陈亮 冯萌萌 孔红芳
天津市大港油田公司第二采油厂
摘要：当前为促进石油开采在节能降耗方面的推进，对抽油系统节能改造方案中首先选取的方式为使用变频器对电机进行转换，利用变频器对电机进行速度控制的系统具有以下优点：系统功率因数大大提高；反馈系统能够及时反馈，控制器可以动态调整抽油机冲次，改变抽油泵的抽汲速度；实现真正意义上的“软启动”，减少抽油系统结构之间的磨损，使用寿命延长，提高了系统采油效率，大大提高抽油系统自动化程度。本文主要利用抽油系统的基本理论，在对常规抽油系统的特征和结构进行综合分析，再综合分析抽油系统的工作特点，分析抽油系统的运动规律和电机节能方法，提出抽油系统变频调速控制。
关键词：常规抽油系统；变频调速；方法对比
引言
在油田的长期开采过程中和低产井的开发中，由于井下供液量的不足，抽油系统会出现不同程度上的空抽和抽油泵充满度不足的情况，这些情况都会导致设备出现无效磨损和抽油设备运行效率低下，造成抽油系统电能浪费和设备损耗。常规抽油系统广泛使用的基础上，高效节能的新型抽油机也在不断被开发应用，这些现象的出现都让常规抽油系统效率低和高能耗的缺点变得越来越突出。
1 常规抽油系统的基本结构及工作原理
常规抽油系统在采油过程中的运动状态。当常规抽油系统运行时，电动机带动皮带，皮带与减速器连接，减速器将高速旋转降低，旋转运动通过四连杆机构转变为驴头绕支点的上、下往复运动，悬点绕支架的弧线运动可以近似看做上下往复的直线运动，驴头上下运动时，钢丝绳保持与驴头相切，悬绳器带动抽油杆柱、油泵等抽油系统地下装置一起做往复的直线运动，从而实现把原油抽汲到地面的工作。
1.1 抽油机组成结构
抽油机的主要结构有四部分构成，分别是游梁部分、支架部分、减速器部分和配电部分，而游梁部分主要由横梁、连杆、驴头、尾梁和平衡板组成；支架部分主要由支架、工作梯、护圈、操作台等组成；减速器、底船及配重块等构成了减速器的部分；配电部分主要由配电箱、电动机底座，电动机等一些其它部分组成。全世界有近百万口油井，其中约87％的油井是在人工抽油机的帮助下运行的。在石油生产过程中可以找到很多类型的人工泵，例如抽油杆泵、液压泵、柱塞活塞泵、潜水电泵等。游梁式抽油机是现阶段国内油田生产使用的主要地上设备。随着游梁式抽油机在我国油田开采中的使用率越来越高，为了适应油田的普遍需求，其类型也愈来愈多，但基本结构和工作原理没有发生大的变化，主要还是由游梁-连杆-曲柄机构、减速装置、动力设备和辅助装置等四大部分组成。游梁式抽油机按照曲柄结构分为：常规式和偏心异向节能式；而按照结构可以分为：普通式抽油机和前置式抽油机，还有其他的按照平衡方式等分类。
1.2 抽油机工作原理
石油能源是全球最重要的燃料之一，我国各产业发展都普遍依赖于石油能源，大到工业制造、交通运输、航空航天，小到家庭生活中的家电等随处可见。随着国家对能源方面的重视，节能、高效的生产方式成了政府首要的要求，变成了我国国民经济和社会可持续发展的长远战略方针。如何将节能、高效践行于石油的勘探开发是现阶段需要解决的问题之一。
抽油机的工作方式类似于我国早期水井打水，主要是通过外力作用将井底的原油或者水在一个活塞拉杆即抽油杆的一次次抽泣中带向地面，再通过地下埋藏的管道收集到统一的地方。在抽油机抽油过程中，抽油机将电能转化为系统所需要的机械能，原油在抽油机的能量转化的作用下传递给抽油杆拉动所需要的能量，将油井原油吸入抽油泵中，井底到地面几千米的管道中借助外力举升至地面。对于高渗透的油井，井底压力较大存在自喷现象；在抽油机抽油的同时会伴随着井底渗流，井底渗油量大于或者等于抽油机的抽油量，因此抽油机一直处于满负荷的工作状态。
