吉林油田螺桿泵井直驅(qū)大伺服系統(tǒng)試驗與應用

盧玉峰 （教育部提高油氣采收率重點實驗室 （東北石油大學），黑龍江 大慶163318 中石油吉林油田分公司扶余采油廠，吉林 松原138001）

姚寶春，李雷，張德義

景偉，楊永峰，宋成立 （中石油吉林油田分公司扶余采油廠，吉林 松原138001）

1 常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置存在問題

1.1 設(shè)備故障率高，效率偏低

常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置存在減速器、皮帶等易損壞配件，生產(chǎn)維護費用較高；理論上常規(guī)螺桿泵地面驅(qū)動效率為72%。

1.2 噪聲大，存在安全隱患

常規(guī)螺桿泵驅(qū)動裝置傳動機構(gòu)軸承多，在運轉(zhuǎn)的時候會發(fā)出一定的噪聲，防反轉(zhuǎn)裝置通常采用棘輪棘爪設(shè)計，在低轉(zhuǎn)速的情況下棘爪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力不足以克服彈簧彈力，棘爪在棘爪盤上摩擦即加快了防反轉(zhuǎn)機構(gòu)的磨損，同時又產(chǎn)生了相當大的噪聲，不適合在城區(qū)井應用。常規(guī)螺桿泵存在傳動部分外露，雖然皮帶輪加裝護罩，能降低發(fā)生危險的可能，但不能完全避免，同時當防反轉(zhuǎn)裝置失靈后存在皮帶輪飛出的安全隱患。

2 螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由碟式直驅(qū)電機、電機伺服器、光桿載荷傳感器、中控計算機組成，見圖1。

2.2 工作原理及技術(shù)特點

螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)主要動力設(shè)備是碟式電機，該電機的類型是一種稀土永磁同步電機，由于電機設(shè)計空間布置更符合直驅(qū)電機定轉(zhuǎn)子組件分布，提升了同等空間的電機的扭矩輸出，較常規(guī)稀土電機效率可提升2%～3%；由于其軸向尺寸更小，便于管理。

圖1 螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)構(gòu)成圖

直驅(qū)電機的伺服控制：根據(jù)電機輸出端負載的變化自動調(diào)整與控制電機輸入?yún)?shù)，以達到滿足輸出力矩與提高電機效率的目的。為了保障整個螺桿泵抽油系統(tǒng)工況合理與系統(tǒng)效率的提高，引入了能控制整個螺桿泵采油井的 “大伺服”概念，即建立螺桿泵采油井智能工況監(jiān)控與管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了可以通過對生產(chǎn)井運行參數(shù)的自動測試、無線遠傳與中控計算機的實時監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)自動計算油井動液面、泵效、產(chǎn)量等。

螺桿泵井直驅(qū)伺服控制與常規(guī)螺桿泵井變頻器控制都是通過改變電機的頻率實現(xiàn)螺桿泵井轉(zhuǎn)速的控制，其主要區(qū)別是伺服控制能通過接收油井動液面、產(chǎn)量變化引起的光桿載荷和扭矩變化信息，這些信息再反饋到中控計算機，經(jīng)過預定程序的處理，將合理的運行參數(shù)指令發(fā)送到伺服控制器中，伺服控制器可以根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)整指令使設(shè)備在最經(jīng)濟合理的轉(zhuǎn)速下運行，達到能耗最低。而變頻器控制轉(zhuǎn)速只能單向執(zhí)行外部命令，不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的合理自動調(diào)整，因此螺桿泵直驅(qū)伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是監(jiān)測數(shù)據(jù)（動液面的判斷和產(chǎn)量估算）的準確性以及控制系統(tǒng)指令的科學性。

3 螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)動液面監(jiān)測和求產(chǎn)原理

3.1 通過井口監(jiān)測數(shù)據(jù)計算動液面的原理

理論影響螺桿泵光桿載荷的主要因素是動液面、油套壓、油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、泵參數(shù)、原油物性參數(shù)等，對目標井來說油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)、泵參數(shù)、原油物性參數(shù)均為可獲得已知量。通過測得的光桿載荷、油套壓由反函數(shù)推導計算得到油井的動液面。

