王青華 鄒洪嵐 晏 軍 江勁宏 劉永輝 王其軍 羅程程

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室)

0 引 言

有桿泵采油是陸上油田最重要機(jī)械采油方式之一，抽油機(jī)作為實現(xiàn)其工作的手段主要以電能為動力。據(jù)統(tǒng)計，目前，我國80%以上的陸地油井都采用有桿泵，抽油機(jī)的耗電量超過整個油田的50%[1-5]。

由于泵效低，供液差等因素的影響，抽油機(jī)能耗高，能效差，造成開采成本的劇烈增加。當(dāng)前，隨著抽油機(jī)的數(shù)量不斷增加，能源的消耗和浪費問題愈發(fā)突出，抽油機(jī)節(jié)能的問題理應(yīng)受到重視。

為解決能源浪費的問題，油田上推行變頻控制技術(shù)。楊杰等[6]在西峰油田試行數(shù)字化抽油機(jī)，綜合節(jié)電率達(dá)到34.7%，以此計算年節(jié)約電費約45萬元。顏丙山等[7]在吐哈油田推廣變頻控制的節(jié)電裝置，裝置節(jié)能效果好，綜合節(jié)能15%以上。從國內(nèi)外目前的應(yīng)用效果來看，提升了抽油機(jī)泵效和系統(tǒng)效率。該項技術(shù)能一定程度上提高系統(tǒng)效率和節(jié)電率。但是各油田應(yīng)用效果存在一定的差異性，歸其原因為恒功率模式有桿抽油系統(tǒng)變頻機(jī)理認(rèn)識不清，需開展其相關(guān)的研究，為基于恒功率模式有桿泵抽油系統(tǒng)設(shè)計提供基礎(chǔ)理論支持[8-11]。

西峰油田、吐哈油田等都進(jìn)行了變頻控制的推廣，雖然取得了節(jié)能的效果，但變頻的方法不能適用所有復(fù)雜工況，因此，需要對示功圖進(jìn)行識別和診斷，針對不同的工況進(jìn)行針對性的變頻。S.G.GIBBS等[12]建立了帶阻尼的波動方程，描述應(yīng)力波在抽油桿柱中的傳遞過程，通過求解方程，可以得到抽油桿柱任意截面的示功圖。之后大量學(xué)者對該模型進(jìn)行修正和完善，并以帶阻尼的波動方程為抽油機(jī)故障診斷基礎(chǔ)，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，專家系統(tǒng)，遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，對油井和抽油泵的異常情況做出判斷。

目前主要有以下幾種變頻方法。首先是基于PLC控制器，完成電動機(jī)的輸出頻率動態(tài)調(diào)整，進(jìn)而控制抽油機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速[13-15]。其次是基于DSP控制器，DSP負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的運行情況進(jìn)行監(jiān)測，判斷啟動狀態(tài)是否正常，實現(xiàn)抽油機(jī)軟啟動[16]。最后是閉環(huán)自動控制電路的變頻節(jié)能技術(shù)，通過單片機(jī)控制系統(tǒng)，實時分析抽油機(jī)懸點示功圖，通過分析輸入端的電流電壓關(guān)系，結(jié)合懸點載荷分析系統(tǒng)運行狀況[17]。綜上所述，目前研究的熱點集中于變頻控制硬件設(shè)備，現(xiàn)場應(yīng)用普適性差。為此，本文研究有桿泵變頻測控機(jī)理，并形成變頻基礎(chǔ)理論，以解決有桿泵上行程漏失和變頻節(jié)能問題。

1 有桿泵抽油變頻控制系統(tǒng)

抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)目的在于通過無線示功儀采集實測示功圖，根據(jù)實測示功圖分析當(dāng)前井下工況，動態(tài)調(diào)整抽油機(jī)變頻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，從而優(yōu)化抽油機(jī)工作效率，減少井下事故發(fā)生。

1.1 控制系統(tǒng)硬件組成

抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)由無線示功儀、RTU控制器和變頻器構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件組成示意圖Fig.1 Hardware components of the control system

