孟祥濤（中國石化中原油田分公司安全環(huán)保處）

抽油機(jī)是石油開采的主要地面設(shè)備，我國抽油機(jī)保有量超過20萬臺，其中游梁式抽油機(jī)約占90%，是石油行業(yè)機(jī)采系統(tǒng)最大的耗能設(shè)備。在采油成本中，抽油機(jī)電費(fèi)占30%左右，其年耗電量占油田總耗電量的20%～30%，位列油田電耗的第二位，僅次于注水。研究和應(yīng)用智能伺服控制技術(shù)，針對地下井筒“泵-桿”運(yùn)行特性規(guī)律，對地面抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能控制優(yōu)化，保證“機(jī)-桿-泵”協(xié)調(diào)平穩(wěn)運(yùn)行，可以大幅度提高抽油機(jī)整體系統(tǒng)能效水平。

1 現(xiàn)狀及問題

隨著油田逐步進(jìn)入開采中后期，油井含水率不斷上升，動(dòng)液面不斷下降，新開發(fā)油田產(chǎn)層深度、泵掛深度呈增加趨勢。抽油機(jī)采用具有對稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)或近似對稱循環(huán)四桿機(jī)構(gòu)，雖然其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，操作維護(hù)方便，但由于常規(guī)抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，決定了其平衡效果差，曲柄凈轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，存在負(fù)轉(zhuǎn)矩、載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點(diǎn)[1]。

1.1 “機(jī)-桿-泵”運(yùn)行不同步

抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)使驢頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律類似簡諧運(yùn)行，驢頭在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生交替轉(zhuǎn)換過程，地下井筒內(nèi)的抽油泵柱塞并未同步進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而是有一定的置后時(shí)間，即此時(shí)驢頭與抽油泵柱塞的運(yùn)動(dòng)速度不同、方向甚至相反，而此時(shí)加速度變化最大，會對機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生兩大危害：對抽油機(jī)變速箱齒輪、抽油桿、抽油泵產(chǎn)生巨大的沖擊載荷，容易造成減速箱損壞、抽油桿斷脫；造成沖程損失，導(dǎo)致抽油泵效率下降[2]。

1.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載不匹配

抽油機(jī)慣性矩較大，通常都是重載啟動(dòng)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比正常運(yùn)行轉(zhuǎn)矩大1倍以上；抽油機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，其平均轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相差甚遠(yuǎn)；而且為了應(yīng)對抽油過程中的特殊情況（砂卡、結(jié)蠟等異常問題出現(xiàn)），防止抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)因卡死而燒毀，電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)功率都遠(yuǎn)大于實(shí)際運(yùn)行功率。目前，油田抽油機(jī)常用的三相異步電動(dòng)機(jī)出廠效率在90%左右，但實(shí)際功率因數(shù)大多小于0.4，負(fù)載率低于30%。選用大容量電動(dòng)機(jī)確實(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時(shí)也降低了電能利用率和系統(tǒng)效率[3]。

1.3 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生倒發(fā)電

游梁式抽油機(jī)的載荷特點(diǎn)是帶有沖擊的周期性交變載荷，在一個(gè)沖程之中存在倒發(fā)電問題。通常當(dāng)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前轉(zhuǎn)速超過其同步轉(zhuǎn)速時(shí)，就會出現(xiàn)倒發(fā)電現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)發(fā)電。抽油機(jī)下沖程時(shí)負(fù)載帶動(dòng)抽油機(jī)運(yùn)行，此過程中存在倒發(fā)電，但倒發(fā)電并未用于抽油機(jī)抽油，而是損失在電網(wǎng)和電磁轉(zhuǎn)換中，造成抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)低。當(dāng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再發(fā)電狀態(tài)時(shí)，多余的能量反饋到電網(wǎng)，會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，使電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，對電動(dòng)機(jī)影響很大，也不利于抽油機(jī)的可靠工作。

