闭环控制型螺杆泵采油系统应用研究

摘 要：针对低渗透油田油井生产过程中地层供液能力的动态变化，为确保高效开采和泵位于高效工作区内运转，利用转速—扭矩传感器、变频控制技术、无级调速电机、恒液面控制技术和智能控制技术等设备和技术，组成闭环控制型螺杆泵采油系统。系统通过对光杆转速和扭矩的实时测量，进而调整无级调速电机的转速，实现对泵沉没度的控制，达到提高系统效率的目的。

关键词：螺杆泵 沉没度 闭环控制

中图分类号：TE933.3 文献标识码：A 文章编号：1007—3973（2012）009—050—02

随着螺杆泵在油田的推广应用，特别是低渗透油田，由于油井开采过程中地层供液能力的动态变化，导致螺杆泵的沉没度发生改变。沉没度是影响螺杆泵采油系统效率的一个关键参数，沉没度过高，供大于求，油井生产能力得不到很好的发挥，降低了开采效率；沉没度过低，抽油系统工况变差，使泵效降低。

1 系统组成

闭环控制型螺杆泵采油系统是在普通地面驱动螺杆泵采油系统的技术基础上，结合转速—扭矩传感器、变频控制技术、无级调速电机、恒液面控制技术和智能控制技术等设备和技术，组成了闭环控制型螺杆泵采油系统，其系统组成及其工作原理如图1所示。

（1）实时检测系统：通过光杆转速—扭矩传感器实时测量光杆转速与扭矩值，并经过信号调理和A/D转换，传输给智能控制系统。

（2）变频调速控制系统：主要由变频控制系统（由变频器、主控电路和辅助电路组成）和无级调速电机组成，变频控制系统通过接受智能控制系统送出的控制信号（频率信号），并转换为无级调速电动机所需要的电压、电流信号，实现对无级电机的转速控制。

（3）智能控制系统：主要由单片机、可编程控制器（PLC）、动液面高度计算软件、频率计算软件、专家系统和报警系统等部分组成，通过单片机将采集的转速、扭矩信号送至控制器，通过软件得动液面高度和泵沉没度的实时值，与设定值作比较，将差值模拟量输入到PLC，得到输出控制量（频率），并传输给变频调速控制系统，完成信号的处理和反馈。

2 工作原理

闭环控制型螺杆泵采油系统通过实时检测系统实时测得光杆转速—扭矩值，传输给智能控制系统计算出实时动液面的高度和泵的沉没度值，同螺杆泵位于高效工作区的生产参数作比较，若泵沉没度升高超出泵高效工作区，则智能控制系统输出变频信号增加，使变频控制系统控制无级电机增速，加大螺杆泵的排液量，降低动液面高度，使泵沉没度回落到高效工作区内；反之，泵沉没度较低，降低变频控制系统的输出频率，使无级电机减速，减小螺杆泵的排液量，动液面高度回升，使泵沉没度回升到高效工作区内；智能控制系统根据实时计算动液面高度，通过增减螺杆泵的排液量，使螺杆泵位于高效工作区内运转。

3 系统理论研究

3.1 选泵与单井设计技术

根据油井实际工作参数，对螺杆泵工作特性曲线进行数值模拟，并确定螺杆泵位于高效工作区Ⅱ区的工作参数，系统效率与扬程之间关系为：

3.2 恒液面控制技术

通过光杆转速—扭矩传感器，实时测量转速和扭矩，可以换算得到油套环空内动液面的高度，其公式为：

式中：lt为液面高度，Qr为泵实际排量，M为螺杆泵地面驱动扭矩，其它字母含义详见文献[2]。

通过动液面高度与泵沉没度的转换，结合公式（1）可得，泵沉没度与泵排量及转矩之间的函数关系为：Lp=f（Qr，M）。

3.3 变频无级调参驱动技术

为了确保螺杆泵在一定的转速下运行，可以通过调节变频器的输出频率，使无级电机的转速得到控制。螺杆泵每旋转一周的理论排量为q（m3/r），则每日实际排量为Qr（m3/d）计算公式为：

式中：n为螺杆泵的转速，r/min。

根据公式（3）可得，泵排量与转速之间的函数关系为：Qr =f（n）。

因此，得到螺杆泵系统效率、沉没度与转速及扭矩之间的函数关系为：

公式表明，可以通过对光杆转速和扭矩测量和调整，实现对螺杆泵采油系统的泵效和沉没度的控制。

4 现场应用

通过进行5口地面驱动螺杆泵井应用试验，测试闭环控制型螺杆泵采油系统的可靠性，现场数据如表1所示。

投产初期，由于下泵作业前进行了洗井作业，所测得的转速和扭矩较大，变频器工作频率较高，产液量较大，说明泵沉没度较高；随后，转速和扭矩逐渐变小，变频器工作频率降低，产液量下降，说明泵沉没度下降；最后直至转速稳定，扭矩在一定的范围内波动，变频器频率也在一定的范围内工作，说明泵沉没度基本稳定，并达到初始设定值。

5 结论

（1）实时检测系统、变频调速控制系统和智能控制系统为闭环控制系统的实现提供了科学依据。

（2）闭环控制型螺杆泵采油系统通过对光杆转速和扭矩实时测量，实现了对泵沉没度的闭环控制，确保了泵位于高效工作区内运转和油井的高效开采，具有推广应用价值。

参考文献：

[1] 郁文正，陈楚和.浅谈采油螺杆泵与油井的匹配问题[J].石油机械，2000，28（1）：25—27.

[2] 罗敏，张晓龙，王世永等.地面驱动螺杆泵恒液面控制方法[J].石油钻采工艺，2006，28（3）：53—55.

[3] 周勇，靳海鹏，马海骄.变频器在地面驱动螺杆泵中的应用[J].石油学报，2003，24（6）：94—97.