無線示功儀也稱無線載荷位移(示功圖)傳感器，集載荷、垂直加速度位移測量功能于一體，采用太陽能與可充電鋰電池作為不間斷供電。通過2.4 GHz全球公用頻段支持ZigBee PRO 2007 標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)中石油A11快速、可靠、安全的數(shù)據(jù)通信。載荷測量范圍為0～150 kN，精度為0.5%F.S；加速度位移1～12 m，精度2.0% F.S；沖次最小1次/min，精度1%。達(dá)到Ex ib Ⅱ CT4 Gb防爆要求，適用于ⅡC、ⅡB、ⅡA 類油氣爆炸性氣體環(huán)境。通過簡單命令即可獲取完整的實測示功圖。

RTU控制器是本系統(tǒng)的核心單元，具有以太網(wǎng)接口、RS485接口和ZigBee無線通信等接口、以及通用數(shù)字量輸入輸出和模擬量輸入接口。通過以太網(wǎng)接口對RTU進(jìn)行編程，實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和上送；通過無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。

變頻器在RUT的控制下實現(xiàn)抽油機(jī)變速控制。變頻器采用37 kW三相變頻器，具有的ModBus RTU通信接口可以與RTU無縫連接，以實現(xiàn)輸出頻率在0～400 Hz動態(tài)設(shè)置。

1.2 控制系統(tǒng)控制流程

抽油機(jī)智能變頻控制系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖Fig.2 Control workflow of the system

RTU啟動后，先完成變頻器頻率數(shù)據(jù)表初始化，即曲柄旋轉(zhuǎn)一周完成一次完整的抽油過程，將曲柄旋轉(zhuǎn)相位等分，每個最小相位角對應(yīng)一個固定的變頻器頻率數(shù)據(jù)。RTU獲取無線示功儀所采集的實測示功圖，通過算法對實測示功圖進(jìn)行分析，獲取示功圖對應(yīng)的井下工況信息，根據(jù)計算重新分配每個最小相位角對應(yīng)一個固定的變頻器頻率數(shù)據(jù)，頻率數(shù)據(jù)將會以相位角為基礎(chǔ)控制變頻器動態(tài)輸出。

整個過程中無線示功儀通過內(nèi)置的加速器傳感器感應(yīng)驢頭是否完成一個周期，將懸重數(shù)據(jù)保存為功圖模式，通過ZigBee模塊傳輸?shù)絉TU控制器。其中，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照中石油的A11協(xié)議進(jìn)行。RTU在內(nèi)部開辟一塊內(nèi)存用于存放示功圖數(shù)據(jù)，并建立示功圖與輸出變頻器頻率的關(guān)系式。示功圖數(shù)據(jù)傳輸過來后，更新示功圖數(shù)據(jù)。并根據(jù)關(guān)系式更新變頻器的輸出頻率，最后控制變頻器的頻率輸出以控制抽油機(jī)的速度。曲柄旋轉(zhuǎn)完一周之后，再次更新示功圖數(shù)據(jù)，這樣就可以實現(xiàn)抽油機(jī)的速度精確控制。

2 變頻控制基礎(chǔ)理論

2.1 識別正常井、異常井

為了有針對性地進(jìn)行變頻控制，首先需要對示功圖進(jìn)行識別，判斷油井為正常井還是異常井，再根據(jù)油井的異常情況進(jìn)行變頻控制。為此引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異常井識別。

(1)輸入、輸出參數(shù)的設(shè)計。變頻可以分上行程、下行程分別進(jìn)行計算，因此異常井診斷時也分上行程、下行程分別進(jìn)行。下面以上行程識別為例說明參數(shù)設(shè)計。

示功圖為異常井識別的重要參數(shù)，需處理為相同數(shù)據(jù)點數(shù)，并按下式進(jìn)行無因次處理：

(1)

(2)

式中：Wa為無因次載荷；Wi為測試的懸點載荷，kN；Wmax為最大懸點載荷，kN；Wmin為最小懸點載荷，kN；sa為無因次位移；si為測試的位移，m；smax為最大位移，m。

輸入?yún)?shù)為上行程示功圖等間取17個點，游動閥和固定閥啟閉位置，功圖缺失面積以及功圖左上、左下、右上、右下共5部分面積。

輸出參數(shù)為漏失、柱塞碰泵、氣體影響、泵筒異常。

(2)訓(xùn)練樣本。優(yōu)選45井次數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本。

(3)隱含層的設(shè)計。本文優(yōu)選3層BP網(wǎng)絡(luò)，隱含層取8。

2.2 正常井變頻

對于正常井，變頻的目標(biāo)是降低峰值功率和負(fù)功功率。因此需要采用恒功率變頻思路，即確定一個功率值作為變頻的基準(zhǔn)，這里選用抽油機(jī)上一個周期的減速箱輸出功率的平均功率作為變頻的基準(zhǔn)。平均功率的計算公式如下：

