金華，姚榮昌

（中國石化華東分公司非常規(guī)資源勘探開發(fā)指揮部，山西鄉(xiāng)寧042100）

伺服電機在延川南煤層氣機抽井上的應(yīng)用

金華，姚榮昌

（中國石化華東分公司非常規(guī)資源勘探開發(fā)指揮部，山西鄉(xiāng)寧042100）

伺服電機是一種將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出的新型電機，它可實現(xiàn)有控制電壓時轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)、無控制電壓時轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)，且可對電機扭矩進行自由控制，從而具有實現(xiàn)節(jié)能和精確控制的雙重優(yōu)點。介紹了伺服電機的原理，并對其在延川南煤層氣田的應(yīng)用效果進行對比和分析，針對伺服電機的高啟動轉(zhuǎn)矩和寬調(diào)速范圍的特點，證明其在煤層氣開采中具有很好的推廣前景。

伺服電機；節(jié)能；煤層氣；機抽

煤層氣又稱煤層甲烷氣，是在成煤過程中形成并賦存于煤層中的一種非常規(guī)的天然氣。這種天然氣大部分（70%～90%）以吸附狀態(tài)賦存在煤巖基質(zhì)中，少量成游離狀態(tài)存在于煤的割理和其它孔隙、裂隙中，還有少許溶解在煤層水中。煤層氣吸附的特性決定了開采煤層氣需要降低井底壓力，使煤層氣脫離吸附，解吸產(chǎn)出，排采煤層水是煤層氣開采的必經(jīng)歷程[1]，因此，舉升工藝是煤層氣井排采的關(guān)鍵因素之一。

延川南煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東南緣，區(qū)塊面積700平方千米，區(qū)域內(nèi)主采層位為山西組2#煤，煤層氣資源儲量達740億立方米。該區(qū)域是中國石化煤層氣產(chǎn)建的核心區(qū)域，5億立方米煤層氣產(chǎn)建共計劃投產(chǎn)排采井超過940口，截至2014年底，已累計完成排采井投產(chǎn)800余口。

延川南工區(qū)先后試驗使用過螺桿泵、電潛泵、皮帶式抽油機、提撈式抽油機等多種舉升工藝，通過優(yōu)選，最終確定以有桿泵機抽體系為主導(dǎo)的舉升工藝[2]。目前，延川南工區(qū)舉升工藝有常規(guī)機抽、電潛泵和射流泵三種，其中機抽井達95%以上。抽油機機型為5型、6型、8型和10型機為主，其中5型、6型機占98%（圖1），絕大多數(shù)采用游梁式抽油機。電機以11kW、15kW調(diào)頻電機為主，抽油機選型和使用基本合理[3]，但也存在不少“大馬拉小車”、低液量井沖次調(diào)節(jié)控制難等問題。

圖1 延川南機抽參數(shù)分布圖Fig.1 Pumping unit and electric motor parameter distribution of South Yanchuan area

1 伺服電機原理

伺服電機的作用是將輸入的電壓信號（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出，在自動控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件，所以伺服電機又稱為執(zhí)行電動機。其最大特點是：有控制電壓時轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無控制電壓時轉(zhuǎn)子立即停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由控制電壓的方向和大小決定的。伺服電機主要由電機和伺服控制器組成。

