黃先鋒，　宿伯萍

(1. 上海電科電機科技有限公司，上海　200063；2. 哈爾濱貝特汽車電子器材廠，黑龍江 哈爾濱　150000)

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電機系統(tǒng)節(jié)能在游梁式抽油機上的使用

黃先鋒1，宿伯萍2

(1. 上海電科電機科技有限公司，上海200063；2. 哈爾濱貝特汽車電子器材廠，黑龍江 哈爾濱150000)

針對游梁式抽油機的原理和運行特點，在原來更換電機、加裝變頻器或節(jié)能控制箱的基礎上，提出了考慮游梁式抽油機井下運行特性的整合設備、電機和驅動控制系統(tǒng)一體的電機系統(tǒng)節(jié)能方案。將該方案在一些油井上進行試驗，節(jié)能效果良好。

游梁式抽油機； 永磁電機； 柔性智能控制系統(tǒng)； 電機系統(tǒng)節(jié)能

0　引　言

游梁式抽油機是國內外石油工業(yè)的傳統(tǒng)采油方式之一，在我國石油開采中有桿抽油系統(tǒng)一直占主導地位。在我國各油田中，約80%以上的油井采用有桿抽油系統(tǒng)。游梁式抽油機以其結構簡單、制造容易、可靠性高、耐久性好、維修方便等優(yōu)點，在采油機械中占有舉足輕重的地位。因此，研究電機系統(tǒng)節(jié)能在游梁式抽油機上的使用至關重要。

1　游梁式抽油機的負載特點

1.1游梁式抽油機的原理

游梁式抽油機采油系統(tǒng)主要由三部分組成。一是地面部分——游梁式抽油機，如圖1所示。其主要由電動機、減速機、四連桿機構、曲柄、平衡塊、游梁、驢頭、懸繩器、光桿等組成。二是井下部分——抽油泵，往復式抽油泵的機構如圖2所示。其主要由泵筒、吸入閥、泵閥、柱塞(活塞)排出閥等構成。它懸在套管中油管的下端。

圖1　游梁式抽油機結構圖

三是抽油桿柱部分，由長度數百米至數千米鋼桿連接而成，使地下設備與地面抽油機連接，即使井上設備與抽油泵的活塞連接。

游梁式抽油機采油的主要工作過程是： 電動機通過皮帶和減速器帶動曲柄作接近勻速的圓周運動，曲柄通過連桿帶動游梁上下擺動，游梁前面的驢頭上下往返運動，驢頭上的懸繩器與井口上部的光桿連接，井口內部的光桿與抽油桿連接。抽油機的上下往復運動，帶動活塞上下運動，把石油從井下提升到地面。

抽油機的工作原理： 抽油桿向上運動為上沖程，如圖2(a)所示。此時抽油桿帶動油泵活塞上行，油泵的排出閥受自重和有關內液體壓力的作用而關閉，油泵活塞提升液體向上運動。與此同時，活塞下面的壓力降低，油泵下面的吸入閥打開，液體被吸入泵內空間。抽油桿向下運動稱為下沖程，如圖2(b)所示，此時抽油桿帶動活塞下行，油泵下面的吸入閥關閉，油泵排出閥打開，液體進入活塞的上部。油泵活塞再往上運動時又將這部分液體提升。抽油機不斷地往復運動，油泵活塞不斷地上下運動，原油就源源不斷地被抽到地面上來。

