江黎黎（大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠）

從能量角度觀察，機(jī)械采油井地面系統(tǒng)是由供電系統(tǒng)、采油設(shè)備和井口裝置組成，其中供電系統(tǒng)主要由變壓器向機(jī)采井供電，帶動(dòng)抽油機(jī)進(jìn)而帶動(dòng)抽油泵從井下抽汲原油至地面，整個(gè)系統(tǒng)屬于“一變一井”系統(tǒng)，即一臺(tái)變壓器向一口機(jī)械采油井提供能量的系統(tǒng)[1-3]。理論上講，“一變一井”系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力。為進(jìn)一步降低舉升能耗，C 油田在機(jī)械采油領(lǐng)域的一個(gè)平臺(tái)的叢式井上試驗(yàn)了群控技術(shù)，該技術(shù)的實(shí)施為機(jī)械采油系統(tǒng)的能源節(jié)約開(kāi)辟了新的技術(shù)途徑。

1 技術(shù)組成與原理

1.1 技術(shù)組成

群控系統(tǒng)應(yīng)用于叢式機(jī)械采油井平臺(tái)，由一臺(tái)變壓器、一臺(tái)整流裝置、供電線纜、逆變裝置、配電箱、電動(dòng)機(jī)、抽油機(jī)、井口及井下桿管泵系統(tǒng)組成，其中機(jī)械采油井為多個(gè)。變壓器下端為整流裝置，單井配電箱內(nèi)部?jī)?nèi)置逆變裝置，每口井均有一套逆變裝置[4-5]。

1.2 工作原理

群控技術(shù)基本工作原理是，變壓器380 V 供電經(jīng)過(guò)整流裝置，整流裝置將其變?yōu)橹绷麟?，一般?40 V，該直流電在單井控制柜處，由逆變器再次將其改變?yōu)榻涣麟?80 V，進(jìn)而向電動(dòng)機(jī)供電，帶動(dòng)抽油機(jī)、抽油桿、抽油泵實(shí)現(xiàn)原油舉升[6]。

群控技術(shù)是在多抽油機(jī)并聯(lián)節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)中，采用單獨(dú)的整流裝置為系統(tǒng)提供直流電壓，每個(gè)抽油機(jī)用逆變器直接接在直流母線上。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，逆變器從直流母線上獲取電能；當(dāng)系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，能量通過(guò)直流母線互饋，以達(dá)到節(jié)能的目的。整流濾波單元把交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。整流濾波單元的整流部分采用三相不可控整流，濾波部分采用電感電容濾波，以減小電網(wǎng)的電流諧波[7]。逆變終端把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源，以滿足電動(dòng)機(jī)節(jié)能調(diào)速的目的，群控技術(shù)原理見(jiàn)圖1。

圖1 群控技術(shù)原理Fig.1 Principle of group control technology

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況與效果分析

選取4 口井作為一個(gè)平臺(tái)，對(duì)變壓器容量、單井電參數(shù)控制開(kāi)展了先導(dǎo)試驗(yàn)，完成了技術(shù)研究與驗(yàn)證。而后，現(xiàn)場(chǎng)選取一個(gè)機(jī)械采油井平臺(tái)共16口井開(kāi)展了試驗(yàn)，并進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試和效果分析。

2.1 變壓器輸出功率耦合

變壓器在重載和空載運(yùn)行時(shí)，其損失相對(duì)較大，效率不高，損失率ΔP與負(fù)載率β的函數(shù)關(guān)系為ΔP=f(β)。一般情況下，變壓器在最佳負(fù)載率范圍（負(fù)載系數(shù)0.65～0.75）運(yùn)行時(shí)，損失率處于最低水平，經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性都能得到更好的保障[8]。該技術(shù)通過(guò)對(duì)負(fù)載總功率的連續(xù)監(jiān)測(cè)（直流輸電電流不變，故采集電壓信號(hào)等效于功率信號(hào)），繪制出負(fù)載總視在功率的變化曲線。雖然每口油井在每一個(gè)運(yùn)行點(diǎn)負(fù)載率都在變化，但是在完整的一個(gè)周期內(nèi)變化不大，所以其變化具有一定的規(guī)律性。