1.1 伺服電機

伺服電機的結(jié)構(gòu)與普通三相交流異步電動機沒有什么區(qū)別。伺服電機的定子有兩相相差120度電角度的交流繞組，分別稱為勵磁繞組和控制繞組，其轉(zhuǎn)子就是普通的籠型異步電動機的鼠籠繞組[4-5]。圖2為交流伺服電動機的接線圖和向量圖。使用時，勵磁繞組接單相交流電，在氣隙產(chǎn)生脈振磁場，轉(zhuǎn)子繞組不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電動機不工作。當(dāng)控制繞組接上相位與勵磁繞組相差90度電角度的交流電時，電動機的氣隙便有旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動。當(dāng)控制繞組的控制電壓信號撤除后，如果是普通電機，由于轉(zhuǎn)子電阻較?。ǜ鶕?jù)雙旋轉(zhuǎn)理論），脈振磁場分解的兩個旋轉(zhuǎn)磁場各自產(chǎn)生的機械特性的合成結(jié)果是產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩大于零[6]。因此，電機轉(zhuǎn)子仍然保持轉(zhuǎn)動，不能停止。而伺服電機，由于轉(zhuǎn)子電阻大，且大到使發(fā)生最大電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率Sm＞1。脈振磁場分解的兩個旋轉(zhuǎn)磁場各自產(chǎn)生的機械特性的合成結(jié)果是產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩小于零，也就是產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是制動轉(zhuǎn)矩，電機將在這個制動轉(zhuǎn)矩作用下將很快停止轉(zhuǎn)動。

1.2 伺服控制器

圖2 交流伺服電動機接線圖和向量圖Fig.2 Wiring diagram and vector diagram of alternating current servomotor

伺服電機的核心為伺服控制系統(tǒng)，高性能的伺服系統(tǒng)，大多數(shù)采用永磁交流伺服系統(tǒng)，其中包括永磁同步交流伺服電動機和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動器兩部分[5]。伺服驅(qū)動器有兩部分組成：驅(qū)動器硬件和控制算法?？刂扑惴ㄊ菦Q定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一[5]。伺服控制器內(nèi)部由專用的32位可編程DSP芯片處理器為核心組成的伺服系統(tǒng)，具備強大的運算能力和復(fù)雜的控制算法，配備有高集成的驅(qū)動電路，能實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化；通過電子線路對交流異步電動機進行實時數(shù)字檢測與跟蹤，能精確地檢測交流異步電動機工作時的電流、力矩、速度、位置，并匹配輸入交流異步電動機所需的電能，從而改善電機的運行條件，降低無效用功，減少電機的發(fā)熱、振動、噪音和鐵磁損耗，節(jié)能降耗。

2 伺服電機特點

1）啟動轉(zhuǎn)矩大。伺服控制器將電流環(huán)、速度、位置環(huán)、力矩都閉合進行控制，在零速時伺服器就能使交流步電動機提供200%的軸扭矩，轉(zhuǎn)矩控制精度±5%，最大可提供一分鐘300%的額定轉(zhuǎn)矩，低速輸出轉(zhuǎn)矩大，更適合滿載啟動的場合，可大大降低電機選型功率[4]。

2）實現(xiàn)無級調(diào)速。伺服控制器可精確地控制電動機的轉(zhuǎn)速，速度的控制精度±0.1%，可根據(jù)不同井況選擇運行速度，沖次從0.10次/分至15次/分任意可調(diào)，同時可大范圍地單獨調(diào)節(jié)抽油機的上提、下放速度，可以實現(xiàn)快提慢放、慢提快放、慢提慢放等功能，不僅使沖次可調(diào)范圍大大增大，對現(xiàn)場進行碰泵、卸載等操作也極為有利。

3）全數(shù)字化模式。伺服控制器內(nèi)部的程序在運行的過程中，同時對伺服控制器的狀態(tài)、電動機的狀態(tài)和液位傳感器、載荷傳感器、流量傳感器、壓力傳感器等反饋的信號進行實時的采集、運算、記錄，可方便進行智能化、現(xiàn)代化、數(shù)字化油田的建設(shè)。

4）改裝方便?？芍苯佑矛F(xiàn)場采用的三相異步電機簡單改造，加裝信號采集器，配以伺服控制器即可形成伺服系統(tǒng)電機，可大大節(jié)約現(xiàn)場使用成本。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 節(jié)能效果分析

由于抽油機帶載起動，電機起動時必須有足夠大的扭矩才能起動抽油機，當(dāng)抽油機正常運轉(zhuǎn)時，實際扭矩遠遠小于起動時的扭矩。試驗證明，抽油機正常運轉(zhuǎn)時電機輸出扭矩為電機額定扭矩的30%左右，偏高的電機選型造成了“大馬拉小車”現(xiàn)狀。