1.2游梁式抽油機負載特性

游梁式抽油機將曲柄的圓周運動轉化為抽油桿的往復直線運動。由于井深一般幾百到幾千米，抽油桿由一根9m的鋼桿連接而成，其特點就不再是剛性，而是類似于一根很長的“彈簧”。在上沖程中，抽油機要提升原油和抽油桿柱，電機(特別是永磁電機)機械特性很硬，拉著抽油桿和原油上升時，除了自重還有抽油桿和油管的摩擦力及原油的粘滯阻力，這根“彈簧”是先延伸，到不能繼續(xù)延伸時，再整個跟著懸桿往上運動，抽油機電機的載荷很大。游梁抽油地面有效行程只有幾米，上沖程抽油桿“彈簧”效應延伸可達30～40cm，有效行程就縮短了。在下沖程中，過最高懸點，抽油桿這根“彈簧”收縮再加上抽油桿柱的重力拉動抽油機運動，懸點加速度和速度增大，抽油桿“彈簧”收縮和抽油桿重量一起拖著抽油機往下“反抽”，速度超過電機的額定轉速，電機就會處于發(fā)電狀態(tài)。因此抽油機運行過程中載荷變化很大，必須采取平衡措施。目前，游梁式抽油機普遍采用的方法是在游梁上加平衡重物來實現(xiàn)抽油機的平衡。由于游梁式抽油機機械機構的限制，抽油機在一個工作循環(huán)中，電機的負載轉矩變化很大。圖3是游梁式抽油機負載轉矩圖。由圖3可知，在一個工作循環(huán)中，負載轉矩有較高的“峰值”和較深的“低谷”。低谷中橫線以下部分為負轉矩，負載將拖動電機運行，電機進入發(fā)電狀態(tài)。這種波動很大的扭矩特性，使抽油機對驅動電機特性要求非?？量蘙1]。

圖3　游梁式抽油機負載轉矩曲線

1.3游梁式抽油機對驅動電機的要求

通過前面的分析，游梁式抽油機驅動電機需滿足下列要求：

(1) 電機要有較大的起動轉矩，以便克服平衡塊的慣性，使抽油機順利起動。

(2) 抽油機一旦運轉起來，由于平衡塊的慣性很大，只要很小的運行功率，一般是電機額定功率的1/3，甚至更低。因此要求電動機有較寬的功率曲線和功率因數曲線。

(3) 在一個周期中，電機的平均功率很小，但峰值轉矩較大，電機必須有足夠大的瞬間過載能力。

(4) 在一個周期中，電機將有一段時間處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電時能將發(fā)電能量回饋給電網。

(5) 抽油機上、下沖程轉換時應降低電機轉速，以減緩換向對抽油桿的沖擊，減少抽油桿的彈性變形，延長抽油泵活塞的實際行程。

上述(1)和(2)的要求是矛盾的，選用功率大的電機能滿足起動要求，但運行時電機的負載率很低，電動機處于“大馬拉小車”狀態(tài)，效率和功率因數都很低。

2　游梁式抽油機機械采油系統(tǒng)存在的主要問題

游梁式抽油機的總效率在國內一般地區(qū)只有12%～23%，先進地區(qū)至今不到30%，系統(tǒng)效率低下，能耗大。因此，減耗提效成為有桿抽油系統(tǒng)的一個急需解決的問題。此外，隨著老油田油井的油液位降低，井下供液不足，要求抽油機的沖程越長越好，沖次越低越好。但當前常規(guī)游梁式抽油機型行程固定且偏小同時沖次調節(jié)困難，在一定程度上已經不能滿足長沖程、低沖次生產的要求。注水開發(fā)，以液保油，是油田保證原油穩(wěn)產的趨勢。

2.1系統(tǒng)效率低的問題

游梁抽油舉升系統(tǒng)由地面電機控制傳動設備及井下抽油設備組成。系統(tǒng)效率是各部分效率的連乘積，任何一環(huán)的效率低，都會使系統(tǒng)效率變低。因此要提高抽油機系統(tǒng)的總效率，實現(xiàn)減耗是一個復雜的系統(tǒng)工程問題。

2.2能耗大的主要問題

由于在同一工況、井況和同一時刻下，井下的能耗因地面游梁機型不同而會發(fā)生充滿度、沖程損失、光桿功率的變化。致使抽油機能耗大的主要原因有：

(1) 抽油機的負荷特性與異步電機的轉矩特性不匹配，甚至出現(xiàn)“發(fā)電機”工況，出現(xiàn)二次能量轉化。電機在一個沖程中的某個時段下落的抽油桿反向拖動，運行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落所釋放的機械能有部分轉變成了電能回饋電網，但所回饋的電能不能全部被電網吸收，引起附加能量損失，同時負轉矩的存在使減速器的齒輪經常受反向載荷，產生背向沖擊，降低了抽油機的使用壽命,增加了損耗。

