直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理技術(shù)研究與應(yīng)用

魏顯峰（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

螺桿泵舉升工藝具有占地面積小、安裝方便、能耗低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近幾年在油田得到普遍推廣和應(yīng)用。直驅(qū)螺桿泵的研發(fā)解決了原有設(shè)備傳動(dòng)效率低、存在安全隱患等問(wèn)題，但同時(shí)也存在抽油桿制動(dòng)后扭矩不能充分釋放、參數(shù)錄取不方便以及時(shí)率低等問(wèn)題。為此，大慶油田開(kāi)展了直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理技術(shù)研究，成功研發(fā)出永磁力矩電動(dòng)機(jī)數(shù)字化無(wú)位置傳感器矢量控制技術(shù)以及GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用2 000余口井，獲得了較好應(yīng)用效果。

1 直驅(qū)螺桿泵機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式

直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置坐在井口法蘭上，通過(guò)卡子將電動(dòng)機(jī)的輸出軸與光桿連為一體，出油口與地面輸油管線連接。在電動(dòng)機(jī)的下部連接承載軸承和支座，從而使整個(gè)裝置直接坐在井口法蘭上，實(shí)現(xiàn)軸向承載，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。螺桿泵井口密封裝置設(shè)計(jì)在電動(dòng)機(jī)空心軸里，包括機(jī)械密封裝置定盤(pán)和動(dòng)盤(pán)，抽油桿穿過(guò)密封管在井口通過(guò)扭矩傳遞卡子與電動(dòng)機(jī)空心軸的軸頭連接傳遞電動(dòng)機(jī)扭矩。

2 數(shù)控抽油桿防反轉(zhuǎn)制動(dòng)技術(shù)

根據(jù)實(shí)際工況，螺桿泵井如果突然停電或人為停機(jī)，則抽油桿變形產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)力矩會(huì)帶動(dòng)螺桿泵反轉(zhuǎn)，從而可能使之損壞。采取數(shù)控措施：一是通過(guò)使能端控制驅(qū)動(dòng)器（圖2），如果突然斷電，則在0.02 s內(nèi)繼電器工作，使驅(qū)動(dòng)器的使能端斷電，封鎖力矩電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，采用10%梯度衰減控制模式，供給電動(dòng)機(jī)繞組反向電流，隨主動(dòng)控制抽油桿彈性勢(shì)能釋放速度，減緩沖擊載荷，控制更平穩(wěn)，從而達(dá)到保護(hù)驅(qū)動(dòng)器的作用；二是采用能耗電阻制動(dòng)（圖3），電路中采用了常開(kāi)/常閉觸點(diǎn)的交流接觸器組，正常工作時(shí)，交流接觸器主觸點(diǎn)閉合，使驅(qū)動(dòng)器與力矩電動(dòng)機(jī)繞組連接，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，如果突然斷電，則在0.04 s內(nèi)交流接觸器主觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)繞組與驅(qū)動(dòng)器斷開(kāi)，同時(shí)交流接觸器輔助觸點(diǎn)閉合，使電動(dòng)機(jī)繞組與3個(gè)能耗電阻短接實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)。

3 數(shù)字化高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。與普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)中多設(shè)置了一個(gè)測(cè)角元件——位置傳感器，它可以隨時(shí)提供轉(zhuǎn)子的位置和速度。目前使用的角位移傳感器是應(yīng)用最為廣泛的增量編碼器，在露天、嚴(yán)重污染、劇烈振動(dòng)的場(chǎng)合使用容易損壞。為適應(yīng)螺桿泵井工作的高可靠性和環(huán)境特性要求，在系列產(chǎn)品中采用了通過(guò)電動(dòng)機(jī)定子端電壓和電流直接計(jì)算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的方法，這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、延遲小，但需要準(zhǔn)確的電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。永磁同步電動(dòng)機(jī)能夠在無(wú)位置傳感器狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)矢量控制[1]。負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，則電動(dòng)機(jī)的電流大，系統(tǒng)輸出的有功功率也大；負(fù)載轉(zhuǎn)矩小，則電動(dòng)機(jī)的電流自動(dòng)減小與負(fù)載匹配，系統(tǒng)輸出的有功功率也小。由于該電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)高，無(wú)功功率很小，因此輕載時(shí)井口的耗能和線路的耗能都很小，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載自動(dòng)跟蹤和節(jié)能。

4 直驅(qū)螺桿泵井遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

4.1 開(kāi)發(fā)GPRS數(shù)據(jù)通信處理平臺(tái)

在直驅(qū)螺桿泵控制板上增加CDMA模塊（圖4），直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的參數(shù)均存儲(chǔ)在驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)存中，CDMA模塊可調(diào)取驅(qū)動(dòng)器內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)CDMA數(shù)據(jù)終端發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。從網(wǎng)絡(luò)上接收到的指令也通過(guò)CDMA模塊進(jìn)行讀取，該模塊相當(dāng)于一個(gè)微型處理器，負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動(dòng)器之間的通信。

另外還要增加一個(gè)收發(fā)無(wú)線信號(hào)的CDMA數(shù)據(jù)終端（圖5），可以進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)錄取、狀態(tài)監(jiān)控以及遠(yuǎn)程調(diào)參、啟停機(jī)等操作。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)兩種功能：GPRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入和GPRS實(shí)時(shí)監(jiān)控。GPRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入可將井口驅(qū)動(dòng)器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到服務(wù)器，GPRS實(shí)時(shí)監(jiān)控可實(shí)時(shí)錄取一段時(shí)間內(nèi)的參數(shù)變化情況，同時(shí)可以向井口驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令調(diào)參或開(kāi)關(guān)機(jī)等。