1.4 供抽不匹配

隨著油井的不斷開采，油井的供液能力逐漸下降。抽油機(jī)單位時(shí)間內(nèi)抽出的液量變少，但其運(yùn)行時(shí)間并沒有減少，與以往相比同樣的電能消耗換來的卻是更少的原油產(chǎn)品，而且隨著時(shí)間的推移，用電效率還有降低的趨勢。分析其主要原因是由于抽油機(jī)對于發(fā)生變化的井下供液能力保持固定的工作方式，高速的抽油機(jī)運(yùn)行速度與低下的油井供液能力形成供不應(yīng)求的差距，最終造成抽油機(jī)泵空（即空抽現(xiàn)象）[4]。

2 潛力分析

國內(nèi)機(jī)采系統(tǒng)平均運(yùn)行效率僅25.96%，先進(jìn)水平為30.05%。根據(jù)節(jié)能測試研究分析，機(jī)采系統(tǒng)效率理論值在50%左右，而實(shí)際值為30%，有很大的提升空間（表1）。

表1 機(jī)采系統(tǒng)效率的潛力

影響機(jī)采系統(tǒng)效率的因素很多，從局部或者幾個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施技術(shù)改造并不能解決整體系統(tǒng)的問題，而且存在投入資金大、經(jīng)濟(jì)效益差的諸多問題。機(jī)采系統(tǒng)效率為地面系統(tǒng)效率與地下系統(tǒng)效率乘積值，將“機(jī)-桿-泵”整體考慮，根據(jù)地下井筒“泵-桿”運(yùn)行特性規(guī)律，利用智能伺服控制技術(shù)精確控制地面抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，保證“泵-桿”平穩(wěn)高效運(yùn)行，能夠大幅度提高抽油機(jī)整體系統(tǒng)能效水平。

3 智能伺服控制技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

預(yù)設(shè)控制目標(biāo)，按照“誤差→當(dāng)前值→誤差”控制流程，形成一個(gè)閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)“比較指令值與當(dāng)前值，縮小誤差”進(jìn)行反饋控制；有誤差時(shí)改變控制內(nèi)容，并將該過程進(jìn)行反復(fù)控制，直至達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)[5]（圖1）。

在伺服系統(tǒng)中，對裝在伺服電動(dòng)機(jī)上的編碼器所發(fā)出的脈沖信號或伺服電動(dòng)機(jī)的電流信號進(jìn)行檢測，將結(jié)果反饋至伺服放大器，并根據(jù)該結(jié)果按指令控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。各環(huán)節(jié)都朝著使指令信號與反饋信號之差為零的目標(biāo)進(jìn)行控制：位置環(huán)＜速度環(huán)＜電流環(huán)[6]。各控制模式中使用的控制環(huán)節(jié)如表2所示。

表2 閉環(huán)控制模式

3.2 組成與結(jié)構(gòu)

智能伺服控制系統(tǒng)由電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)矩及位置五個(gè)獨(dú)立的全閉環(huán)控制系統(tǒng)組成。通過啟動(dòng)加速和運(yùn)行軟件，可以實(shí)現(xiàn)既靈敏又高精度的動(dòng)作，始終確認(rèn)自己的動(dòng)作狀態(tài)，避免與指令發(fā)生偏差而不斷進(jìn)行反饋和修正。以物體位置、方位、態(tài)勢為控制量，跟蹤目標(biāo)的任何變化而構(gòu)建控制系統(tǒng)。其伺服驅(qū)動(dòng)器采用專用的32位可編程DSP（digital singnal processor），對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行全程的數(shù)字控制，能根據(jù)油井生產(chǎn)實(shí)際需要，有效調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、頻率等參數(shù)，滿足節(jié)能高效、平穩(wěn)運(yùn)行的生產(chǎn)需要。

圖1 伺服控制系統(tǒng)工作原理

3.3 運(yùn)行過程

應(yīng)用抽油機(jī)伺服控制系統(tǒng)，不需要改造游梁式抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電力拖動(dòng)裝置，由專用的32位可編程DSP芯片為核心組成的伺服系統(tǒng)，對原三相異步交流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電流、轉(zhuǎn)矩、速度、位置處于四閉環(huán)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)“機(jī)-桿-泵”的同步協(xié)調(diào)運(yùn)行。

