电泵变频技术在油井中的应用

[摘 要]潜油电泵是油田重要的采油设备之一，它以产量高、便于管理，是原油上产的主要增产措施。但潜油电泵在工作中存在着运行寿命短、稳定性差、能耗高、运行效率低、维修费用高等缺点。把变频技术应用于潜油电泵，实现自动控制，根据井下工况，使机组在最佳工作点工作，达到延长机泵使用寿命，提高运行效率，增产节能的效果。

[关键词]潜油电泵；变频技术；研究；应用效果

中图分类号：r197.1 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）16-0229-01

1、前言

在生产中，潜油电泵受到高温、高压、腐蚀、气蚀和地层能量等井下工况的影响，加上地面供电系统电压波动较大和机组本身匹配性较差，造成机泵运行寿命短、泵效低、能耗高、无法自动控制井下液位及压力，使电泵机组不能在最佳状态下运行，在一定程度上已经成为制约油田经济效益的重要因素之一。但随着自动控制、电子新技术结合变频技术对潜油电泵的控制系统进行改进，可以提高其生产效率，实现节约能源、减少维修费用的功效。

2、潜油电泵变频器设计方案

近年来，交流变频技术在调频范围、动态响应、调速精度、低频转矩、转差补偿、智能控制等方面较以往的交流调速方式发展较快，其主要设备具有体积小、通用性强、使用领域广、保护功能完善、可靠性强、节能效果好、操作简便等优点。

2.1 变频调速器工作原理

异步电动机的转速与供电电源的频率成正比，其关系式为：n=60f（1-s）/p

式中：n---异步电动机转速，r/min；s——转差率，%；f----频率，hz；p----极对数，个。

由以上关系式看出，由于转差率s变化不大，电动机的转速n与供电频率f成正比。因而可以通过改变供电电源的频率，从而改变电机的转速。

2.2 潜油电泵控制系统的组成

潜油电泵变频控制系统由变频器、保护及控制单元、波形处理单元组成（见图1）。

3、潜油电泵变频器在电泵控制方面的功能

3.1 软启动功能

变频器在工作状态下，在启动时间内，随着频率的逐渐递增，缓慢、平稳的启动电动机。在整个软启动过程中，不存在工频启动电机时的大电流、高电压冲击现象，有效的保护了井下电机和电缆。

3.2 稳压保护功能

由于电泵井的泵挂普遍较深，动力电缆线路压降较大，加上电网电压的波动和异常，以及井底高温高压环境，极易烧毁电机和导致机械故障。变频器可自动控制输向电机的端电压。如发生过电压时，变频器可自动稳压处理；发生前电压时，变频器可自动沿v/f曲线降频处理，始终能保持电机工作在正常电压励磁状态，从而减少井下机组的故障次数。

3.3 软失速功能

当井下电泵发生卡泵时，工频供电会瞬时加大电机转矩电流，如不能解卡，则会导致电机故障。变频器的软失速功能可以控制机组转矩不超过额定水平，并且可以在变频器上进行反转电机操作，反转吐砂，确保电泵机组正常运转。

3.4 控制功能

（1）手动控制。在地面上可人为手动控制变频器输出频率输出范围，从而控制电机转速、电泵排量，达到正常生产、节约能源的目的。

（2）转矩电流控制。使用转矩电流控制可以控制电泵井液面。其原理见图 h为井深，h2为液面高度，则井液提升高度为h1=h-h2。当h2减少时，电机提升井液的高度h1会增加，电机转矩电流也会相应增加，利用转矩电流可构成闭环控制，使电机转速减慢，电泵排量降低，h2逐步恢复原有水平，达到平衡。

（3）间歇控制。对液面较深、供液能力差的井，利用高、低频供电自动循环方式，给电机供电；在电泵井液面较深时，电机低速运行，电泵井能逐步恢复液面，并节约大量电能。当电泵井液面上升到一定高度时，电机高速运转，电泵井正常生产排液，达到电泵井不停井运行的目的。

4、潜油电泵变频技术现场应用效果及评价

目前我矿开电泵井83口，占全矿油井生产井数的26.7%，而电泵井产量却占总井产量的53.3%，所以电泵井的正常生产与否，对稳定原油产量起到了至关重要的作用。自2011年始，潜油电泵专用变频器相继在我矿11口电泵井上安装运行，取得了一定的效果，专用变频器具有较完善的保护功能，如：过压、欠压、过流、短路、缺相、温升过高等多种保护；过载能力：150%，1分钟；输出频率2～50hz连续可

调，额定输出电压在电源波动+15%时输出电压波动3%；安装时与原控制屏串接，即控制屏的保护功能和变频器的保护功能同时存在。控制屏的输出为变频器的输入，变频器的输出接下井电缆机组。

我矿目前有7口电潜泵井使用变频器生产，从目前的生产情况来看，运转比较平稳。平均单井液量比安装前降低了8.35吨，平均单井油量比安装前降低了0.8吨，单井电流比安装前平均降低了11.6a，平均单井功率因数提高了22%，平均免修期延长了66天。

5、结论

潜油电泵变频技术是运用现代自控技术、变频调速技术和信息通讯技术，对潜油电泵的控制系统进行改进，提高了潜油电泵系统的运行效率，达到了降本增效的目的，使潜油电泵能更好地为油田服务，具有很高的应用推广价值。