伺服電機(jī)在延川南煤層氣機(jī)抽井上的應(yīng)用

金華，姚榮昌

（中國(guó)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(jī)在延川南煤層氣機(jī)抽井上的應(yīng)用

金華，姚榮昌

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

伺服電機(jī)；節(jié)能；煤層氣；機(jī)抽

煤層氣又稱煤層甲烷氣，是在成煤過(guò)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(chǔ)量達(dá)740億立方米。該區(qū)域是中國(guó)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(jì)劃投產(chǎn)排采井超過(guò)940口，截至2014年底，已累計(jì)完成排采井投產(chǎn)800余口。

延川南工區(qū)先后試驗(yàn)使用過(guò)螺桿泵、電潛泵、皮帶式抽油機(jī)、提撈式抽油機(jī)等多種舉升工藝，通過(guò)優(yōu)選，最終確定以有桿泵機(jī)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(jī)抽、電潛泵和射流泵三種，其中機(jī)抽井達(dá)95%以上。抽油機(jī)機(jī)型為5型、6型、8型和10型機(jī)為主，其中5型、6型機(jī)占98%（圖1），絕大多數(shù)采用游梁式抽油機(jī)。電機(jī)以11kW、15kW調(diào)頻電機(jī)為主，抽油機(jī)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(jī)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(jī)原理

伺服電機(jī)的作用是將輸入的電壓信號(hào)（即控制電壓）轉(zhuǎn)換成軸上的角位移或角速度輸出，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常作為執(zhí)行元件，所以伺服電機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。其最大特點(diǎn)是：有控制電壓時(shí)轉(zhuǎn)子立即旋轉(zhuǎn)，無(wú)控制電壓時(shí)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(jī)主要由電機(jī)和伺服控制器組成。

1.1 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通三相交流異步電動(dòng)機(jī)沒有什么區(qū)別。伺服電機(jī)的定子有兩相相差120度電角度的交流繞組，分別稱為勵(lì)磁繞組和控制繞組，其轉(zhuǎn)子就是普通的籠型異步電動(dòng)機(jī)的鼠籠繞組[4-5]。圖2為交流伺服電動(dòng)機(jī)的接線圖和向量圖。使用時(shí)，勵(lì)磁繞組接單相交流電，在氣隙產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子繞組不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)不工作。當(dāng)控制繞組接上相位與勵(lì)磁繞組相差90度電角度的交流電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的氣隙便有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)控制繞組的控制電壓信號(hào)撤除后，如果是普通電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子電阻較?。ǜ鶕?jù)雙旋轉(zhuǎn)理論），脈振磁場(chǎng)分解的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)各自產(chǎn)生的機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子仍然保持轉(zhuǎn)動(dòng)，不能停止。而伺服電機(jī)，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(chǎng)分解的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)各自產(chǎn)生的機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)將在這個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩作用下將很快停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 伺服控制器

圖2 交流伺服電動(dòng)機(jī)接線圖和向量圖Fig.2 Wiring diagram and vector diagram of alternating current servomotor

伺服電機(jī)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(dòng)機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分[5]。伺服驅(qū)動(dòng)器有兩部分組成：驅(qū)動(dòng)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(qiáng)大的運(yùn)算能力和復(fù)雜的控制算法，配備有高集成的驅(qū)動(dòng)電路，能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化；通過(guò)電子線路對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字檢測(cè)與跟蹤，能精確地檢測(cè)交流異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電流、力矩、速度、位置，并匹配輸入交流異步電動(dòng)機(jī)所需的電能，從而改善電機(jī)的運(yùn)行條件，降低無(wú)效用功，減少電機(jī)的發(fā)熱、振動(dòng)、噪音和鐵磁損耗，節(jié)能降耗。

2 伺服電機(jī)特點(diǎn)

1）啟動(dòng)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(jìn)行控制，在零速時(shí)伺服器就能使交流步電動(dòng)機(jī)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(dòng)的場(chǎng)合，可大大降低電機(jī)選型功率[4]。

2）實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。伺服控制器可精確地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，速度的控制精度±0.1%，可根據(jù)不同井況選擇運(yùn)行速度，沖次從0.10次/分至15次/分任意可調(diào)，同時(shí)可大范圍地單獨(dú)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的上提、下放速度，可以實(shí)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(yùn)行的過(guò)程中，同時(shí)對(duì)伺服控制器的狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)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(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、運(yùn)算、記錄，可方便進(jìn)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(chǎng)采用的三相異步電機(jī)簡(jiǎn)單改造，加裝信號(hào)采集器，配以伺服控制器即可形成伺服系統(tǒng)電機(jī)，可大大節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)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(jī)帶載起動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)時(shí)必須有足夠大的扭矩才能起動(dòng)抽油機(jī)，當(dāng)抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于起動(dòng)時(shí)的扭矩。試驗(yàn)證明，抽油機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)輸出扭矩為電機(jī)額定扭矩的30%左右，偏高的電機(jī)選型造成了“大馬拉小車”現(xiàn)狀。

