螺桿泵開關(guān)磁阻地面直驅(qū)裝置

閆寒 張麗（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

目前，油田上的地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)采用三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。應(yīng)用三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的螺桿泵采油系統(tǒng)，由于存在皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)及齒輪減速系統(tǒng)，不但維護(hù)費(fèi)用較高，而且傳動(dòng)效率較低。應(yīng)用永磁電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的螺桿泵采油系統(tǒng)采用永磁體鐵芯，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)退磁，發(fā)熱量大；且隨著永磁材料價(jià)格攀升，制造成本大幅上升，該系統(tǒng)的性價(jià)比隨之降低[1-4]。

針對(duì)上述問題，提出了研究開關(guān)磁阻直驅(qū)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)思路，優(yōu)選高效成熟的電動(dòng)機(jī)技術(shù)；它具有傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好，沒有永磁體，沒有退磁風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)熱低等優(yōu)勢(shì)。

1 螺桿泵開關(guān)磁阻地面直驅(qū)裝置的組成

螺桿泵開關(guān)磁阻地面驅(qū)動(dòng)裝置如圖1 所示。

1）立式開關(guān)磁阻直驅(qū)電動(dòng)機(jī)：采用常規(guī)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)技術(shù)，技術(shù)成熟且電動(dòng)機(jī)效率高?？紤]到直驅(qū)電動(dòng)機(jī)軸向承載軸承的冷卻問題，設(shè)計(jì)了1個(gè)2.5 kg 左右的冷卻油箱對(duì)承載軸承進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。將該電動(dòng)機(jī)立式直接安裝于井口，減少了故障點(diǎn)，減少了減速系統(tǒng)過程損耗，運(yùn)行平穩(wěn)。

2）延時(shí)軟啟動(dòng)、停機(jī)防抽空變頻控制器：利用變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)立式開關(guān)磁阻直驅(qū)電動(dòng)機(jī)延時(shí)軟啟動(dòng)，軟停機(jī)；防抽空控制功能配備電參數(shù)分析裝置，根據(jù)功率、扭矩變化的大小自動(dòng)反映螺桿泵井工作狀態(tài)，在供液嚴(yán)重不足的情況下及時(shí)調(diào)整工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

圖1 螺桿泵開關(guān)磁阻地面驅(qū)動(dòng)裝置示意圖

3）螺桿泵抽油桿電氣反轉(zhuǎn)控制功能：當(dāng)手動(dòng)停機(jī)或智能控制器對(duì)電動(dòng)機(jī)施加保護(hù)停機(jī)時(shí)電氣反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)開始工作；電磁牽制防反轉(zhuǎn)控制軟件不斷對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)反轉(zhuǎn)立即對(duì)反轉(zhuǎn)的速度及角度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算制動(dòng)需要的強(qiáng)度，然后施加制動(dòng)力。隨著電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)速度的不斷降低，制動(dòng)力也不斷降低，直至停機(jī)。

4）研發(fā)的開關(guān)磁阻地面直驅(qū)電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下所述：

◇電動(dòng)機(jī)繞組相數(shù)3 相，額定功率22 kW，額定轉(zhuǎn)速200 r/min；

◇適應(yīng)的環(huán)境溫度-30～30 ℃，防爆等級(jí)F級(jí)，變頻調(diào)速范圍在50～200 r/min 之間；

◇抽油桿反轉(zhuǎn)電磁制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)間20～200 s可調(diào)；

◇軸向承載軸承額定載荷25 t。

2 實(shí)驗(yàn)室傳動(dòng)效率測(cè)試

2.1 測(cè)試原則

為了對(duì)比開關(guān)磁阻螺桿泵直驅(qū)驅(qū)動(dòng)與目前油田廣泛采用的其他螺桿泵驅(qū)動(dòng)設(shè)備性能上的不同[5-7]，按輸入-輸出法選取了3 種設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)在額定電壓和額定轉(zhuǎn)速下，按軸向負(fù)荷100%，額定扭矩25%、50%、75%、100%、125%加載，測(cè)算裝置的傳動(dòng)效率。