(3)

其中抽油機(jī)的凈扭矩與扭矩因數(shù)、懸點載荷等有關(guān)，根據(jù)張琪對抽油機(jī)扭矩的分析，凈扭矩計算公式如下：

(WcbR+WcRc)sinθ

(4)

由于式(3)積分過于復(fù)雜，所以采用面積法表征積分值。得到平均功率的值后，以平均功率為基準(zhǔn)進(jìn)行恒功率變頻計算，減速器功率除去凈扭矩就能得到對應(yīng)的角速度值，而角速度可以轉(zhuǎn)化為沖次，所以恒功率變頻模型變?yōu)椋?/p>

(5)

對于變頻超界和負(fù)值功率的變頻，變頻方法如下：當(dāng)計算出的角速度小于0時，說明電機(jī)在做負(fù)功，為降低負(fù)功功率將角速度調(diào)到可調(diào)值的最小，這樣能達(dá)到降低負(fù)功功率的效果；當(dāng)計算出的角速度大于可調(diào)最大角速度，此時，由于減速箱輸出功率小于平均功率，需要降低減速箱輸出功率，將角速度調(diào)到最小，達(dá)到降低輸出功率的效果；當(dāng)計算出的角速度在小于可調(diào)最小角速度時，此時，減速箱輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均功率，超出可調(diào)頻范圍，只能選用最小沖次，盡可能降低減速箱輸出功率。

綜上所述，對于恒功率變頻，變頻超界和負(fù)值扭矩變頻的思路為：

(6)

式中：nmax為可調(diào)最大沖次，min-1；nmin為可調(diào)最小沖次，min-1。

以常規(guī)型CYJ8-3-48B抽油機(jī)為例，對恒功率變頻思路進(jìn)行驗證。該抽油機(jī)基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示，示功圖如圖3所示。

表1 CYJ8-3-48HB抽油機(jī)基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Basic parametersof the CYJ8-3-48HB beam pumping unit

圖3 CYJ8-3-48HB抽油機(jī)示功圖Fig.3 Indicator diagram of the beam pumping unit

表1中A為游梁前臂長度，C為游梁后臂長度，P為游梁連桿長度，I為游梁軸到曲柄軸中心的水平距離，H-G為中心高度差。結(jié)合抽油機(jī)參數(shù)和示功圖，可以計算出懸點位移、懸點載荷、扭矩因數(shù)和曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系，進(jìn)而可以做出扭矩曲線。平衡扭矩與載荷產(chǎn)生扭矩不能每個時刻抵消，凈扭矩曲線存在周期性波動且出現(xiàn)負(fù)值。

圖4 扭矩曲線Fig.4 Torque curves

減速箱輸出功率與抽油機(jī)的凈扭矩和曲柄旋轉(zhuǎn)的角速度有關(guān)，又因為抽油機(jī)減速箱和電動機(jī)之間的傳動比是固定值[18]，所以凈扭矩乘以曲柄旋轉(zhuǎn)角速度就能得到減速箱瞬時輸出功率。由圖4可知，在勻速運行中，由于凈扭矩曲線存在周期性波動，所以輸出功率也會周期性波動且會出現(xiàn)負(fù)值，因此，需要進(jìn)行變頻使電機(jī)以恒定功率運行。

通過面積法求出平均功率為13.37 kW，根據(jù)恒功率變頻思路，以平均功率為基準(zhǔn)進(jìn)行變頻。上行程啟動時，沖次太大，曲柄旋轉(zhuǎn)角速度太快不利于啟動，因此將沖次定為可調(diào)控范圍的3 min-1，這樣可以使懸點載荷變幅變小，電機(jī)以一個比較好的狀態(tài)啟動。為了保持電機(jī)在一個恒定的功率，在電機(jī)穩(wěn)定啟動后，以變頻前的平均功率作為變頻的基準(zhǔn)，用平均功率比上電機(jī)的凈扭矩，能得到一系列的角速度值，這些角速度值就是變頻的依據(jù)。由圖4可見，凈扭矩曲線上有一段負(fù)值，此時電機(jī)做負(fù)功功率，因為用該法沒法將其調(diào)正，所以思路轉(zhuǎn)變?yōu)閷⑵浔M量變小，所以也將沖次定為可調(diào)控范圍的3 min-1。在下行程中，變頻思路同上，變頻沖次和不變頻沖次對比如圖5所示。