4.2 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控

直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)主要監(jiān)控螺桿泵的運(yùn)行狀態(tài)、電參數(shù)、扭矩和轉(zhuǎn)速。根據(jù)實(shí)際需求，可分為短時(shí)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控兩種采集方法。遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障停井、參數(shù)不合理等問(wèn)題，便于及時(shí)進(jìn)行維修和優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少故障停井對(duì)產(chǎn)油的影響，可保證螺桿泵井長(zhǎng)期運(yùn)行在合理狀態(tài)。

4.3 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作

U盤(pán)數(shù)據(jù)導(dǎo)入：當(dāng)需要導(dǎo)入數(shù)天內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)用遠(yuǎn)程傳輸速度較慢，因此比較適于用U盤(pán)導(dǎo)入數(shù)據(jù)，將井口數(shù)據(jù)存入U(xiǎn)盤(pán)，取回后連接到服務(wù)器即可直接讀取歷史數(shù)據(jù)。

GPRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入：導(dǎo)入少量數(shù)據(jù)可使用GPRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，在線導(dǎo)入直驅(qū)螺桿泵驅(qū)動(dòng)器內(nèi)存中的歷史數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)速設(shè)置：首先錄取螺桿泵井運(yùn)行狀態(tài)和目前轉(zhuǎn)速，然后輸入需要的轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，井口驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作后返回調(diào)參后的轉(zhuǎn)速。

4.4 開(kāi)發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)

系統(tǒng)由4個(gè)功能模塊組成，主要包括基礎(chǔ)信息管理、數(shù)據(jù)信息管理、數(shù)據(jù)操作管理、單井分析管理。基礎(chǔ)信息管理包括功能管理、角色管理、用戶(hù)信息、字典管理、組織機(jī)構(gòu)等部分，這部分主要給不同的用戶(hù)賦予不同的權(quán)限；數(shù)據(jù)信息管理包括螺桿泵基礎(chǔ)信息、調(diào)參日志信息、GPRS導(dǎo)入日志等；數(shù)據(jù)操作管理包括U盤(pán)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、GPRS數(shù)據(jù)導(dǎo)入、轉(zhuǎn)速設(shè)置、單井分析歷史記錄、GPRS狀態(tài)查詢(xún)、GPRS開(kāi)關(guān)機(jī)等；單井分析管理包括單井年、月、日、時(shí)、分?jǐn)?shù)據(jù)分析等。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

5.1 數(shù)字化管理系統(tǒng)應(yīng)用

2010年以來(lái)，應(yīng)用直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)裝置2 112套，平均轉(zhuǎn)速控制精度達(dá)到±3%以?xún)?nèi)，能夠滿足生產(chǎn)需求，單井平均節(jié)電率達(dá)到21.2%，提高系統(tǒng)效率7.8個(gè)百分點(diǎn)，提高設(shè)備運(yùn)行時(shí)率3.2個(gè)百分點(diǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能夠避免位置傳感器故障影響螺桿泵時(shí)率，提高了設(shè)備運(yùn)行時(shí)率，節(jié)能效果顯著，運(yùn)行安全系數(shù)大幅提高，實(shí)現(xiàn)了螺桿泵井的數(shù)字化管理，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

5.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速設(shè)置提高了工作效率，在室內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)多口井的操作，使參數(shù)調(diào)整更及時(shí)，能有效發(fā)揮油井產(chǎn)能，減少對(duì)螺桿泵的損害。圖6是對(duì)螺桿泵參數(shù)的讀取曲線。

5.3 單井?dāng)?shù)據(jù)分析

可按年、月、日、小時(shí)、分進(jìn)行扭矩?cái)?shù)據(jù)分析，管理人員能夠全面及時(shí)地掌握油井的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，及時(shí)處理油井出現(xiàn)的各種問(wèn)題。選擇組織機(jī)構(gòu)，選擇井號(hào)，選擇分析類(lèi)型，再根據(jù)類(lèi)型選擇相應(yīng)的時(shí)間條件，點(diǎn)擊生成相應(yīng)條件下的圖表。通過(guò)單井分析可判斷某段時(shí)間內(nèi)油井載荷的變化情況，可協(xié)助螺桿泵泵況的診斷。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）直驅(qū)螺桿泵數(shù)字化管理系統(tǒng)操作便捷、自動(dòng)化程度高，解決了螺桿泵井生產(chǎn)自動(dòng)化和管理數(shù)字化的技術(shù)問(wèn)題，可以在油田螺桿泵井大規(guī)模使用。

2）數(shù)控電磁制動(dòng)抽油桿防反轉(zhuǎn)裝置能夠削減抽油桿、油管和泵的沖擊載荷，延長(zhǎng)使用周期，同時(shí)簡(jiǎn)化井口結(jié)構(gòu)，提高了運(yùn)行安全系數(shù)。

3）隨著油田自動(dòng)化系統(tǒng)逐步完善，將抽油機(jī)井和注入井納入到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建一個(gè)數(shù)字化的管理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)錄取、信息資源共享、設(shè)備遠(yuǎn)程控制，為油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

[1]吳芳,黃聲華,萬(wàn)山明.永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器功率因數(shù)矢量控制方法研究.微電動(dòng)機(jī)[J],2009(4).