伺服電機抽油機啟動時，利用力矩控制系統(tǒng)，精確控制轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩可達電機額定轉(zhuǎn)矩的三倍左右，電機功率選型可進一步降低。當(dāng)抽油機啟動后，力矩跟隨速度控制系統(tǒng)，可根據(jù)排采井實際工況，選取適當(dāng)?shù)牧兀瑥亩M一步確定轉(zhuǎn)動速度。通過力矩跟隨，配合抽油機的平衡塊儲能，從根本上解決了抽油機下行時抽油機反拖電動機發(fā)電的現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)效率。表1為不同電機與選井情況的統(tǒng)計。

表1 延川南區(qū)塊節(jié)能電機對比選井情況統(tǒng)計Table 1 Offset well selecting situation statistics of energy-saving motor in South Yanchuan block

3.1.1 W25平臺應(yīng)用

為了便于現(xiàn)場對比，前期現(xiàn)場分別選取井深相近、泵徑相同的12口井進行了對比試驗，其中4口井采用15 kW調(diào)速電機，4口井采用11 kW三相變頻調(diào)速電機，4口井由11 kW調(diào)頻電機改裝為7.5 kW伺服電機。

上述12口井工況基本相近，井下負荷差別不大，經(jīng)過前期應(yīng)用，對用電量進行對比，結(jié)果如下：1）4口井15 kW調(diào)速電機平均單井日用電量76.1～85.6度；2）4口井11 kW調(diào)頻電機平均單井日用電量8.4～13.1度；3）4口井7.5 kW伺服電機平均單井日用電量4.7～8.2度；4）Y3-42-32井由11 kW調(diào)頻電機更換為7.5 kW伺服電機后平均日用電量由13.1度降到9.6度，節(jié)電達到30%（圖3）。

圖3 不同電機日耗電量情況對比曲線Fig.3 Daily power consumption contrast curves of different electric motor

3.1.2 Y8井應(yīng)用情況

Y8井為工區(qū)內(nèi)一口探井，井深1 250 m，由于井眼軌跡問題，管桿偏磨嚴重，井下負載大，能耗極高，2014年11月該井嘗試更換18.5 kW伺服電機，通過調(diào)試，目前該電機運行正常，能耗得到明顯降低（表2）。

通過對比分析，伺服電機節(jié)能效果較為明顯，和普通調(diào)速電機相比，節(jié)能幅度達60%以上，和調(diào)頻電機相比，其節(jié)能幅度也達20%～40%。

3.2 現(xiàn)場控制能力分析

目前現(xiàn)場普遍存在低液量井流壓控制難的問題，以現(xiàn)場廣泛應(yīng)用的調(diào)頻電機為例，即使換用小皮帶輪后沖次最低也只能降至0.3次/min左右，多數(shù)井沖次在0.4次/min以下就已不能繼續(xù)下調(diào)，而根據(jù)統(tǒng)計，目前工區(qū)萬寶山產(chǎn)建新井平均日產(chǎn)液量僅為0.8 m3左右，產(chǎn)氣后液量會進一步降低，部分井日產(chǎn)液量低于0.3 m3，以目前的電機所能調(diào)整的沖次下限，都不能滿足制度需求。

表2 Y8井更換伺服電機前后參數(shù)變化對比Table 2 Parameter contrast before and after replace of servo motor of well Y8

表3 W122、W123平臺機抽控制問題井生產(chǎn)現(xiàn)狀Table 3 Production status of platform W122 and W123

而伺服電機可以克服低轉(zhuǎn)速下的扭矩偏高的問題，根據(jù)對安裝伺服電機的Y3-38-46進行現(xiàn)場試驗，當(dāng)沖次下調(diào)至0.04次/min左右時，機抽系統(tǒng)仍運行正常，沖次可調(diào)范圍大大擴展，這在很大程度上，能夠解決現(xiàn)場低液量井流壓控制難的問題。