圖5 變頻前、后沖次對比圖Fig.5 Comparison of stroke frequencies before and after frequency conversion

圖6 變頻前、后減速箱輸出功率對比圖Fig.6 Comparison of gearbox output power before and after frequency conversion

變頻后，減速器的輸出功率得到了大大的改善，不僅在峰值達(dá)到了削峰的效果，而且大大降低了負(fù)功功率，使減速器長期保持一個恒定的功率運行，使電機(jī)運行更加平穩(wěn)。變頻前后減速箱輸出功率對比如圖6所示。由圖6可知：變頻前，在1個周期內(nèi)，平均負(fù)功功率為2.60 kW，平均有功功率為16.65 kW；恒功率變頻后，1個周期內(nèi)，平均負(fù)功功率0.91 kW，平均有功功率為9.27 kW，平均負(fù)功功率下降65%，平均有功功率下降44%，節(jié)能效果明顯。

下面將對變頻前后懸點的速度和加速度2個方面進(jìn)行分析。

懸點速度變頻前后對比圖如下圖7所示。由圖7可知：整個周期內(nèi)，懸點速度變慢；在上行程加載過程中，隨著懸點載荷的增大，速度降低，能夠使上行程的時間變長，使加載更加平穩(wěn)；而在下行程的卸載過程，降低速度，能使階段載荷變化幅度小，使運行更加穩(wěn)定。

圖7 變頻前、后速度對比圖Fig.7 Comparison of speeds before and after frequency conversion

懸點加速度變頻前后對比圖如圖8所示。由圖8可知：在整個周期內(nèi)，懸點的加速度都變小；隨著加速度的變小，懸點的慣性載荷變小，進(jìn)而動載荷變小，抽油桿負(fù)荷及載荷變幅減小，減緩油桿應(yīng)變疲勞和桿管偏磨，使電機(jī)更加平穩(wěn)地運行，既延長了抽油桿壽命又達(dá)到了節(jié)能的效果。

圖8 變頻前、后加速度對比圖Fig.8 Comparison of acceleration before and after frequency conversion

對于常規(guī)型抽油機(jī)抽油泵正常的井，可以通過調(diào)整沖次，使沖次呈不斷變化的狀態(tài)，這樣可以使電機(jī)維持一個恒定功率運行，既可以將減速器輸出功率的峰值削平，又可以大大減小負(fù)功功率，使電機(jī)運行穩(wěn)定，延長電機(jī)壽命。結(jié)合懸點速度加速度與轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線可以看出，降低運行速度、加速度和動載荷，可以達(dá)到減小抽油機(jī)載荷變幅，延長抽油桿壽命和節(jié)能的目的。

2.3 上行程漏失變頻

在上行程的前半段，泵中的壓力會下降，柱塞的兩端會產(chǎn)生壓差，柱塞上方的液體會從排出部位不緊密的位置漏失到柱塞下面的泵筒中，液體漏失的速度會變快。因為漏失到柱塞下面的液體對柱塞具有頂托的效果，所以懸點載荷無法及時升高到最大，從而延緩了泵的加載過程；隨著懸點速度的增加，頂托的作用逐漸減弱，直至柱塞的上行速度比泵的漏失速度快時，懸點載荷達(dá)到最大值，相當(dāng)于延緩了懸點載荷到達(dá)最大值，可以適當(dāng)把上行程漏失部分的速度調(diào)快。在上行程的后半段時，柱塞上行速度開始變慢，使其速度小于漏失速度，此時柱塞下部井筒中的液體的頂托作用再次出現(xiàn)，使懸點載荷提早卸載，當(dāng)懸點達(dá)到上死點時，懸點的載荷已經(jīng)降至正常示功圖載荷之下。而且漏失量越大，頂托作用越大，上死點的載荷遠(yuǎn)低于正常示功圖的最大載荷值[19]。圖9為游動閥漏失的實測示功圖，也是本節(jié)變頻的依據(jù)。

