低产能抽油机井降冲次节能技术研究

管 菲

（中国石化中原油田分公司采油四厂，河南 濮阳 457000）

一、概述

油田开发中后期，因低产能、低产液井的大量增加，抽油机冲次只需2～4冲次/min就能满足生产需要，而原来是4～8冲次/min，过剩的抽油机冲次造成电能浪费和机械磨损增加。

抽油机的冲次与电机转速、主动带轮(电机带轮)直径成正比，与减速箱速比、从动带轮(抽油机大带轮)直径成反比。

为实现降冲次的目的，根据电机变极调速原理，通过改变接线方式，采用绕组电流换向法，研制380V与1 140V两个系列共14种低速及双速抽油机电机，满足了这部分井的生产需求，为抽油机井精细化调参提供了保障。

二、研究内容

1.变极调速与其他电机调速技术相比

电机调速方式主要有5种，如表1所示，其中变极、串极、变频调速均属于节电效果较好的高效调速，但串级调速只适用于绕线转子，不适用于普通Y系列的鼠笼式电机，而变极调速降冲次为台阶性降冲次，变频降冲次为无级连续性降冲次，变极调速虽然不如变频技术调参精细，但能满足生产要求，且结构和控制简单便于维修和操作，经济性好。

表1 电机调速方法综合性能比较表

2.电机变极调速与机械减速相比

在低产能抽油机井生产现场，常用的机械降冲次技术有2种。一种在主动带轮与被动带轮间再增加一级齿轮传动降冲次。另一种是在主动带轮与被动带轮间增加一组不同直径的带轮降冲次。增加一级减速箱，传动效率降低5%；增加一级皮带传动，传动效率降低6%。而用电机直接降速，12极低速电机与8极电机相比，效率降低1%，16极电机与8极电机相比，效率降低2%，用电机实现降冲次，节能成本低，便于维修和操作。

3.低速及双速电机变极调速

(1)变极调速原理。

Y系列笼型电动机，在电源频率f恒定条件下，由公式可知定子绕组磁场极对数p，就可以改变转子转速n。

式中：f——电源频率；

p——磁极对数；

n1——电机同步转速，可从电机转速取整数后获得。

(2)变极方法。

交流电机定子绕组磁动势的极对数取决于绕组中电流的方向，将绕组按不同的排列连接，改变电流方向，能够改变极对数p，获得10、12、14、16极低速电机，倍极比(如6/12极，8/16极)双速电机及非倍极比(如8/12极)的双速电机。这里仅以倍极比Y280M6/12极双速电机为例进行说明。

采用反向法改造Y280M-6型电机，原理如图1所示。

图1 6/12变极原理示意图

图中U相绕组包含6个极相组①～⑥，V相和W相的12个极相组未画出。按图1(a)接线，电流方向由4到1、2，产生的磁极是6极，按图1(b)接线，电流方向由1到2，产生的磁极是12极。比较可知，极数加倍的原因是相绕组的一半电流反了向，即电流方向由相邻绕组的2进2出变为1进1出。

变极绕组采用2Y/△接法，如图2如示。

图2 2Y/△绕组接线图

高速运转时为2Y接法，即原来的6极接法，其异步转速为960r/min；低速运转时为△接法，即新改接的12极接法，其异步转速为480r/min。

△接法比2Y接法时的异步转速降低一半。

绕组排列如表2所示。

由表2和图3的槽电势矢量图可知，6极和12极绕组排列出现反向，使电角度相位差顺序发生变化，6极为顺序，12极为逆序，如果电源相序不变，则两种接线下的磁场旋转方向相反。为防止游梁式抽油机曲柄销在反转中退扣，两种极数转向应相同，使用12极时，必须改变相序，即从6极接法变成12极接法时要将3根电源线中任意2根对调。

