吉林油田螺杆泵井直驱大伺服系统试验与应用

2014-03-18卢玉峰教育部提高油气采收率重点实验室东北石油大学黑龙江大庆163318中石油吉林油田分公司扶余采油厂吉林松原138001

石油天然气学报 2014年10期

关键词：产液螺杆泵伺服系统

卢玉峰（教育部提高油气采收率重点实验室（东北石油大学），黑龙江大庆163318 中石油吉林油田分公司扶余采油厂，吉林松原138001）

姚宝春，李雷，张德义

景伟，杨永峰，宋成立（中石油吉林油田分公司扶余采油厂，吉林松原138001）

1 常规螺杆泵驱动装置存在问题

1.1 设备故障率高，效率偏低

常规螺杆泵驱动装置存在减速器、皮带等易损坏配件，生产维护费用较高；理论上常规螺杆泵地面驱动效率为72%。

1.2 噪声大，存在安全隐患

常规螺杆泵驱动装置传动机构轴承多，在运转的时候会发出一定的噪声，防反转装置通常采用棘轮棘爪设计，在低转速的情况下棘爪旋转产生的离心力不足以克服弹簧弹力，棘爪在棘爪盘上摩擦即加快了防反转机构的磨损，同时又产生了相当大的噪声，不适合在城区井应用。常规螺杆泵存在传动部分外露，虽然皮带轮加装护罩，能降低发生危险的可能，但不能完全避免，同时当防反转装置失灵后存在皮带轮飞出的安全隐患。

2 螺杆泵直驱大伺服系统组成及工作原理

2.1 系统组成

系统由碟式直驱电机、电机伺服器、光杆载荷传感器、中控计算机组成，见图1。

2.2 工作原理及技术特点

螺杆泵直驱大伺服系统主要动力设备是碟式电机，该电机的类型是一种稀土永磁同步电机，由于电机设计空间布置更符合直驱电机定转子组件分布，提升了同等空间的电机的扭矩输出，较常规稀土电机效率可提升2%～3%；由于其轴向尺寸更小，便于管理。

图1 螺杆泵直驱大伺服系统构成图

直驱电机的伺服控制：根据电机输出端负载的变化自动调整与控制电机输入参数，以达到满足输出力矩与提高电机效率的目的。为了保障整个螺杆泵抽油系统工况合理与系统效率的提高，引入了能控制整个螺杆泵采油井的 “大伺服”概念，即建立螺杆泵采油井智能工况监控与管理系统，实现了可以通过对生产井运行参数的自动测试、无线远传与中控计算机的实时监控，根据监控数据自动计算油井动液面、泵效、产量等。

螺杆泵井直驱伺服控制与常规螺杆泵井变频器控制都是通过改变电机的频率实现螺杆泵井转速的控制，其主要区别是伺服控制能通过接收油井动液面、产量变化引起的光杆载荷和扭矩变化信息，这些信息再反馈到中控计算机，经过预定程序的处理，将合理的运行参数指令发送到伺服控制器中，伺服控制器可以根据转速调整指令使设备在最经济合理的转速下运行，达到能耗最低。而变频器控制转速只能单向执行外部命令，不能实现转速的合理自动调整，因此螺杆泵直驱伺服控制系统的技术关键是监测数据（动液面的判断和产量估算）的准确性以及控制系统指令的科学性。

3 螺杆泵直驱大伺服系统动液面监测和求产原理

3.1 通过井口监测数据计算动液面的原理

理论影响螺杆泵光杆载荷的主要因素是动液面、油套压、油井生产数据、泵参数、原油物性参数等，对目标井来说油井生产数据、泵参数、原油物性参数均为可获得已知量。通过测得的光杆载荷、油套压由反函数推导计算得到油井的动液面。

3.2 通过井口监测数据自动求产的原理

油井泵效ηp的理论计算采用：

式中：ηp为油井泵效，1；ηv为考虑泵漏失影响（影响因素有泵临界压差、泵工作压差等）的泵效，1；ηg为考虑气体影响（分为自由气影响泵效和溶解气影响泵效）的泵效，1；ημ为液体流动性影响（影响因素有原油黏度、含水率、沉没度、转速等）的泵效，1。

由采油工艺原理，泵效为：

式中：Q为泵的实测排量，m3／d；Q0为泵的理论排量，m3／d，n为泵的转速，r／min；q为泵的排量，mL／r。

因此可以通过计算动液面数值，结合油井转速、油套压等参数先计算泵效，再根据泵理论排量推算油井当前产量。当油井在出现漏失等泵效不正常工况下，可先由井口监测数据计算动液面，然后通过拟合流入动态曲线及采液指数，计算产量。

3.3 动液面监测与自动求产数据的校核

通过井口监测数据来推算动液面与产液量时，当井下工况变化较大时，会使参与计算的一些参数发生变化，从而影响计算结果的精确度，所以还需要定期根据实测的液量与液面来校对并修正计算公式中的参数，日常管理中只需当监测载荷、扭矩显著变化时进行实测验证，这样可以大幅降低管理工作量。

由于油井的动液面测量和产量计量是按周期进行，实现这2个参数的监测后可以随时根据油井产量和动液面的变化进行油井生产工况诊断，及时发现不正常井，同时也可以根据产量和动液面的变化趋势动态调整螺杆泵转速，发挥油井生产能力。当供液能力增加、液面上升时，调大转速提升产量；当供液能力不足、液面下降时，调小转速提高泵效，减少能耗；从而实现螺杆泵科学管理增产提效。

目前油井单井产液量计量主要采取用较短时间计量产量结果来推算全天的产量，存在的缺陷是计量时间短，测量结果往往不能代表全天的实际产液水平，尤其是含气量高、间歇出油井，不同时段产液变化非常大，计量结果的误差会非常大。应用该技术后可以根据油井每个时段生产参数进行计算并累加得到全天产液量，得出的结果会更加及时准确，更接近油井的真实产液量。