而在油井开采进入中后时期，对于低渗透或者超低渗透油井，抽油机抽油时同样存在井底的渗流，但井底渗油量小于抽油机抽油量进而导致油井油量不足，抽油机处于“不满抽”或者“空抽”状态，井内液体逐渐减少，抽油机运行一段时间之后，井内沉没度为0，此时抽油机需要停止抽油工作，以避免人力、电力、物力等浪费，沉没度指的是深井泵在动液面下的具体深度。抽油机运转过程中，将配电箱提供的电能经皮带轮转变为动能传递给减速箱，进而带动曲柄做圆周运动，曲柄与连接杆连接，连杆与横梁连接，横梁与游梁连接，曲柄做圆周运动将动能转化为驴头的往复运动。在驴头向上运行时，称之为上冲程，驴头向下行时，称为下冲程。当抽油杆被驴头提起做上冲程运动时，此时抽油泵的游动阀在压力的作用下处于关闭状态，当游动阀 以上油液被带走时，即向上通过油管排出油液，在此情况下油管的下部体积变大，由于井筒里外存在压差，原油会从压强大的方向向小的方向移动，此时固定阀被打开，柱塞下的液体流入油管中。在下冲程进行的过程中由于游动阀的关闭，柱塞会将上方油管中的原油提升至井口。当抽油杆向下移动，即下冲程运动，此时一次抽油工作完成，再进行下一个循环的开始。一个冲程内抽油泵完成一个进液和排液的过程。游梁式抽油机是陆地油田长期应用的传统抽油设备。
2 抽油机节能控制策略
游梁式抽油机的节能技术可概括为抽油机结构的改进、采用节能驱动设备、使用节能控制器
2.1 间抽控制器
由于石油工业对于节能的需求，停止抽油机的时间控制变的至关重要，因此，间抽控制器应运而生。发展初期主要是通过人工判断出油的量进而手动的调节抽油机开始、停机的时间，存在浪费大量的人力、物力的现象。随着油井地质的微妙变化，抽油机的启停时间不在是固定、单一，因此工作人员对间抽控制器的启停进行手动的调节，人工控制需要付出高昂的代价，加之需要经验的积累，在很多时候工作人员依然无法较准确地确定启停时间，实现间抽采油的最大效率。随后，油田研究人员发现将相关的传感器安装在抽油杆以此来检测抽油机实时运行的电压、电流、转速等相关参数，在此基础上研究油井动液面、示功图及负载情况。该方法也可以直接利用系统原有的传感器进行检测无需外传感器，进而使工作人员可靠、准确的得到启停抽油机的时间间隔，避免了不必要的电能消耗。
2.2 双功率电动机
双功率电动机具有两套定子绕组，因此也被称为双定子电动机。通过两个定子同时工作的瞬时功率值之和确定，通过电动机的相互工作以及接受电控箱中的电流检测电路给出指令，从而使得转子有序的运行起来，在电动机与负载之间的得到一个均衡，避免了能源的浪费，将电能的利用率达到最大化，实现节能抽油的效果。但是由于整个电机调速系统仅仅运行在几个固定的功率模式之下，因此双功率电动机的运行受到了不同程度的限制，双功率电动机并不是最理想的节能方案。
2.3 改变平衡方式
在改变抽油机的平衡方式之后会明显的达到抽油节能的效果，因此很多研究人员在不断的研究抽油机的平衡度，使得尽最大努力运行于平衡状态。现有的改变抽油机的平衡有气动平衡、平衡块平衡等方式。
2.4 动液面测量方式
在油田进入正常开采过程中，研究人员需要根据井底的相关地质参数，对井底情况进行一个预估，相关地质参数包含产水量、含水率、沉没度、动液面、渗透率、孔隙度、地层流压、地层原油粘度等。人工手动测量动液面，得到动液面的变化规律，在油井产业量与电机转速之间得到相关关系，借助动液面的变化规律来控制电机的实时转速，使电机最大化的工作于满抽状态。
3 结束语
对于面向油田节能的智能抽油控制模块在研究过程中，实现了通过软件对开关磁阻电机调速的自动控制，但是由于时间有限，对抽油机控制系统进行深入的分析和探索方面还有很多地方需要不断的完善与改进。
参考文献：
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