2.2 測(cè)試結(jié)果

如圖2 所示，當(dāng)扭矩范圍在200～800 Nm 之間時(shí)，開關(guān)磁阻直驅(qū)傳動(dòng)效率為74%～78.8%，異步直驅(qū)傳動(dòng)效率為45%～49.4%，普驅(qū)為38%～57%。

圖2 60 r/min 條件下的扭矩-傳動(dòng)效率曲線

如圖3 所示，當(dāng)扭矩范圍在100～800 Nm 之間時(shí)，開關(guān)磁阻直驅(qū)傳動(dòng)效率為70%～81.79%，異步直驅(qū)傳動(dòng)效率為46%～58.5%，普驅(qū)為28%～60%。

如圖4 所示，當(dāng)扭矩范圍在200～800 Nm 之間時(shí)，開關(guān)磁阻直驅(qū)傳動(dòng)效率為76%～85%，異步直驅(qū)傳動(dòng)效率為57%～67%，普驅(qū)為43%～60%。

圖3 90 r/min 條件下的扭矩-傳動(dòng)效率曲線

圖4 150 r/min 條件下的扭矩-傳動(dòng)效率曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2014年3月，4 臺(tái)樣機(jī)投入了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。經(jīng)過近1年的運(yùn)行檢驗(yàn)表明，樣機(jī)運(yùn)行噪音偏大，但整機(jī)震動(dòng)小平穩(wěn)可靠，啟停機(jī)沖擊小。抽油桿防反轉(zhuǎn)制動(dòng)器滿足了螺桿泵停機(jī)后扭矩的平穩(wěn)釋放。年內(nèi)不需維護(hù)，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用。

該裝置與永磁直驅(qū)裝置相似，與普通驅(qū)動(dòng)相比減少了減速中間環(huán)節(jié)，減小了能量損失，有效降低裝機(jī)功率。同時(shí)還分別與常規(guī)地面驅(qū)動(dòng)裝置及永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行了前后對(duì)比測(cè)試，與常規(guī)配置電動(dòng)機(jī)相比，節(jié)電15%以上；與永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)對(duì)比，耗電量基本相同。4 口井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果見表1。

4 結(jié)論

1）螺桿泵開關(guān)磁阻地面直驅(qū)裝置傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好；電動(dòng)機(jī)沒有永磁體，沒有退磁風(fēng)險(xiǎn)；價(jià)格穩(wěn)定。

表1 螺桿泵開關(guān)磁阻地面直驅(qū)裝置應(yīng)用效果

2）開關(guān)磁阻地面直驅(qū)電動(dòng)機(jī)為3 相低速開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)力矩大，能很好地滿足螺桿泵啟動(dòng)高扭矩的特性要求?；陂_關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、變頻控制成熟技術(shù)開發(fā)的螺桿泵開關(guān)磁阻地面直驅(qū)裝置可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定，震動(dòng)低。

3）能耗與傳統(tǒng)永磁直驅(qū)驅(qū)動(dòng)基本相同，能解決退磁問題，可應(yīng)用于普驅(qū)轉(zhuǎn)直驅(qū)的節(jié)能工藝實(shí)施。

[1]鐘啟剛,劉合,鄒野,等.大慶鉆井技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2009,28(5):180-185．

[2]韓修廷,王秀玲,焦振強(qiáng).螺桿泵采油原理及其應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1998:76-88．

[3]劉合,閏建文,薛鳳云,等.大慶油田特高含水期采油工程研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2004,23(6):65-67.

[4]張軍,付旭東,劉玉強(qiáng),等.中深井螺桿泵采油工藝的精細(xì)管理[J].石油鉆采工藝,2009,22(12):17-20.

[5]師國臣,張佳民,魏紀(jì)德,等.大慶油田高效舉升與節(jié)能技術(shù)的新發(fā)展[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2009,28(5):246-257.

[6]張洪森,趙煒,李發(fā)榮.螺桿泵應(yīng)用發(fā)展14年[J].國外油田工程,2004,20(4):12-15.

[7]張連山.國外螺桿泵采油系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].國外石油機(jī)械,1997,13(10):8-10.