xiàn)了螺桿泵井的數(shù)字化管理，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

5.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速設(shè)置提高了工作效率，在室內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)對多口井的操作，使參數(shù)調(diào)整更及時，能有效發(fā)揮油井產(chǎn)能，減少對螺桿泵的損害。圖6是對螺桿泵參數(shù)的讀取曲線。

5.3 單井?dāng)?shù)據(jù)分析

可按年、月、日、小時、分進(jìn)行扭矩數(shù)據(jù)分析，管理人員能夠全面及時地掌握油井的生產(chǎn)動態(tài)，及時處理油井出現(xiàn)的各種問題。選擇組織機(jī)構(gòu)，選擇井號，選擇分析類型，再根據(jù)類型選擇相應(yīng)的時間條件，點(diǎn)擊生成相應(yīng)條件下的圖表。通過單井分析可判斷某段時間內(nèi)油井載荷的變化情況，可協(xié)助螺桿泵泵況的診斷。

6 結(jié)論與認(rèn)識

1）直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)操作便捷、自動化程度高，解決了螺桿泵井生產(chǎn)自動化和管理數(shù)字化的技術(shù)問題，可以在油田螺桿泵井大規(guī)模使用。

2）數(shù)控電磁制動抽油桿防反轉(zhuǎn)裝置能夠削減抽油桿、油管和泵的沖擊載荷，延長使用周期，同時簡化井口結(jié)構(gòu)，提高了運(yùn)行安全系數(shù)。

3）隨著油田自動化系統(tǒng)逐步完善，將抽油機(jī)井和注入井納入到同一個網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建一個數(shù)字化的管理平臺，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動錄取、信息資源共享、設(shè)備遠(yuǎn)程控制，為油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

[1]吳芳,黃聲華,萬山明.永磁同步電動機(jī)無位置傳感器功率因數(shù)矢量控制方法研究.微電動機(jī)[J],2009(4).