(2) 常規(guī)抽油機運行的懸點加速度、速度最大值過大，影響懸點載荷，動載荷增大。采用對稱循環(huán)工作制使井下油液充滿度下降，影響產量，泵效率降低，能耗也增大。

(3) 當前游梁式抽油機都是驅動電機“大馬拉小車”直接起動。因為抽油機是變載運行，起動轉矩和電流都很大，但運行負載又很小，電機負載率一般約30%，甚至更低，此狀態(tài)運行效率很低，功率因數也很低，饋電變壓器帶載能力降低，線路附加損耗增大。

(4) 由于常規(guī)抽油機是變載荷周期運行，機械沖擊、疲勞失效是整個機采系統(tǒng)的先天缺欠。因此，機械故障與機件損壞維修費用增大了油田的生產成本，增大了消耗。

2.3供液不足產生的問題

隨著油田開發(fā)的不斷進行，油井產能受到地質特征、油藏管理、采油工程、生產維護等多方面影響。當油層的供液量發(fā)生變化時，就需要對老油井抽汲參數優(yōu)選，否則，當供液不足時，就可能會出現(xiàn)空抽現(xiàn)象使能耗增高。當供液充足時，抽汲強度偏低，就會限制油井的產液量。由于現(xiàn)有常規(guī)游梁式抽油機結構限制，無論沖程還是沖次的調節(jié)都不連續(xù)，很難達到理論要求。特別是低產低效井，調低沖次很困難。換多極電機和減速箱增加了費用消耗，而且井況變化仍需調整，使用變頻調速是應用較多的方法。采用變頻器雖然解決了常規(guī)抽油機沖次減少的問題，但仍然不能改變抽油機的運動規(guī)律和應力狀態(tài)，應力、加速度、載荷變化都沒有變。降低沖次的方案效果對比如表1所示。

表1　降低抽油機沖次的方案對比

3　國內各地區(qū)主要采用的典型措施

3.1改進抽油機本體——更換節(jié)能型游梁式抽油機

(1) 采用異相式抽油機，改變抽油機的運動規(guī)律。降低上沖程的速度和加速度，改變每個運轉周期的上下沖程的周期時間，部分改善了抽油機應力狀況，但因為抽油機的原理和結構限制收效受限。

(2) 采用新的抽油機平衡結構。其中有游梁平衡和曲柄平衡等方案。但由于沒有真正地改變運行規(guī)律，雖然沖擊載荷有了部分改善，但對井下工況沒有根本解決。

3.2更換抽油機電機

(1) 采用高轉差率電機。高轉差率電機與普通電機相比，因為轉子電阻率大，有較高的起動轉矩倍數，可以適當降低電機容量，適合抽油起動轉矩大、運行負載輕的特點，提高電機的負載率。高轉差率電機機械特性軟，在抽油過程中，當負載轉矩增加時，電機速度下降；負載轉矩減小時，轉速上升。此特性可以減小抽油桿的最大應力和最小應力，減小彈性變形，減少斷桿和脫桿，延長抽油桿使用壽命。對低產井和稠油井來說，可以增加井下充滿度和油液產量，提高抽油系統(tǒng)的效率。另外還可以降低減速機的最大峰值轉矩，延長抽油系統(tǒng)的壽命。但是由于此電機轉子電阻率大、發(fā)熱厲害、電機效率低、功率因數低而一直飽受詬病。類似的機械特性配合節(jié)能的還有繞線轉子電機加IGBT橋式整流電路，也有一定的效果。近些年，采油工藝的發(fā)展日趨于大沖程、低沖次，這種工藝本身就能最大限度地減少慣性負荷和振動負荷，因此超高轉差率電機的應用范圍被大大縮小。

