潜油电泵采油工艺中变频技术应用效果分析

张宝柱

（大庆油田力神泵业有限公司，黑龙江 大庆 163000）

近年来，我国潜油电泵采油工艺发展较快，据相关资料统计，目前，潜油电泵井约占机采井总数的15%，还有继续增长的趋势，已成为油田尤其是开采多年油田提高采收率、降低成本的重要采油方式。各油田潜油电泵电机功率普遍在37～75kW，泵挂深度在1000～2000m之间；受油井管径限制，电缆截面不能过大，因此，一般选用三相异步电机，额定电压在660～2000V之间。由于潜油电泵位于1000m以上的井下，工作环境恶劣，诸如高温高压、强腐蚀等，同时地质因素、供电系统电压波动等均对传统的工频、全压供电方式造成了影响，使其频繁出现故障降低泵机组寿命，还会使能耗大幅升高、效率大幅降低，无法自动调整泵进出口参数，导致其不能在最佳工况下运转。变频技术的出现，与潜油电泵系统相结合，通过改进其控制系统，可实现降低运转能耗、提高采收率的效果。

1 潜油电泵传统供电方式下常见问题

（1）不论是全压还是工频起动，起动电流均过大，会产生巨大的冲击扭矩，对泵硬件系统会造成较大损害，且停泵时，系统电缆或电机电缆头会产生电力反冲击，造成能耗损失的同时，也会影响电机、电缆等的使用寿命。

（2）如果系统采用工频运行，因不同深度油层的压力不同，井液的流速就无法控制，可能裹携大量泥沙造成沙卡、沙堵，进而导致潜油电泵故障，甚至报废；或出现井液含水量过大，造成水淹事故。

（3）如果系统内无稳压系统，由于电网内负荷不平衡、非线性及冲击性的存在，会造成供电系统电压波动过大。电压高时，产生的扭矩就大，对潜油电泵的连接系统损害就大，同时，引起泵转速高，流量大于正常值，温度降低；电压低时，产生的扭矩就小，会降低转速，甚至运转困难，泵效大幅降低，同时，引起系统温度升高，造成绝缘层老化，引发事故。

（4）油田电网位于供电线路末端，受上游用户影响，电压稳定性较差，功率因数较低，造成潜油电泵系统效率低下。

（5）工频运转时，泵系统排量一定，无法根据井液动液面——也就是井内液面高低调整泵的排量，需人为进行干预，效率低下。

（6）潜油电泵系统是油电高能耗设备，工频运转时，往往无法根据不同时期油井产量更换泵系统，经常出现“大马拉小车现象”，造成能源浪费。无论从潜油电泵的起动过程中对机械部分的损害，还是从能耗的角度来说，将变频技术引入该系统是大势所趋。

2 潜油电泵变频控制系统的设置

2．1 技术工作原理

潜油电泵变频控制系统主要是在电压不变的情况下调整频率，进而调整机械部分的转速，以适应荷载的变化，电源频率与泵转速可用下式表示：

式中，n表示转速，转/分；f表示频率，赫兹；S表示转差率，%；P表示极对数，个。

根据式（1），异步电机的转差率（电机机械转速与同步转速之差与同步转速的比值）在很小范围内波动，变化不大，同时，极对数为常数，因此，潜油电泵的转速与控制电源的频率近似成正比关系。

2．2 变频控制系统的组成

潜油电泵变频控制系统主要由变频器单元、波形处理单元、保护及控制单位三部分组成，如图1所示。

图1 潜油电泵变频控制系统原理图

2．3 主要电路设计

（1）主电路。目前，油田潜油电泵变频器主电路一般有两种形式，两电平电路和三电平电路。三电平电路输出的电压波形和两电平一样均为矩形，但其脉冲值是两电平电路的一半，能大幅降低电压变化率dU/dt，从而有效减少绝缘和谐波现象出现，使波形更接近于正弦，这一特点，彻底杜绝了很多问题，如辐射及传导干扰问题、因器件换流引起的绝缘系统冲击问题、电泵轴承腐蚀问题等。三电平变频主电路原理图如图2。

图2 三电平变频主电路原理图

（2）控制电路。控制电路由单片机采集接收电机的电流、电压、频率变化引起的反馈信号，实时监测系统的运行状态，控制系统的运行方式。控制电路通过U/f方式控制主电路，频率发生改变，变频系统的输出电压会在一定宽度范围内变化，调整电机转速，提高其运行效率。

（3）保护电路。保护电路主要有6个部分，主要功能如下：稳定系统电压、瞬时过电电流保护、接地保护、断电保护、风机监测等，保护电路能有效降低电泵系统的故障率，延长其使用寿命，节约运行成本。

3 潜油电泵变频调速驱动的功能特点

3．1 电泵系统的软启动

电泵系统在变频模式下起动时，由于频率的变化平稳，可消除电流对电机的冲击，减小反电势对绝缘层的作用，对电缆、电机等起到良好的保护作用。

3．2 稳定系统电压

潜油电泵泵挂深度普遍在1100～3000m，井下电缆长导致压降大，同时，由于用电周期及传输原因电网电压波动大，井下温度、压力高，环境复杂，会导致电力系统及机械系统出现故障；增加变频装置后，可以根据实际参数自动控制电泵的输入电压，通过稳压、降频来解决常见的超压、欠压问题，以保障电泵系统稳定运行。

3．3 可智能控制、节能及降低故障率

根据参数实现闭环自动控制，通过频率的调节控制油压，调节油井出油量，使其在最佳工况下工作，达到节能的效果，避免了电泵长期高压运转出现故障，实现贫油井的连续作业及富油井的增产，有效减少卡泵、气锁、结垢、结蜡等现象。

3．4 延长电泵系统的寿命周期

变频技术的应用可使电泵在最佳工况下运转，有效降低了机械部件的磨损及系统的发热，增加了密封件及防腐结构的使用寿命，因此，可以大幅延长电泵系统的寿命周期。

4 潜油电泵变频技术在某作业区的应用

大庆油田外围采油厂某作业区共有油井426口，其中潜油电泵井123口，所占比率为28.9%，所产原油约占总产量的50%，截至目前，所有潜油电泵井均已完成变频技术改造。经过对2年现场实际数据统计分析得出，潜油电泵系统的保护功能大大提高，如缺相、过流、短路、过压、过热，免修期从平均140天延长至平均220天；与变频系统安装前对比，单井产液量平均降低3.8T，产油量平均降低0.4T，电流平均下降8.1A，功率因数从平均0.72提高至平均0.89。

5 结语

事实证明，变频技术在潜油电泵采油系统中的应用，在外围采油厂取得了明显的节能效果，节约了维修保养费用，大大降低了采油成本，保护了油田环境，研发变频调速技术在潜油电泵采油系统推广具有广阔的市场前景。