控制器通過(guò)電源電壓采樣信號(hào)判斷電源是否出現(xiàn)異常問(wèn)題的信息，當(dāng)沒(méi)有出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制切換開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電源給負(fù)載正常供電。當(dāng)電源出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題或負(fù)載發(fā)生較大變化時(shí)，控制切換開(kāi)關(guān)使其盡快切斷，同時(shí)控制串聯(lián)的逆變器輸出補(bǔ)償電壓?？刂破骺刂颇孀兤鬏敵錾系难a(bǔ)償大小取決于磁通平衡或電源的伏秒特性的原理。

通過(guò)對(duì)變壓器輸出功率的有效控制，便可以大幅提高變壓器的性能。由于直流輸電只輸送有功功率，沒(méi)有無(wú)功損耗，所以可實(shí)現(xiàn)一變帶多井：選擇變壓器時(shí)，只需要考慮所有油井負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的最大有功功率；如果還有其他感性負(fù)載，只需適當(dāng)增加變壓器容量即可。

通過(guò)對(duì)變壓器輸出有功功率和負(fù)載有功功率的耦合控制，可減少變壓器常規(guī)設(shè)計(jì)容量60%，降低變壓器成本。

2.2 單井電參數(shù)控制

抽油機(jī)在上下沖程的負(fù)載變化較大，輸出功率的峰值和谷值總是會(huì)在某一個(gè)特定時(shí)間出現(xiàn)。當(dāng)所有油井都從母線取電時(shí)，會(huì)造成母線電壓跌落幅度過(guò)大出現(xiàn)故障；反之，會(huì)造成電壓驟升引起保護(hù)。

單井位能控制換流技術(shù)通過(guò)對(duì)母線電壓的連續(xù)監(jiān)測(cè)和取樣分析，通過(guò)內(nèi)置的芯片繪制出單井功率變化曲線，當(dāng)發(fā)現(xiàn)母線電壓有降低的趨勢(shì)，便自動(dòng)降低頻率；反之，則適當(dāng)增大頻率，加快從母線汲取速度。內(nèi)置在逆變單元的雙向續(xù)流模塊，通過(guò)對(duì)三極管的控制，利用二極管單向?qū)ǖ奶匦?，可以在抽油機(jī)井發(fā)生“倒發(fā)電”時(shí)，將不連續(xù)的多頻段的能量，饋入吸收進(jìn)公共的直流母線內(nèi)，被臨近做功的抽油機(jī)井汲取利用，從而實(shí)現(xiàn)了“倒發(fā)電”饋能再利用功能[9]。該功能不但解決了“倒發(fā)電”引發(fā)的電壓驟升問(wèn)題，而且節(jié)約了電能，消除了多次諧波對(duì)低壓側(cè)電氣設(shè)備帶來(lái)的安全隱患。單井位能控制換流技術(shù)原理見(jiàn)圖2。

圖2 單井位能控制換流技術(shù)原理Fig.2 Principle of single well control commutation technology

2.3 規(guī)模試驗(yàn)

選取C 油田一個(gè)平臺(tái)上的叢式井（共16 口）開(kāi)展了規(guī)模試驗(yàn)。該平臺(tái)群控技術(shù)應(yīng)用情況為：2 臺(tái)變壓器、2 套整流裝置、16 口機(jī)械采油井；將該平臺(tái)的16 口井分成兩組，每組8 口井，每組利用一臺(tái)變壓器及一套整流裝置，每口機(jī)械采油井配備一臺(tái)逆變器，逆變器內(nèi)置于該井配電箱內(nèi)。試驗(yàn)前后開(kāi)展了各項(xiàng)測(cè)試及效果分析。