對于區(qū)塊西北部偏深的井，由于井深深（大于1 550 m）、日產(chǎn)液量低（小于0.8 m3），在使用調(diào)頻電機時，低轉(zhuǎn)速、高載荷導(dǎo)致沖次下調(diào)空間進一步被壓縮，以W122、W123平臺的部分井為例。

表3中三口井均為低沖次運行時抽油機頓挫、沖次無法下調(diào)，影響排采制度實施的問題井。2015年1月，對Y6-48-26井試驗更換7.5 kW伺服電機，更換后，沖次可調(diào)范圍明顯增大，目前現(xiàn)場沖次可調(diào)低至0.20次/min，抽油機運行平穩(wěn)，滿足工作制度要求，運行電流由22/19變?yōu)槟壳暗?2/11,在現(xiàn)場控制和節(jié)能兩方面，均有較大提升。

此外，伺服電機控制器還可實現(xiàn)自定義間抽功能，定時啟停抽油機。目前現(xiàn)場部分低液量需間抽井一般為人為啟停，一次停抽時間偏長，會造成流壓較大幅度的波動，通過設(shè)置伺服控制器的啟停時段，可實現(xiàn)間抽時段間隔的分散化，既方便現(xiàn)場控制、又能保證煤層氣井的平穩(wěn)、連續(xù)排采。

4 結(jié)論

煤層氣開采具有低豐度、高密度布井、低成本開采的特點，排采過程要求連續(xù)、平穩(wěn)、緩慢。因此，節(jié)能降耗和排采精細控制是煤層氣排采管理的重點。伺服電機因其節(jié)能性和控制靈活性，在現(xiàn)場應(yīng)用已經(jīng)獲得了較好的效果。隨著延川南煤層氣產(chǎn)建的結(jié)束，大規(guī)模的機抽體系能耗優(yōu)化已迫在眉睫，伺服電機為現(xiàn)場電機選型提供了更加多元化的選擇，并具有其獨特的優(yōu)勢，在延川南乃至整個煤層氣行業(yè)中，其應(yīng)用、推廣前景廣闊。

[1]郭大立，貢玉軍，李曙光，等.煤層氣排采工藝技術(shù)研究和展望[J].西南石油大學(xué)學(xué)報，2012，34（2）：91-98.

[2]劉景濤，梁立移，孫順東.游梁式抽油機在煤層氣開采中的應(yīng)用與改進[J].中國煤層氣，2007，1（4）：37-39.

[3]司旭，黎曉茸，郭紅，等.影響低產(chǎn)油田抽油機選型因素的分析研究[J].石油礦場機械，2006，35（增刊）：76-77.

[4]蔣景強.伺服電機控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2009，16（20）：153-156.

[5]寇寶泉，程樹康.交流伺服電機及其控制技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008：11-23.

[6]常曉玲.電工技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：187-211.

（編輯：楊友勝）

Application of servo motor on pumping unit in South Yanchuan CBM wells

Jin Hua and Yao Rongchang
(Unconventional Resources Exploration and Development Headquarters,East China Company,SINOPEC, Xiangning,Shanxi 042100,China)

∶Servo motor is a kind of new motor which switch the input voltage signal into the shaft angular displacement or the angu?lar velocity for output.It can realize that the rotor rotates immediately with control voltage,while when the control voltage disap?pears,the rotor stops at once.Moreover,it can freely control the motor torque.Thereby,energy saving and accurate control realize. This paper introduced the principle of the servo motor and analyzed its application in South Yanchuan CBM field,and in view of the high starting torque and the adjustive velocity range of the servo motor,proved the good promotion prospects in the coal gas min?ing.

∶servo motor,energy saving,coalbed methane(CBM),pumping unit

TE355.5

A

2015-01-06。

金華（1987—），男，助理工程師，煤層氣井排采技術(shù)管理。