节能保护技术在长庆油田水源井的应用

张 倩，王林平，王 曼，覃 川

(1.长庆油田分公司油气工艺研究院 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710021)

0 问题的提出

截止 2012年 12月底，长庆油田开注水井12 604口，水源井开井1 956口，水源井电耗达到了14 684×104kW·h，能耗呈现逐渐上涨的趋势。水源井系统生产中存在的主要问题有:

(1)水源井能耗较高。有1 956口水源井，年耗电量14 280×104kW·h，且每年以200口井左右的速度递增。随着供水量的调整，电机功率与供水需求不匹配，出现了“大马拉小车”现象，电能浪费较大。

(2)水源井动液面无法实时检测，存在轻载和烧泵现象。目前水源井水位无法实时监测，只能依靠修井时观察，导致潜水泵空抽烧泵和轻载浪费大量电能，同时潜水泵没有保护装置，启动电流过大，易烧泵。上述两种原因约占修井井次的30%左右，维护成本高，现有变频节能技术解决不了潜水泵的空抽和轻载问题，无法根据液位控制潜水泵的启停。

随着电子技术的广泛应用，射频物位检测技术得到了迅猛发展，射频物位仪通过同时检测电容和电阻较好地解决了被介质的挂料测量误差而广泛应用于现代工业生产及过程控制的物位测量［1－5］。

基于以上问题及技术现状，我们研发了水源井节能保护装置。通过在水源井中增加射频导纳液位变送器装置，以及电流信号转换装置获取的水源井中的液位信息，控制潜水泵的启停，应用变频恒压供水技术实现了根据管网压力控制电机转速，实现了潜水泵的节能保护。

1 影响水源井能耗分析

水源井耗能设备主要是就潜水电泵的电机，电机功率的选择主要取决于水源井日产水量、井深，井越深，潜水泵电机扬程越大，日产水量越大，电机功率就越大。针对某一水源井，井深已经确定，因此电机是影响水源井能耗的主要因素。

电机在工作时，分为有功功率和无功功率。异步电机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成［6］。所以要改善异步电机的功率因数就要防止电机的空载运行并尽可能提高负载率。电机负载率小，则电机无功功率较大;反之，则电机无功功率较小。无功功率大，则系统效率低，能耗高。

2 水源井节能保护装置的研发

根据生产和节能需求分析，减少空载和降低电机功率可以有效降低水源井能耗。因此，减少空载需要从监测水位考虑，在潜水泵已经选定的情况下，减低电机功率只能通过增加变频改变，达到节能的目的。通过水位高低的设定控制变频设备的启停，将两项技术集成应用在一起，研发了水源井节能保护装置。并在油田现场进行了应用。

2.1 水位动态监控技术研究

经过调研分析，发现目前国内外监测水位的方法比较多，主要有雷达方法、阻芯体投入式压力传感器、电容式液位变送器测水位等，但监测水位最深能达到150 m，远远不能满足油田水源井液位监测的需要。经过方案比选，选择了可以测900 m深水位的一种射频导纳物位控制技术，即射频导纳技术。

射频导纳技术是一种新型物位测量方法，它能减小或消除由被测导电介质电极挂料的测量误差，是一种从电容式物位控制技术发展起来的，防挂液、更可靠、更准确、适用性更广的物位控制技术，是电容式物位技术的升级［7］。导纳的含义为电学中阻抗的倒数，它由电阻性成分、电容性成分、感性成分综合而成，物位变化时，导纳值相应变化，电路单元将测量导纳值转换成物位信号输出，实现物位测量［8］。

应用射频导纳技术，泵管为电容一个极，井底传感器为一个极，水为电解质。它采用导纳测量方法将介质的阻抗和容抗信息综合在一起，以被测水介质浸没探极的高度变化，反映出频率的变化，经电路转换与之对应的4～20 mA电流信号输出。

图1 水源井水位监控示意图

2.2 变频恒压供水技术研究

2.2.1 恒压供水节能潜力计算

设电动机额定功率为PN，额定转速为nN，转速为n时实际输出功率为P，则节能(功率表示)△P可以表示为

2.2.2 变频恒压供水控制原理

水泵电机是输出环节，转速由恒压供水器控制，实现变流量恒压控制。采用压力传感器检测管网压力，传感器将检测结果传给可编程控制器PLC，经过计算及优化处理后，送出一个水量增加或减少信号，控制潜水泵转速。出水管网的压力信号与PLC管网压力设定信号负反馈闭环［10］。

2.2.3 软启动节能技术实现了潜水泵启动的保护

3 现场试验

根据现场水源井生产情况，选取了长庆采油三厂吴起油田1#、3#、10#三口水源井进行了节能保护装置的现场试验。实现了动态精确检测深水位、根据压力自动无级调整流量、智能保护功能，解决了潜水泵功率偏大、空抽烧泵、能耗高的问题。为巩固节能保护效果，我们又在股份公司节能示范区油房庄油田推广应用了20套，均达到了预期的效果。经过两年时间的运行，保护装置运行正常，应用后检泵井次明显下降。

我们对安装了水源井节能保护装置的电潜泵进行了能耗测试，测试后潜水泵功率因数均达到了0.98，平均综合节电率达到了25%以上，年节电量119.2×104kW·h，年节约电费95.36万元，年减少水源井修井费用46万元，有效降低了常规能源的消耗和水源井运行成本。取得了显著的节能效果。

表1 水源井节能保护装置能耗测试效果表

4 结论与建议

(1)水源井节能保护技术集成应用了射频导纳液位监测、恒压供水、软启动节能技术，实现了动态在线监控水位、根据压力自动无级调整流量、智能保护功能，解决了潜水泵功率偏大、空抽烧泵、能耗高的问题;

(2)应用该节能保护技术后，年节电量119.2× 104kW·h，有效降低了常规能源消耗，减少了二氧化碳排放量，适应长庆油田建设和谐企业、绿色矿山的要求，具有很好的经济效益和社会效益;

(3)该装置适合初期选择潜水泵排量较大的水源井，随着水量调整可应用变频控制装置，减少空载状态，降低电机运行的无功功率，提高电机功率因数，降低电机能耗;

(4)鉴于水源井节能保护技术应用较好的节能效果，建议在油田现场推广应用。

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