(2) 采用稀土永磁同步電機。抽油機電機用的稀土永磁同步電機采用異步起動、同步運轉方式，或者叫高效高起動轉矩自起動永磁同步電機。相比普通電機： ① 其起動轉矩倍數可達2.8～3.5 倍，過載能力強，電機容量可以減??；② 此電機轉子起動時靠鼠籠條起動，牽入同步后靠轉子上永磁體磁場運轉，無需勵磁電流，因而功率因數和效率都很高；③ 這種電機在20%～120%負載時效率和功率因數都很高；④ 此 永磁電機容易做成低速大轉矩電機，普通電機高極數的很少，因為效率太低，而永磁電機因為轉子上沒有損耗，因而效率可以做得比較高。針對油井液位低而需要降低沖次，最近幾年在油田上出現(xiàn)了12極、16極、24極甚至32極的永磁電機。以上特點，決定了永磁電機在油田游梁式抽油機的節(jié)能效果。但是電機具有比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(tǒng)振動。與高轉差率電機相比，其未消減振動載荷的能力，反而會增大對減速箱齒輪的沖擊損害；也發(fā)生過皮帶拉斷，甚至懸桿拉脫等情況；釹鐵硼材料磁性強，一旦電機燒毀就要專業(yè)廠家維修；此外轉子極數不能根據調參的需要實行變極調速。

3.3控制與饋電方面的節(jié)能措施——節(jié)能配電箱

節(jié)能配電箱主流產品有四大類：

(1) △-Y轉換配電箱?！?Y轉換適合負載率低于30%、大馬拉小車嚴重的抽油井使用。電機三角形起動后，再將定子繞組切換成星型接法運轉。這樣運轉功率只有三角形時的1/3，要防止負載超過1/3時燒毀電機。轉換后平衡變差，如果角接時平衡性差，轉換后平衡性更差。

(2) 變頻控制器。變頻控制柜實現(xiàn)了電機的軟起動，對電網無沖擊，電機功率因數可由0.25～0.50提高到0.90以上，從而減輕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(tài)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(xiàn)有的抽油機，可以部分實現(xiàn)油井節(jié)電、增效和增產，提高了部分有桿抽油系統(tǒng)的機采效率，但沒有改變桿柱的應力和速度分布，以及懸點載荷變化規(guī)律，只考慮了地面的問題，綜合效果不明顯。大量使用變頻器，要考慮諧波治理問題[2]。

(3) 無功補償器。無功補償器主要是針對抽油電機負載率低、功率因數低的情況，采用加裝一定容量的電容器對電網進行無功補償，提高功率因數，降低供電變壓器負荷，從而降低網損，達到節(jié)電的目的。這種技術應用比較廣泛，功率因數能提高到0.5～0.6，其缺點是電容器容易損壞。

(4) 晶閘管調壓節(jié)能箱。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(jié)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和節(jié)能的目的。但晶閘管會引起電流產生諧波，進而引起電機發(fā)熱和振動，影響了節(jié)電效果。

4　電機系統(tǒng)節(jié)能的使用

現(xiàn)階段，提高游梁式抽油機機采系統(tǒng)效率主要是地面節(jié)能，提高地面效率，除了調參工作外，提高井下效率工作開展得很少，而當前油田機采系統(tǒng)效率低的主要問題是井下效率低。隨著我國很多油田老化、液位降低和很多稠油井的開采，提高井下效率才是提高機采系統(tǒng)效率的主要工作。

要提高機采系統(tǒng)的效率，就要從游梁式抽油機本身、驅動電機和控制系統(tǒng)三方面統(tǒng)一考慮，采用系統(tǒng)節(jié)能的方式，才可能達到理想的效果。以上分析顯示，光靠哪一方面都不能解決根本的問題。游梁式抽油機運行特點是： 在上沖程中，電機拉著抽油桿和原油上升時，抽油桿在自重、抽油桿和油管摩擦力及原油的粘滯阻力下，先延伸，再跟著懸桿往上運動，抽油機電機的載荷很大，有效行程縮短；在下沖程中，抽油桿收縮再加上抽油桿柱的重力拖著抽油機往下“反抽”，電機就會處于發(fā)電狀態(tài)。高轉差電機的軟機械特性適合抽油機的特性，但是發(fā)熱嚴重、效率低；永磁電機效率高，功率因數高，機械特性太硬；變頻器可以實現(xiàn)軟起動，調整抽取速度，增效增產，但是目前只考慮了地上部分的節(jié)能。若是根據油井地下部分的特點，利用變頻驅動系統(tǒng)將普通電機或永磁電機的硬特性變軟，在上沖程中，先低速慢慢將整個抽油桿拉動，再加速，則可以有效避免抽油桿的彈性延伸，增加有效行程；在下沖程中，抽油桿沒有彈性延伸，則“反抽”力減小，這時降低電機轉速，減小抽油桿下降速度，讓機采系統(tǒng)牽拉著抽油桿慢慢下降，避免電機處于發(fā)電狀態(tài)，提高井下泵筒的充滿度。這樣通過整個系統(tǒng)的配合，讓電機通過驅動系統(tǒng)的調節(jié)，去配合抽油機的運行特性，提高泵效和整個機采系統(tǒng)的效率，降低噸油耗電量。