1）抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，利用PowerFlexⅡ轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，精確控制轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的3～5倍，實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)。

2）抽油機(jī)啟動(dòng)后，按照預(yù)先建立的運(yùn)行數(shù)學(xué)模型，利用轉(zhuǎn)矩跟隨速度控制系統(tǒng)，讓抽油機(jī)驢頭按照設(shè)定軌跡全程變速運(yùn)行。

3）抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，利用轉(zhuǎn)矩、位置控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤油井負(fù)荷的變化。根據(jù)伺服器內(nèi)部運(yùn)算系統(tǒng)計(jì)算出驢頭位置和轉(zhuǎn)矩，利用上位機(jī)可以繪制出示功圖；根據(jù)示功圖的變化可以判斷井下供抽匹配的狀況，自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整抽油機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到最佳工況。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2018年9月28日，在中原油田分公司濮東采油廠H5-211井上進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)狀，優(yōu)化調(diào)整抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)，開展安裝前后節(jié)能比對測試。經(jīng)對比測試，節(jié)電率高達(dá)38.4%，見表3。

從圖2、圖3可以看出，油井由“較嚴(yán)重供液不足”變?yōu)椤拜p微供液不足”；動(dòng)液面基本穩(wěn)定，由原來的2 003 m變?yōu)? 002 m；平均工作電流明顯下降，由38.68 A下降為12.21 A，降幅達(dá)68.4%；在沖速由3.5 min-1下調(diào)為1.94 min-1、降幅44.6%的情況下，日產(chǎn)液量穩(wěn)中有升，由原來的10 t/d增加到11.1 t/d，日增1.1 t；泵效由27.2%提高至54.5%，提高27.3個(gè)百分點(diǎn)。降低了驢頭最高（低）點(diǎn)運(yùn)行速度，減少了沖程損失，增加了泵有效沖程。

表3 H5-211井安裝前后生產(chǎn)及測試數(shù)據(jù)對比

圖2 H5-211井安裝前示功圖

5 結(jié)論與認(rèn)識

圖3 H5-211井安裝后示功圖

1）利用智能伺服控制技術(shù)可方便、平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)節(jié)抽油桿在上下止點(diǎn)附近的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，減少?zèng)_程損失，減少抽油桿的沖擊載荷，從而提高泵效，改善抽油桿受力狀況，減少偏磨、斷脫現(xiàn)象，有效延長“機(jī)-桿-泵”使用壽命。

2）根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器提供的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化和驢頭位置通過上位機(jī)繪制示功圖，根據(jù)對比示功圖變化自動(dòng)調(diào)整抽油機(jī)沖速，使抽油泵保持合理的沉沒度，避免供液不足、空抽現(xiàn)象，使低產(chǎn)井保持穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)，節(jié)電效果明顯。

3）對于供液嚴(yán)重不足井，可實(shí)現(xiàn)超低沖速生產(chǎn)，減少無效沖速，節(jié)能效果明顯。而且伺服控制器消除了異步電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行下轉(zhuǎn)矩的多邊形脈動(dòng)，皮帶所受轉(zhuǎn)矩更均勻，有效地減少了皮帶的抖動(dòng)、打滑現(xiàn)象，減少了燒皮帶、盤根干磨、跑油等問題，便于抽油井的日常生產(chǎn)管理。

4）改造簡單，不需要改造抽油機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，投入低，非常適合油田企業(yè)實(shí)施節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的需要。

5）電動(dòng)機(jī)皮帶輪過小，影響了節(jié)能效果的提升。油田開發(fā)后期，普遍存在供液不足的情況，常規(guī)方法是不斷調(diào)小電動(dòng)機(jī)皮帶輪來降低沖速，其直徑多為180 mm或200 mm。該井由于供液不足，電動(dòng)機(jī)皮帶輪過小，僅為180 mm，皮帶包角過小，導(dǎo)致打滑現(xiàn)象。如果更換大直徑皮帶輪，節(jié)能效果將進(jìn)一步提升。