盧玉峰 （教育部提高油氣采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （東北石油大學(xué)），黑龍江 大慶163318 中石油吉林油田分公司扶余采油廠，吉林 松原138001）

姚寶春，李雷，張德義

景偉，楊永峰，宋成立 （中石油吉林油田分公司扶余采油廠，吉林 松原138001）

1 常規(guī)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置存在問題

1.1 設(shè)備故障率高，效率偏低

常規(guī)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置存在減速器、皮帶等易損壞配件，生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)用較高；理論上常規(guī)螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)效率為72%。

1.2 噪聲大，存在安全隱患

常規(guī)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)軸承多，在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)發(fā)出一定的噪聲，防反轉(zhuǎn)裝置通常采用棘輪棘爪設(shè)計(jì)，在低轉(zhuǎn)速的情況下棘爪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力不足以克服彈簧彈力，棘爪在棘爪盤上摩擦即加快了防反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的磨損，同時(shí)又產(chǎn)生了相當(dāng)大的噪聲，不適合在城區(qū)井應(yīng)用。常規(guī)螺桿泵存在傳動(dòng)部分外露，雖然皮帶輪加裝護(hù)罩，能降低發(fā)生危險(xiǎn)的可能，但不能完全避免，同時(shí)當(dāng)防反轉(zhuǎn)裝置失靈后存在皮帶輪飛出的安全隱患。

2 螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由碟式直驅(qū)電機(jī)、電機(jī)伺服器、光桿載荷傳感器、中控計(jì)算機(jī)組成，見圖1。

2.2 工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)主要?jiǎng)恿υO(shè)備是碟式電機(jī)，該電機(jī)的類型是一種稀土永磁同步電機(jī)，由于電機(jī)設(shè)計(jì)空間布置更符合直驅(qū)電機(jī)定轉(zhuǎn)子組件分布，提升了同等空間的電機(jī)的扭矩輸出，較常規(guī)稀土電機(jī)效率可提升2%～3%；由于其軸向尺寸更小，便于管理。

圖1 螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)構(gòu)成圖

直驅(qū)電機(jī)的伺服控制：根據(jù)電機(jī)輸出端負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)整與控制電機(jī)輸入?yún)?shù)，以達(dá)到滿足輸出力矩與提高電機(jī)效率的目的。為了保障整個(gè)螺桿泵抽油系統(tǒng)工況合理與系統(tǒng)效率的提高，引入了能控制整個(gè)螺桿泵采油井的 “大伺服”概念，即建立螺桿泵采油井智能工況監(jiān)控與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了可以通過對(duì)生產(chǎn)井運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試、無線遠(yuǎn)傳與中控計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算油井動(dòng)液面、泵效、產(chǎn)量等。

螺桿泵井直驅(qū)伺服控制與常規(guī)螺桿泵井變頻器控制都是通過改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)螺桿泵井轉(zhuǎn)速的控制，其主要區(qū)別是伺服控制能通過接收油井動(dòng)液面、產(chǎn)量變化引起的光桿載荷和扭矩變化信息，這些信息再反饋到中控計(jì)算機(jī)，經(jīng)過預(yù)定程序的處理，將合理的運(yùn)行參數(shù)指令發(fā)送到伺服控制器中，伺服控制器可以根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)整指令使設(shè)備在最經(jīng)濟(jì)合理的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，達(dá)到能耗最低。而變頻器控制轉(zhuǎn)速只能單向執(zhí)行外部命令，不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的合理自動(dòng)調(diào)整，因此螺桿泵直驅(qū)伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（動(dòng)液面的判斷和產(chǎn)量估算）的準(zhǔn)確性以及控制系統(tǒng)指令的科學(xué)性。

3 螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)動(dòng)液面監(jiān)測(cè)和求產(chǎn)原理

3.1 通過井口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算動(dòng)液面的原理

理論影響螺桿泵光桿載荷的主要因素是動(dòng)液面、油套壓、油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、泵參數(shù)、原油物性參數(shù)等，對(duì)目標(biāo)井來說油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、泵參數(shù)、原油物性參數(shù)均為可獲得已知量。通過測(cè)得的光桿載荷、油套壓由反函數(shù)推導(dǎo)計(jì)算得到油井的動(dòng)液面。

3.2 通過井口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)求產(chǎn)的原理

油井泵效ηp的理論計(jì)算采用：

式中：ηp為油井泵效，1；ηv為考慮泵漏失影響 （影響因素有泵臨界壓差、泵工作壓差等）的泵效，1；ηg為考慮氣體影響 （分為自由氣影響泵效和溶解氣影響泵效）的泵效，1；ημ為液體流動(dòng)性影響 （影響因素有原油黏度、含水率、沉沒度、轉(zhuǎn)速等）的泵效，1。