双速电机变极后，其特性也相应变化，由P=Mn/9.55可知，双速异步电动机两种极数的功率比有以下关系：

表2 Y280M-6/12双速电动机绕组排列

式中：PⅡ、PⅠ——电机两种极数下的不同功率；

MⅡ、MⅠ——电机两种极数下的不同转矩；

nⅡ、nⅠ——电机两种极数下的不同转速。

不同极数时转速n的数量关系是固定的，因此不同极数输出功率的数量关系取决于输出转矩间的数量关系，2种极数的转矩比有以下关系：

式中：pⅡ、pⅠ——电机的两种极对数；

EⅡ、EⅠ——电机两种极数下的相电势；

wⅠ、wⅡ——电机两种极数下的绕组匝数。

极对数比值pⅡ/pⅠ是固定的，相电势比值EⅡ/EⅠ与匝数比值wⅠ/wⅡ都和绕组接法有关，对380V动力电网来说，Y接法时E可约取220V，△接法时E约取380V，对于6极的2Y并联接法，wⅠ取1路的匝数，对于12极的△串联接法，wⅡ取2路的匝数和。因此该电机的性能特点取决于绕组的接法，具体特性见表3。

图3 6/12槽电势图

表3 6极与12极的特性对比

为了简化现场操作，设计了双速电机的高、低速自动控制电路，如图4所示，接通电源QS，按SB1，电机被接成2Y高速运转，按SB3电机停转，按SB2电机被接成△从高速转换为低速运转；反之则从高速转换为低速运转。由于KM1的4、6出线端和KM3的1、3出线端工作时调换了U、W相，故在两种转速下，抽油机都是正转。

三、现场应用案例测试

2012年10月，采油厂委托中原油田技术监测中心对6口使用6/12、8/12极电机的抽油机井进行测试。测试中通过改变电机的“星”或“角”接法，改变电机转速，因井下参数不变，且对两种转速的测试没有时间间隔，所以油井负荷近似不变，测试结果见表4。

测试表明，低速运转平均有功功率5.19kW，高速运转平均有功功率8.41kW，平均单井节电38.29%、约3.22kW。转速降低比例为38.20%。

图4 6/12变极自动控制电路图

表4 电机测试综合报告

根据P=FV可知，在井下参数不变时(负荷近似不变，即F不变)，转速V与功率P成正比关系，实际监测的有功节电率与理论计算的转速降低比例基本吻合。

四、技术经济指标

1.技术指标

抽油机冲次范围从4～8次/min拓宽到了1.9～8次/min。双速电机的高低速转换调冲次，人工可以在瞬间完成，也可以实现自动转换。适用于日产液量低于10t或日产油量低于2t的油井。

2.经济指标

现场应用12极、16极低速及6/12、8/16极双速电机162台。经现场监测，12、16极低速运行状态与6、8极运行状态对比，单井平均有功功率降低3.22kW，年节省电费约合28 207元/kW·h。抽油机用电为6kV以下，中原油田分公司标准综合电价0.763 2元/kW·h，单台年创效21 528元。

五、认识与建议

(1)井下参数不变，也就是井下负载不变，抽油机配套使用低速电机与多速电机，耗电量随冲次变化接近正比关系，符合P=FV基本原理。

(2)低产能井和低产液井配套使用低速及双速电机，节能显著。同时，机械磨损减少，对抽油管线平稳运行有利，可延长其使用寿命、节约作业费用、减少作业占井时间。

(3)双速电机的高低速转换，能在瞬间完成，有利于缩短低产井洗井后的排液时间。

(4)双速电机既可以满足普通油井的生产需要，也可以满足低产能井的生产需要，适应冲次范围比较宽，有利于减小管理成本。

(5)双速电机配套分时调参控制箱，可以在用电低谷与高峰时，运行高低不同的冲次参数，有利于削峰填谷措施的实现，节约电费。

(6)低速电机启动和运行转矩大，适用于稠油井，在负载不平衡时，它运行电流平稳，启动电流小对电网冲击小。