一、前言

新木采油廠地處吉林省松原市西北部，是一個低孔低滲的復雜斷塊油藏，開井938口，其中抽油機井899口，螺桿泵井有38口，自噴井有1口，抽油機舉升是主要的采油方式。2005年在系統(tǒng)耗電中，采油系統(tǒng)耗電量占全廠電量的三分之一；在噸油成本中，電費支出約占生產成本的六分之一。06年統(tǒng)計現場測試數據：抽油機井電機平均功率利用率23.5％，平均功率因數0.53，系統(tǒng)效率僅為23.5％。系統(tǒng)效率低，提升空間大。分析影響系統(tǒng)效率的因素很多，歸納起來主要為有2個方面，即設備因素和技術管理水平。

1、設備因素

抽油機運動特點是帶負荷啟動，啟動力矩大，為了滿足最大轉扭的需求, 同時為保證在結蠟、出砂和抽油機不平衡時有一定裕度，抽油機必須配備較大功率的電機、減速箱和變壓器。但是正常生產時抽油機驢頭承受的是周期性脈動負荷，最大負荷與最小負荷差值大，在一個沖程中相當長的時間輕載運行（圖1），大部分井運行功率僅是電機裝機功率20～30％，即所謂的“大馬拉小車”，使電機效率低，地面效率低。

采油廠抽油機以常規(guī)四連桿機構為主，常規(guī)型抽油機盡管有種種優(yōu)點，但缺點也尤為突出。常規(guī)型抽油機載荷波動系數（CLF）和懸點加速度大，配套電機功率大，平衡效果差，即使在平衡效果較好的情況下，減速箱峰值扭矩仍較大，負扭矩現象也很嚴重，導致電動機進入再生發(fā)電狀態(tài)（圖2），將多余能量反饋到電網，引起主回路母線電壓升高，勢必會對整個電網產生沖擊，導致電網供電質量下降，功率因數降低，使常規(guī)型抽油機效率低，能耗高。常規(guī)型抽油機由于其幾何尺寸和啟動力矩需求，配套電機功率大，而運行時均值功率卻不大。

節(jié)能電機少，常規(guī)電機多。交流異步電機的效率和功率因數在額定值附近達到最大值（圖3），常規(guī)抽油機運動特性決定電機長期運行在低效區(qū)，電機電能利用差，造成了較低的功率因數和電能的浪費。而且很多電機多次維修和嚴重老化，使電機效率低，網損、銅損嚴重，無功損耗大。

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2、變頻技術對抽油機懸點運動規(guī)律的影響

抽油機運動模型簡化為曲柄滑塊機構運動，懸點運動速度公式：

 根據前面的分析，由于抽油機電機的電源頻率發(fā)生了改變，從而導致了電機轉數在上下沖程的改變，最終改變了抽油機曲柄運轉的角速度ω，使抽油機懸點運動規(guī)律發(fā)生了改變：在上沖程過程中，懸點運動的速度、加速度減??；在下沖程過程中，懸點運動的速度、加速度增大。

3、變頻對抽油機懸點載荷的影響

抽油機懸點載荷主要包括抽油桿柱載荷、作用在柱塞上的液柱載荷、以及慣性載荷。其中，抽油桿柱載荷、液柱載荷是靜載荷，它不隨懸點速度、加速度的改變而變化，而慣性載荷隨之變化。

根據上面的分析，抽油機井在采用變頻調速后，改變了上下沖程過程中的懸點加速度，導致上沖程過程中液柱慣性載荷和抽油桿柱慣性載荷都減小，而下沖程過程中，只引起抽油桿柱慣性載荷的增大，最終的結果是引起懸點最大載荷比變頻前有明顯的下降，而懸點最小載荷比變頻前稍有增大。

4、變頻對井下抽油桿應力的影響

鋼制抽油桿極限交變次數按700萬次～1000萬次計算，不同沖次時抽油桿的使用壽命見下圖。

可見，油井的沖數越高，抽油桿使用的年限越短。如果井下偏磨或腐蝕，抽油桿使用壽命大大降低。調低頻率后，降低沖數，，減少循環(huán)次數，抽油桿使用壽命延長。進一步變頻，采取上慢下快的抽油方式，使懸點最大載荷減小，最小載荷增大，改變了井下抽油桿的循環(huán)特性，降低應力幅度，延長了桿的使用壽命。