由采油工藝原理，泵效為：

式中：Q為泵的實(shí)測(cè)排量，m3／d；Q0為泵的理論排量，m3／d，n為泵的轉(zhuǎn)速，r／min；q為泵的排量，mL／r。

因此可以通過計(jì)算動(dòng)液面數(shù)值，結(jié)合油井轉(zhuǎn)速、油套壓等參數(shù)先計(jì)算泵效，再根據(jù)泵理論排量推算油井當(dāng)前產(chǎn)量。當(dāng)油井在出現(xiàn)漏失等泵效不正常工況下，可先由井口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算動(dòng)液面，然后通過擬合流入動(dòng)態(tài)曲線及采液指數(shù)，計(jì)算產(chǎn)量。

3.3 動(dòng)液面監(jiān)測(cè)與自動(dòng)求產(chǎn)數(shù)據(jù)的校核

通過井口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來推算動(dòng)液面與產(chǎn)液量時(shí)，當(dāng)井下工況變化較大時(shí)，會(huì)使參與計(jì)算的一些參數(shù)發(fā)生變化，從而影響計(jì)算結(jié)果的精確度，所以還需要定期根據(jù)實(shí)測(cè)的液量與液面來校對(duì)并修正計(jì)算公式中的參數(shù)，日常管理中只需當(dāng)監(jiān)測(cè)載荷、扭矩顯著變化時(shí)進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，這樣可以大幅降低管理工作量。

由于油井的動(dòng)液面測(cè)量和產(chǎn)量計(jì)量是按周期進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)這2個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)后可以隨時(shí)根據(jù)油井產(chǎn)量和動(dòng)液面的變化進(jìn)行油井生產(chǎn)工況診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不正常井，同時(shí)也可以根據(jù)產(chǎn)量和動(dòng)液面的變化趨勢(shì)動(dòng)態(tài)調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速，發(fā)揮油井生產(chǎn)能力。當(dāng)供液能力增加、液面上升時(shí)，調(diào)大轉(zhuǎn)速提升產(chǎn)量；當(dāng)供液能力不足、液面下降時(shí)，調(diào)小轉(zhuǎn)速提高泵效，減少能耗；從而實(shí)現(xiàn)螺桿泵科學(xué)管理增產(chǎn)提效。

目前油井單井產(chǎn)液量計(jì)量主要采取用較短時(shí)間計(jì)量產(chǎn)量結(jié)果來推算全天的產(chǎn)量，存在的缺陷是計(jì)量時(shí)間短，測(cè)量結(jié)果往往不能代表全天的實(shí)際產(chǎn)液水平，尤其是含氣量高、間歇出油井，不同時(shí)段產(chǎn)液變化非常大，計(jì)量結(jié)果的誤差會(huì)非常大。應(yīng)用該技術(shù)后可以根據(jù)油井每個(gè)時(shí)段生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并累加得到全天產(chǎn)液量，得出的結(jié)果會(huì)更加及時(shí)準(zhǔn)確，更接近油井的真實(shí)產(chǎn)液量。

4 螺桿泵井地面驅(qū)動(dòng)方式及對(duì)比

目前常見的螺桿泵地面驅(qū)動(dòng)方式有異步電機(jī)配減速箱方式、普通直驅(qū)電機(jī)方式和碟形直驅(qū)電機(jī)方式。表1為這3種方式的性能對(duì)比，可以看出，碟形直驅(qū)電機(jī)方式有較大的優(yōu)越性。

表1 3種螺桿泵井地面驅(qū)動(dòng)方式性能對(duì)比表

5 螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

扶余油田在X13井試驗(yàn)應(yīng)用了新式碟形直驅(qū)電機(jī)及其伺服控制系統(tǒng)，應(yīng)用后運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了螺桿泵井遠(yuǎn)程起、停、調(diào)參、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、工況診斷、在線液面計(jì)算與求產(chǎn)等功能。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試節(jié)能效果明顯，該井系統(tǒng)效率由應(yīng)用前的12．7%提高到17．5%，平均有功節(jié)電率達(dá)到13．5%。試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 應(yīng)用直驅(qū)螺桿泵井試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比

6 結(jié)語

應(yīng)用螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)油井動(dòng)態(tài)變化合理調(diào)控地面運(yùn)行參數(shù)，做到地面井下整體優(yōu)化，解決了扶余油田螺桿泵井能耗偏高的問題，同時(shí)該技術(shù)也適合在其他油田螺桿泵井推廣應(yīng)用。