哈爾濱貝特汽車電子器材廠在此理念上開發(fā)了“BT超柔性智能調參量油高泵效運行驅動系統(tǒng)”，如圖4所示。該系統(tǒng)在減速機輸出軸位置安裝速度傳感器，在懸繩處安裝載荷位置傳感器，在井口處安裝傳感器測量采液量，隨時采集參數，根據采集到的數據隨時調整變頻器輸出，調整電機的轉速。該柔性驅動系統(tǒng)的特點如下：

圖4　BT超柔性智能調參量油高泵效運行驅動系統(tǒng)

(1) 改變了抽油機傳統(tǒng)的運轉模式。在保證生產需要的前提下，把電機的勻速運行改變?yōu)殡S機的變速運行，從而使抽油機的運行負荷及受力狀態(tài)有了一個根本的改變，實現(xiàn)了舉升全過程的柔性運行。

(2) 因實現(xiàn)了柔性起動和運行，該系統(tǒng)降低了柱塞上沖程的加速度，使泵固定閥打開吸入液體時減少了吸入口的真空度，防止了液體中的氣體析出，提高了泵的充滿度，有效避免了氣鎖現(xiàn)象。該系統(tǒng)具有在各種沖次都能保持最低的懸點載荷功能。在下沖程中對桿柱采取了有效的牽拉作用，改善了抽油機的平衡，較好地限制了泵管和桿柱的偏磨和液擊。

(3) 由于降低了懸點載荷，從而降低了作用在光桿上的應力與應變，使泵桿伸長變形為最小，實現(xiàn)了最小的沖程損失。增加了泵效，同時也減輕了減速機、電機和桿柱的負荷，延長了設備及機件的使用壽命，以及舉升系統(tǒng)運行的維護周期。既減少了機械運行損耗，同時降低了電能的消耗。

(4) 可以隨時檢測到每沖程的抽液量。智能地根據每個沖程的抽液量多少來自動調節(jié)每分鐘的沖次，提高了泵筒液體的充滿系數，使抽油機舉升系統(tǒng)效率達到理想值，適合各種地質和不同滲透性油田，最低沖次可以在0.5次/min或者更低沖次平穩(wěn)運行?？梢栽O定防空抽模式，在設定值出現(xiàn)時自動停機，還可以按要求自動開機。

(5) 該系統(tǒng)如果工作在自動設置沖次的模式下，可以自動找到最佳充滿度條件下的運行沖次，使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。

此柔性驅動控制系統(tǒng)在吉林油田、華北油田、江蘇油田和大慶油田部分油井進行了試驗，節(jié)能效果明顯。

[1]馬文忠，白連平.異步電動機節(jié)能原理與技術[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2012.

[2]周勝，趙凱.電機系統(tǒng)節(jié)能實用指南[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2009.

Motor System Energy Saving of Beam Oil Pumping Machine

HUANGXianfeng1，SUBoping2

(1. Shanghai Dianke Electronic Technology Co., Ltd.， Shanghai 200063， China； 2. Harbin Beite Auto Electronic Equipment Factory， Harbin 150000， China)

According the operation principle and characteristics of the beam oil pumping machine, which was on the basis of the replacement motor, the installation of frequency conversion and energy saving control box, proposed motor system energy saving program which was considered beam pumping machine operating characteristics in the well, integration of equipment, motor and drive control system. Test in some wells, energy-saving effect was good.

beam oil pumping machine； permanent-magnet motor； flexible intelligent control system； motor system energy-saving

黃先鋒(1972—)，男，專科，工程師，研究方向為電機系統(tǒng)節(jié)能和電機制造工作。

TM 351

A

1673-6540(2016)08- 0093- 05

2016-04-25