5、變頻對抽油井偏磨的影響

油井偏磨是導致油井作業(yè)的重要原因。抽油桿柱實際軸向分布力越小，臨界軸向壓力越小，抽油桿柱越容易彎曲，從而導致偏磨。抽油機井變載荷運行使抽 油桿產生彈性振動，振動載荷由下至上逐步增大，直接影響軸向壓力的變化，當軸向壓力增加到一定程度時，桿柱將屈曲變形產生徑向接觸力，增加了桿管偏磨。沖次增加，增加了振動幅度，在中和點部位增加了軸向壓力，將增加抽油桿彎曲沖擊的動量和沖量，這將增加桿柱的軸向作用力。在該壓力達到足夠大的情況下能夠使桿柱失穩(wěn)彎曲，抽油桿受到軸向壓力越大，隨之產生的側向力也越大，從而加快了桿管的偏磨。使用變頻后可以下調沖次，減少桿柱軸向作用力，降低甚至避免偏磨的發(fā)生。

6、變頻對油井產量和泵效的影響

對于供液充足的油井，在保證合理沉沒度即動液面的情況下，增大電源頻率調高沖次，提高油井的產液量，發(fā)揮油井的生產潛力和增大有效功率。

對供液不充足的油井，由于影響油井供液不足的原因一是地層本身的供液能力差，二是油井抽油參數相對偏大。因油井地層能量低，而抽油參數又相對偏大，抽油泵在吸液過程中還未來得及充滿就轉入了排液過程，造成了抽油泵充滿程度低，使得抽油井實際被舉升的液量少，泵效低，這樣就造成了抽油井的有效功率小，系統(tǒng)效率低。對于這樣的抽油井應調小電源頻率，降低沖次。針對油井生產狀況，利用上下沖程電源頻率調整的技術，調整上下沖程抽汲速度，上慢下快，提高泵的充滿程度；上快下慢，減少泵的漏失。

7、變頻對油井熱洗清蠟的影響

低沖次采油后，油井抽油速度降低，產出液在油管內流速降低，結蠟速度增大，洗井周期縮短，洗井返排時間延長。使用變頻器后，洗井前手動按鈕提高頻率，沖次由2～3次/min提高到6次～7.3次，理排提高2倍～3.65倍，含水恢復期和影響產油量大幅度下降，效果明顯，當含水正常后再調回原來的頻率和沖次。

8、變頻對稀土永磁電機的影響

稀土永磁電機堵轉扭矩可以達到2.7-3.5，而普通電機僅為1.8-2.0，能取代比它大兩個功率等級的普通電機，運行時各種負荷狀態(tài)時都具有很好的效率和功率因數，節(jié)能效果顯著，目前是油田大力推廣的抽油機拖動裝置。但不可否認，稀土電機也有明顯的缺點。永磁電機和變頻器配套應用，可以優(yōu)勢互補。利用變頻調速裝置的軟起動功能能夠平穩(wěn)起動永磁同步電機，從而解決其振動及噪音大的缺陷；利用變頻調速裝置的頻率調節(jié)功能能夠使永磁同步電機的轉速無級可調，實現調速功能，兩者的結合是目前最理想的高效調速方式。

四、抽油機井變頻器工作原理、技術參數

1、工作原理

IPC－MD系列變頻器采用了最新的雙PWM拓撲結構的四象限運行變頻控制技術。變頻器主要采用交一直一交方式．變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器。且輸出為PWM波形，中問直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源。然后再把直流電源轉換成不同頻率的交流電供給電動機。使電動機獲得無極調速所需要的電壓電流和頻率。

變頻器的拓撲結構圖

2、技術參數

CPU：采用軍品32bit DSP，-40℃～+90℃氣溫條件下能正常工作?？煽啃暂^商用變頻器大大提高。

沖次可調，30% ～120%。

內置回饋制動單元，可把再生電能回饋電網。因已配置電抗器和噪聲濾波器，可直接與380V/660V電網駁接使用?；仞侂娋W的能量，效率97％。

系統(tǒng)無功損耗小，功率因素COS∮＞0.96，同一供電線路可適當加載，節(jié)省增容費。

柔性啟動，降低電網載荷沖擊，對電機和設備無沖擊。

電能回收部分，比普通商用變頻器多節(jié)能15～25％。熱損耗為電阻制動的3％以下。

五、試驗應用情況

2006年經過調研，在新木采油廠采油四隊安裝IPC-MD抽油機井變頻柜4臺，用于先導性試驗。

1、試驗井基本數據

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這4口井是2005年新投的油井，經過初期短暫的高產后，日產液大幅度下降，平均泵效僅為10.7％，平均系統(tǒng)效率僅為6.1％。除118-160井外，其它三口井沖次己經接近最小，無法調小沖次。

