張 倩，王林平，王 曼，覃 川

(1.長慶油田分公司油氣工藝研究院 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710021)

0 問題的提出

截止 2012年 12月底，長慶油田開注水井12 604口，水源井開井1 956口，水源井電耗達到了14 684×104kW·h，能耗呈現逐漸上漲的趨勢。水源井系統(tǒng)生產中存在的主要問題有:

(1)水源井能耗較高。有1 956口水源井，年耗電量14 280×104kW·h，且每年以200口井左右的速度遞增。隨著供水量的調整，電機功率與供水需求不匹配，出現了“大馬拉小車”現象，電能浪費較大。

(2)水源井動液面無法實時檢測，存在輕載和燒泵現象。目前水源井水位無法實時監(jiān)測，只能依靠修井時觀察，導致潛水泵空抽燒泵和輕載浪費大量電能，同時潛水泵沒有保護裝置，啟動電流過大，易燒泵。上述兩種原因約占修井井次的30%左右，維護成本高，現有變頻節(jié)能技術解決不了潛水泵的空抽和輕載問題，無法根據液位控制潛水泵的啟停。

隨著電子技術的廣泛應用，射頻物位檢測技術得到了迅猛發(fā)展，射頻物位儀通過同時檢測電容和電阻較好地解決了被介質的掛料測量誤差而廣泛應用于現代工業(yè)生產及過程控制的物位測量［1－5］。

基于以上問題及技術現狀，我們研發(fā)了水源井節(jié)能保護裝置。通過在水源井中增加射頻導納液位變送器裝置，以及電流信號轉換裝置獲取的水源井中的液位信息，控制潛水泵的啟停，應用變頻恒壓供水技術實現了根據管網壓力控制電機轉速，實現了潛水泵的節(jié)能保護。

1 影響水源井能耗分析

水源井耗能設備主要是就潛水電泵的電機，電機功率的選擇主要取決于水源井日產水量、井深，井越深，潛水泵電機揚程越大，日產水量越大，電機功率就越大。針對某一水源井，井深已經確定，因此電機是影響水源井能耗的主要因素。

電機在工作時，分為有功功率和無功功率。異步電機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率增加值兩部分所組成［6］。所以要改善異步電機的功率因數就要防止電機的空載運行并盡可能提高負載率。電機負載率小，則電機無功功率較大;反之，則電機無功功率較小。無功功率大，則系統(tǒng)效率低，能耗高。

2 水源井節(jié)能保護裝置的研發(fā)

根據生產和節(jié)能需求分析，減少空載和降低電機功率可以有效降低水源井能耗。因此，減少空載需要從監(jiān)測水位考慮，在潛水泵已經選定的情況下，減低電機功率只能通過增加變頻改變，達到節(jié)能的目的。通過水位高低的設定控制變頻設備的啟停，將兩項技術集成應用在一起，研發(fā)了水源井節(jié)能保護裝置。并在油田現場進行了應用。

2.1 水位動態(tài)監(jiān)控技術研究

經過調研分析，發(fā)現目前國內外監(jiān)測水位的方法比較多，主要有雷達方法、阻芯體投入式壓力傳感器、電容式液位變送器測水位等，但監(jiān)測水位最深能達到150 m，遠遠不能滿足油田水源井液位監(jiān)測的需要。經過方案比選，選擇了可以測900 m深水位的一種射頻導納物位控制技術，即射頻導納技術。

射頻導納技術是一種新型物位測量方法，它能減小或消除由被測導電介質電極掛料的測量誤差，是一種從電容式物位控制技術發(fā)展起來的，防掛液、更可靠、更準確、適用性更廣的物位控制技術，是電容式物位技術的升級［7］。導納的含義為電學中阻抗的倒數，它由電阻性成分、電容性成分、感性成分綜合而成，物位變化時，導納值相應變化，電路單元將測量導納值轉換成物位信號輸出，實現物位測量［8］。

應用射頻導納技術，泵管為電容一個極，井底傳感器為一個極，水為電解質。它采用導納測量方法將介質的阻抗和容抗信息綜合在一起，以被測水介質浸沒探極的高度變化，反映出頻率的變化，經電路轉換與之對應的4～20 mA電流信號輸出。

圖1 水源井水位監(jiān)控示意圖

2.2 變頻恒壓供水技術研究

2.2.1 恒壓供水節(jié)能潛力計算

設電動機額定功率為PN，額定轉速為nN，轉速為n時實際輸出功率為P，則節(jié)能(功率表示)△P可以表示為

2.2.2 變頻恒壓供水控制原理

水泵電機是輸出環(huán)節(jié)，轉速由恒壓供水器控制，實現變流量恒壓控制。采用壓力傳感器檢測管網壓力，傳感器將檢測結果傳給可編程控制器PLC，經過計算及優(yōu)化處理后，送出一個水量增加或減少信號，控制潛水泵轉速。出水管網的壓力信號與PLC管網壓力設定信號負反饋閉環(huán)［10］。

2.2.3 軟啟動節(jié)能技術實現了潛水泵啟動的保護

3 現場試驗

根據現場水源井生產情況，選取了長慶采油三廠吳起油田1#、3#、10#三口水源井進行了節(jié)能保護裝置的現場試驗。實現了動態(tài)精確檢測深水位、根據壓力自動無級調整流量、智能保護功能，解決了潛水泵功率偏大、空抽燒泵、能耗高的問題。為鞏固節(jié)能保護效果，我們又在股份公司節(jié)能示范區(qū)油房莊油田推廣應用了20套，均達到了預期的效果。經過兩年時間的運行，保護裝置運行正常，應用后檢泵井次明顯下降。

我們對安裝了水源井節(jié)能保護裝置的電潛泵進行了能耗測試，測試后潛水泵功率因數均達到了0.98，平均綜合節(jié)電率達到了25%以上，年節(jié)電量119.2×104kW·h，年節(jié)約電費95.36萬元，年減少水源井修井費用46萬元，有效降低了常規(guī)能源的消耗和水源井運行成本。取得了顯著的節(jié)能效果。

表1 水源井節(jié)能保護裝置能耗測試效果表

4 結論與建議

(1)水源井節(jié)能保護技術集成應用了射頻導納液位監(jiān)測、恒壓供水、軟啟動節(jié)能技術，實現了動態(tài)在線監(jiān)控水位、根據壓力自動無級調整流量、智能保護功能，解決了潛水泵功率偏大、空抽燒泵、能耗高的問題;

(2)應用該節(jié)能保護技術后，年節(jié)電量119.2× 104kW·h，有效降低了常規(guī)能源消耗，減少了二氧化碳排放量，適應長慶油田建設和諧企業(yè)、綠色礦山的要求，具有很好的經濟效益和社會效益;

(3)該裝置適合初期選擇潛水泵排量較大的水源井，隨著水量調整可應用變頻控制裝置，減少空載狀態(tài)，降低電機運行的無功功率，提高電機功率因數，降低電機能耗;

(4)鑒于水源井節(jié)能保護技術應用較好的節(jié)能效果，建議在油田現場推廣應用。

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