伺服電機(jī)抽油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，利用力矩控制系統(tǒng)，精確控制轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的三倍左右，電機(jī)功率選型可進(jìn)一步降低。當(dāng)抽油機(jī)啟動(dòng)后，力矩跟隨速度控制系統(tǒng)，可根據(jù)排采井實(shí)際工況，選取適當(dāng)?shù)牧兀瑥亩M(jìn)一步確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度。通過(guò)力矩跟隨，配合抽油機(jī)的平衡塊儲(chǔ)能，從根本上解決了抽油機(jī)下行時(shí)抽油機(jī)反拖電動(dòng)機(jī)發(fā)電的現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)效率。表1為不同電機(jī)與選井情況的統(tǒng)計(jì)。

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

3.1.1 W25平臺(tái)應(yīng)用

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

上述12口井工況基本相近，井下負(fù)荷差別不大，經(jīng)過(guò)前期應(yīng)用，對(duì)用電量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：1）4口井15 kW調(diào)速電機(jī)平均單井日用電量76.1～85.6度；2）4口井11 kW調(diào)頻電機(jī)平均單井日用電量8.4～13.1度；3）4口井7.5 kW伺服電機(jī)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(jī)更換為7.5 kW伺服電機(jī)后平均日用電量由13.1度降到9.6度，節(jié)電達(dá)到30%（圖3）。

圖3 不同電機(jī)日耗電量情況對(duì)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(yán)重，井下負(fù)載大，能耗極高，2014年11月該井嘗試更換18.5 kW伺服電機(jī)，通過(guò)調(diào)試，目前該電機(jī)運(yùn)行正常，能耗得到明顯降低（表2）。

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

3.2 現(xiàn)場(chǎng)控制能力分析

目前現(xiàn)場(chǎng)普遍存在低液量井流壓控制難的問題，以現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用的調(diào)頻電機(jī)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(jì)，目前工區(qū)萬(wàn)寶山產(chǎn)建新井平均日產(chǎn)液量?jī)H為0.8 m3左右，產(chǎn)氣后液量會(huì)進(jìn)一步降低，部分井日產(chǎn)液量低于0.3 m3，以目前的電機(jī)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(jī)前后參數(shù)變化對(duì)比Table 2 Parameter contrast before and after replace of servo motor of well Y8

表3 W122、W123平臺(tái)機(jī)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(jī)可以克服低轉(zhuǎn)速下的扭矩偏高的問題，根據(jù)對(duì)安裝伺服電機(jī)的Y3-38-46進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)沖次下調(diào)至0.04次/min左右時(shí)，機(jī)抽系統(tǒng)仍運(yùn)行正常，沖次可調(diào)范圍大大擴(kuò)展，這在很大程度上，能夠解決現(xiàn)場(chǎng)低液量井流壓控制難的問題。

對(duì)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(jī)時(shí)，低轉(zhuǎn)速、高載荷導(dǎo)致沖次下調(diào)空間進(jìn)一步被壓縮，以W122、W123平臺(tái)的部分井為例。

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

此外，伺服電機(jī)控制器還可實(shí)現(xiàn)自定義間抽功能，定時(shí)啟停抽油機(jī)。目前現(xiàn)場(chǎng)部分低液量需間抽井一般為人為啟停，一次停抽時(shí)間偏長(zhǎng)，會(huì)造成流壓較大幅度的波動(dòng)，通過(guò)設(shè)置伺服控制器的啟停時(shí)段，可實(shí)現(xiàn)間抽時(shí)段間隔的分散化，既方便現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，排采過(guò)程要求連續(xù)、平穩(wěn)、緩慢。因此，節(jié)能降耗和排采精細(xì)控制是煤層氣排采管理的重點(diǎn)。伺服電機(jī)因其節(jié)能性和控制靈活性，在現(xiàn)場(chǎng)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(jī)抽體系能耗優(yōu)化已迫在眉睫，伺服電機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)選型提供了更加多元化的選擇，并具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在延川南乃至整個(gè)煤層氣行業(yè)中，其應(yīng)用、推廣前景廣闊。

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[2]劉景濤，梁立移，孫順東.游梁式抽油機(jī)在煤層氣開采中的應(yīng)用與改進(jìn)[J].中國(guó)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(jī)選型因素的分析研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（增刊）：76-77.

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（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。