圖9 游動閥漏失示功圖Fig.9 Indicator diagram of traveling valve in case of leakage

根據(jù)變頻流程圖，依次計算出懸點載荷，懸點位移，扭矩因數(shù)，進(jìn)而求得凈扭矩曲線和減速箱輸出功率。采用恒功率變頻思路，即以平均功率為基準(zhǔn)，將負(fù)功功率降到盡量小的思路進(jìn)行變頻，通過面積法求出減速箱輸出的平均功率為10.71 kW。變頻前后功率和速度對比如圖10和圖11所示。

根據(jù)前文對于排出部分漏失的分析，在上行程中存在漏失，漏失到柱塞下部的液體所具有的頂托作用，會使載荷不能及時加到最大載荷，隨著速度的加快，才能緩解這種頂托作用，在開頭也提到了要盡可能將速度調(diào)快。由圖10可以看出，峰值功率、負(fù)功功率明顯下降，電機(jī)以一個恒定功率運行。但是圖11顯示，變頻后，在上沖程中，懸點的速度明顯下降了，柱塞的頂托作用無法得到緩解，會加快漏失速度，使漏失更嚴(yán)重，延遲了懸點載荷達(dá)到最大載荷。雖然降低了功率但無法解決漏失的問題，因此需要轉(zhuǎn)變思路，將解決漏失優(yōu)先。

圖10 恒功率變頻前、后輸出功率對比圖Fig.10 Comparison of output power before and after constant-power frequency conversion

圖11 恒功率變頻前、后速度對比圖Fig.11 Comparison of speeds before and after constant-power frequency conversion

因為泵在排出部分發(fā)生了漏失，分析發(fā)現(xiàn)，漏失是由于柱塞速度小于漏失速度，所以需要加快上行程懸點的速度，調(diào)快沖次，改進(jìn)后的變頻結(jié)果如圖12所示。

圖12 改進(jìn)變頻前、后輸出功率對比圖Fig.12 Comparison of output power before and after improved frequency conversion

由圖12可知，雖然在上沖程峰值功率不降反升，但漏失以外的地方，仍采用了恒功率變頻的思想，在下沖程中降低了峰值功率，降低了負(fù)功功率，也能使電機(jī)以一個相對穩(wěn)定的功率運行。

改進(jìn)后的變頻思路的靈活之處，在于考慮了上沖程中存在漏失的情況。在上沖程中，將沖次調(diào)快，進(jìn)而使懸點速度變大，能夠很快達(dá)到與漏失速度相等，進(jìn)而達(dá)到最大載荷，解決漏失問題。變頻前、后速度加速度對比如圖13和圖14所示。

圖13 改進(jìn)變頻前、后速度對比圖Fig.13 Comparison of speeds before and after improved frequency conversion

圖14 改進(jìn)變頻前、后加速度對比圖Fig.14 Comparison of acceleration before and after improved frequency conversion

在該變頻思路中，由于在上沖程中存在漏失，所以加快了上沖程的速度，縮短了上沖程所需的時間，如圖15所示。由圖15可知，在恒功率變頻思路中，上行程所用時間為8.48 s，下行程所用時間為8.17 s；在考慮泵漏失情況下，改進(jìn)后的變頻思路，上行程時間為5.88 s，下行程所用時間為8.33 s。對比2種變頻思路，下行程時間差距不大，但改進(jìn)后的變頻思路，上行程明顯變短，下行程相對變長形成了“上快下慢”的模式，這樣能使泵的漏失減少，在整個過程中達(dá)到降低總功率的效果。

圖15 恒功率變頻和改進(jìn)后時間對比圖Fig.15 Comparison of stroke time between constant-power frequency conversion and improved frequency conversion

3 結(jié) 論

(1)深入研究有桿泵變頻測控機(jī)理，優(yōu)選了主要測控部件，對測試數(shù)據(jù)提出了要求，形成了有桿泵抽油變頻控制系統(tǒng)。

(2)構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對漏失、柱塞碰泵、氣體影響等正常井和異常井進(jìn)行識別，為有桿泵變頻優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

(3)基于測試功圖，考慮負(fù)扭矩和抽油機(jī)沖次界限等建立了正常井恒功率變頻計算模型，實例計算表明：平均負(fù)功功率和有功功率分別下降了65%和44%，節(jié)能效果明顯。

(4)針對上行程漏失異常井，在常規(guī)變頻的基礎(chǔ)上上行程增大沖次，形成“上快下慢”運行模式，實例計算表明，較好地解決了有桿泵上行程漏失和變頻節(jié)能的問題。