3.2 通過井口監(jiān)測數(shù)據(jù)自動求產(chǎn)的原理

油井泵效ηp的理論計算采用：

式中：ηp為油井泵效，1；ηv為考慮泵漏失影響 （影響因素有泵臨界壓差、泵工作壓差等）的泵效，1；ηg為考慮氣體影響 （分為自由氣影響泵效和溶解氣影響泵效）的泵效，1；ημ為液體流動性影響 （影響因素有原油黏度、含水率、沉沒度、轉(zhuǎn)速等）的泵效，1。

由采油工藝原理，泵效為：

式中：Q為泵的實測排量，m3／d；Q0為泵的理論排量，m3／d，n為泵的轉(zhuǎn)速，r／min；q為泵的排量，mL／r。

因此可以通過計算動液面數(shù)值，結(jié)合油井轉(zhuǎn)速、油套壓等參數(shù)先計算泵效，再根據(jù)泵理論排量推算油井當前產(chǎn)量。當油井在出現(xiàn)漏失等泵效不正常工況下，可先由井口監(jiān)測數(shù)據(jù)計算動液面，然后通過擬合流入動態(tài)曲線及采液指數(shù)，計算產(chǎn)量。

3.3 動液面監(jiān)測與自動求產(chǎn)數(shù)據(jù)的校核

通過井口監(jiān)測數(shù)據(jù)來推算動液面與產(chǎn)液量時，當井下工況變化較大時，會使參與計算的一些參數(shù)發(fā)生變化，從而影響計算結(jié)果的精確度，所以還需要定期根據(jù)實測的液量與液面來校對并修正計算公式中的參數(shù)，日常管理中只需當監(jiān)測載荷、扭矩顯著變化時進行實測驗證，這樣可以大幅降低管理工作量。

由于油井的動液面測量和產(chǎn)量計量是按周期進行，實現(xiàn)這2個參數(shù)的監(jiān)測后可以隨時根據(jù)油井產(chǎn)量和動液面的變化進行油井生產(chǎn)工況診斷，及時發(fā)現(xiàn)不正常井，同時也可以根據(jù)產(chǎn)量和動液面的變化趨勢動態(tài)調(diào)整螺桿泵轉(zhuǎn)速，發(fā)揮油井生產(chǎn)能力。當供液能力增加、液面上升時，調(diào)大轉(zhuǎn)速提升產(chǎn)量；當供液能力不足、液面下降時，調(diào)小轉(zhuǎn)速提高泵效，減少能耗；從而實現(xiàn)螺桿泵科學管理增產(chǎn)提效。

目前油井單井產(chǎn)液量計量主要采取用較短時間計量產(chǎn)量結(jié)果來推算全天的產(chǎn)量，存在的缺陷是計量時間短，測量結(jié)果往往不能代表全天的實際產(chǎn)液水平，尤其是含氣量高、間歇出油井，不同時段產(chǎn)液變化非常大，計量結(jié)果的誤差會非常大。應用該技術(shù)后可以根據(jù)油井每個時段生產(chǎn)參數(shù)進行計算并累加得到全天產(chǎn)液量，得出的結(jié)果會更加及時準確，更接近油井的真實產(chǎn)液量。

4 螺桿泵井地面驅(qū)動方式及對比

目前常見的螺桿泵地面驅(qū)動方式有異步電機配減速箱方式、普通直驅(qū)電機方式和碟形直驅(qū)電機方式。表1為這3種方式的性能對比，可以看出，碟形直驅(qū)電機方式有較大的優(yōu)越性。

表1 3種螺桿泵井地面驅(qū)動方式性能對比表

5 螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)現(xiàn)場應用效果

扶余油田在X13井試驗應用了新式碟形直驅(qū)電機及其伺服控制系統(tǒng)，應用后運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了螺桿泵井遠程起、停、調(diào)參、實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、工況診斷、在線液面計算與求產(chǎn)等功能?，F(xiàn)場測試節(jié)能效果明顯，該井系統(tǒng)效率由應用前的12．7%提高到17．5%，平均有功節(jié)電率達到13．5%。試驗前后數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 應用直驅(qū)螺桿泵井試驗前后數(shù)據(jù)對比

6 結(jié)語

應用螺桿泵直驅(qū)大伺服系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)油井動態(tài)變化合理調(diào)控地面運行參數(shù)，做到地面井下整體優(yōu)化，解決了扶余油田螺桿泵井能耗偏高的問題，同時該技術(shù)也適合在其他油田螺桿泵井推廣應用。