對(duì)改造前的變頻器輸入及輸出端電參數(shù)及變頻器效率進(jìn)行了測(cè)試，抽油機(jī)采油平臺(tái)改造前后效率對(duì)比見(jiàn)表1?？梢钥闯觯脚_(tái)井采取“一變一井”方式供電時(shí)，變頻器效率普遍不高，平均值為88.93%。改造后，對(duì)直流變交流的逆變器效率進(jìn)行了測(cè)試，直流電經(jīng)過(guò)逆變器變成交流電的效率保持較高水平，平均可達(dá)97.67%。

表1 抽油機(jī)采油平臺(tái)改造前后效率對(duì)比Tab.1 Efficiency comparison before and after the transformation of the oil extraction platform of the pumping unit

對(duì)改造前后的變壓器效率進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，測(cè)算結(jié)果顯示，變壓器的數(shù)量雖由原來(lái)的16 臺(tái)變?yōu)?臺(tái)，但其經(jīng)過(guò)整流后其效率提高了?？傮w效率由改造前的97.86%提升至98.71%，提高了0.85%。抽油機(jī)采油平臺(tái)改造前后變壓器效率對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 抽油機(jī)采油平臺(tái)改造前后變壓器效率對(duì)比Tab.2 Efficiency comparison of transformer before and after the transformation of the oil extraction platform of the pumping unit

對(duì)改造前使用變頻器拖動(dòng)的抽油機(jī)采油系統(tǒng)以及改造后的抽油機(jī)采油系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)改造前后的測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6422—2016《石油企業(yè)用節(jié)能產(chǎn)品節(jié)能效果測(cè)定》，對(duì)整個(gè)平臺(tái)進(jìn)行單耗和節(jié)能率計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果顯示， 改造后，產(chǎn)液?jiǎn)魏挠?8.24 kWh/t 下降到15.34 kWh/t，總能耗下降了15.91%。

綜合分析群控技術(shù)的節(jié)能效果主要有三個(gè)方面：一是變壓器數(shù)量大幅減少，總電量的損耗相應(yīng)減少。變壓器數(shù)量由16 臺(tái)減少為2 臺(tái)，裝機(jī)功率大幅降低， 無(wú)功功率由 35.172 kvar 減少到16.182 kvar，無(wú)功節(jié)電率達(dá)到53.99%；二是該技術(shù)采用直流電輸送，直流電較交流電傳輸效率高，總損耗降低。理論研究表明，直流電輸送因電流平穩(wěn)，相同條件下，較交流電損耗少；三是實(shí)現(xiàn)了“倒發(fā)電”的電能儲(chǔ)存及二次利用。無(wú)法對(duì)“倒發(fā)電”過(guò)程中的電能變化進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，僅能從平臺(tái)井的總體能耗進(jìn)行判斷[10]。

3 結(jié)論

1）群控技術(shù)用在抽油機(jī)井平臺(tái)上運(yùn)行中的平均逆變（直流變交流）效率較高，一臺(tái)變壓器控制8 口井其平均逆變效率為97.67%。對(duì)于新區(qū)塊新井投產(chǎn)，平臺(tái)叢式井可采用群控技術(shù)，降低投資，提高投入產(chǎn)出比。

2）群控技術(shù)適用于一個(gè)采油平臺(tái)上多口機(jī)械采油井。該試驗(yàn)中，一臺(tái)變壓器可控制8 口井，且變壓器與最遠(yuǎn)端井的距離在1 000 m 范圍內(nèi)。一臺(tái)變壓器可帶井?dāng)?shù)量的上限以及最遠(yuǎn)端井距離，需進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3）共直流母線群控技術(shù)具有常規(guī)多功能變頻的調(diào)控方式優(yōu)點(diǎn)，群內(nèi)能量互饋共享和錯(cuò)峰運(yùn)行，能減少變壓器容量和線路損耗，可實(shí)現(xiàn)提效降耗。