2、試驗井效果

(1)、沖次任意調節(jié)

不用更換皮帶輪，不需停產調節(jié)速度，提高了生產效率。解決了因調速造成的停產和沖次無法調小問題。

(2)、分段轉速控制

通過變頻對抽油機轉速的調節(jié)，根據抽油機的特殊工況，把轉速控制細劃為上沖程轉速控制和下沖程轉速控制，減少漏失，提高泵充滿程度，提高泵效。

(3)、提高油井的產量和泵效

根據油井的實際供液能力，動態(tài)調整抽取速度，使油井的供排協(xié)調，減少泵的空行程，提高泵效。4口井，提高泵效16.58％，日產液提高0.5，日產油提高0.2。

(4)、提高功率因數

使用變頻器后，電動機功率因數提高到接近1，從而減輕了電網和變壓器的負擔，降低了線損，節(jié)省了無功損耗的電費。

(5)、對電網和設備無沖擊

　　當電機在工頻狀態(tài)下啟動時，啟動電流相當于5～7倍額定電流，對抽油設備和供電電網造成很大的沖擊，尤其是118-160井稀土永磁電機在啟動瞬間產生很大的電流和震動，使用變頻后電機柔性啟動，使啟動電流降至3-4倍，減少了對電網和抽油設備的沖擊。

(6)、改善了抽油桿受力狀況

　　光桿抽油速度對抽油桿受力有很大的影響，變頻降沖次和優(yōu)化上下沖程速度實現上慢下快，改善抽油桿循環(huán)特性。

(7)、提高系統(tǒng)效率

　　變頻器應用油井使供排協(xié)調，泵充滿程度提高，改善桿管應力，提高了井下效率；減少地面無功損耗，提高了地面效率，整體上系統(tǒng)效率明顯提高。

(8)、減少電機能耗

　　油井調小頻率，平均輸入功率減少3.66kw，平均噸液耗電減少27.62kw.h，平均日耗電減少87.78kw。

(9)、負功能夠回饋電網

　　對生產中的負功，使用回饋式制動單元，能把再生電能回饋電網。內部已經安裝有電抗器和噪聲濾波器，全程噪聲過濾，不會污染電網和干擾其他設備。

(10)、減少熱洗清蠟的負影響

　　油井熱洗時，調頻提高沖次，增加理論排量，強排生產，可以明顯縮短含水恢復期，減少影響產油量。

六、經濟效益分析

⑴產出費用

①節(jié)省電量費用：

3.66kw×24h×360d×0.47元/kw.h＝14862.5元

②少影響產油量費用：

洗井影響：1445元/噸×2噸/次×10次＝28900元

③增產量：

1445元/噸×0.2噸×360天＝104040元

合計：14.7802萬元

⑵投入費用

①設備投入費用：整套設備投資32000元

這套裝置投入產出比是1：4.618，而且這套裝置壽命較長，可以長久使用，經濟效益非?？捎^。

七、結論

　　從變頻器應用現場數據分析，變頻器一次性投入較高，但解決了機械采油系統(tǒng)功率因數低、電機啟動轉矩大、負載率低、能耗大的問題。電機起動性能良好、功率因數提高到0. 98 、節(jié)電率達40 %以上。

◎變頻后無極調速，調速范圍廣，調速過程平滑；

◎調頻后功率因數接近1；

◎柔性起動，可大幅度降低對供電變壓器裝機容量的要求，并使電機振動及噪音大大減小。

◎降低抽油泵容積損失，提高了泵充滿系數。

◎抽油機運轉性能得到改善，動載荷明顯減少，載荷線光滑平直。

◎減少桿管磨損次數，改善桿管受力狀態(tài)，延長桿管壽命；

◎降低電機輸入功率和油井噸液耗電。