伺服电机在延川南煤层气机抽井上的应用

金华，姚荣昌

（中国石化华东分公司非常规资源勘探开发指挥部，山西乡宁042100）

伺服电机在延川南煤层气机抽井上的应用

金华，姚荣昌

（中国石化华东分公司非常规资源勘探开发指挥部，山西乡宁042100）

伺服电机是一种将输入的电压信号转换成轴上的角位移或角速度输出的新型电机，它可实现有控制电压时转子立即旋转、无控制电压时转子立即停转，且可对电机扭矩进行自由控制，从而具有实现节能和精确控制的双重优点。介绍了伺服电机的原理，并对其在延川南煤层气田的应用效果进行对比和分析，针对伺服电机的高启动转矩和宽调速范围的特点，证明其在煤层气开采中具有很好的推广前景。

伺服电机；节能；煤层气；机抽

煤层气又称煤层甲烷气，是在成煤过程中形成并赋存于煤层中的一种非常规的天然气。这种天然气大部分（70%～90%）以吸附状态赋存在煤岩基质中，少量成游离状态存在于煤的割理和其它孔隙、裂隙中，还有少许溶解在煤层水中。煤层气吸附的特性决定了开采煤层气需要降低井底压力，使煤层气脱离吸附，解吸产出，排采煤层水是煤层气开采的必经历程[1]，因此，举升工艺是煤层气井排采的关键因素之一。

延川南煤层气田位于鄂尔多斯盆地东南缘，区块面积700平方千米，区域内主采层位为山西组2#煤，煤层气资源储量达740亿立方米。该区域是中国石化煤层气产建的核心区域，5亿立方米煤层气产建共计划投产排采井超过940口，截至2014年底，已累计完成排采井投产800余口。

延川南工区先后试验使用过螺杆泵、电潜泵、皮带式抽油机、提捞式抽油机等多种举升工艺，通过优选，最终确定以有杆泵机抽体系为主导的举升工艺[2]。目前，延川南工区举升工艺有常规机抽、电潜泵和射流泵三种，其中机抽井达95%以上。抽油机机型为5型、6型、8型和10型机为主，其中5型、6型机占98%（图1），绝大多数采用游梁式抽油机。电机以11kW、15kW调频电机为主，抽油机选型和使用基本合理[3]，但也存在不少“大马拉小车”、低液量井冲次调节控制难等问题。

图1 延川南机抽参数分布图Fig.1 Pumping unit and electric motor parameter distribution of South Yanchuan area

1 伺服电机原理

伺服电机的作用是将输入的电压信号（即控制电压）转换成轴上的角位移或角速度输出，在自动控制系统中常作为执行元件，所以伺服电机又称为执行电动机。其最大特点是：有控制电压时转子立即旋转，无控制电压时转子立即停转。转轴转向和转速是由控制电压的方向和大小决定的。伺服电机主要由电机和伺服控制器组成。

1.1 伺服电机

伺服电机的结构与普通三相交流异步电动机没有什么区别。伺服电机的定子有两相相差120度电角度的交流绕组，分别称为励磁绕组和控制绕组，其转子就是普通的笼型异步电动机的鼠笼绕组[4-5]。图2为交流伺服电动机的接线图和向量图。使用时，励磁绕组接单相交流电，在气隙产生脉振磁场，转子绕组不产生电磁转矩，电动机不工作。当控制绕组接上相位与励磁绕组相差90度电角度的交流电时，电动机的气隙便有旋转磁场产生，转子将产生电磁转矩转动。当控制绕组的控制电压信号撤除后，如果是普通电机，由于转子电阻较小（根据双旋转理论），脉振磁场分解的两个旋转磁场各自产生的机械特性的合成结果是产生的电磁转矩大于零[6]。因此，电机转子仍然保持转动，不能停止。而伺服电机，由于转子电阻大，且大到使发生最大电磁转矩的转差率Sm＞1。脉振磁场分解的两个旋转磁场各自产生的机械特性的合成结果是产生的电磁转矩小于零，也就是产生的电磁转矩是制动转矩，电机将在这个制动转矩作用下将很快停止转动。

1.2 伺服控制器

图2 交流伺服电动机接线图和向量图Fig.2 Wiring diagram and vector diagram of alternating current servomotor

伺服电机的核心为伺服控制系统，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分[5]。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一[5]。伺服控制器内部由专用的32位可编程DSP芯片处理器为核心组成的伺服系统，具备强大的运算能力和复杂的控制算法，配备有高集成的驱动电路，能实现设备的数字化、网络化和智能化；通过电子线路对交流异步电动机进行实时数字检测与跟踪，能精确地检测交流异步电动机工作时的电流、力矩、速度、位置，并匹配输入交流异步电动机所需的电能，从而改善电机的运行条件，降低无效用功，减少电机的发热、振动、噪音和铁磁损耗，节能降耗。

2 伺服电机特点

1）启动转矩大。伺服控制器将电流环、速度、位置环、力矩都闭合进行控制，在零速时伺服器就能使交流步电动机提供200%的轴扭矩，转矩控制精度±5%，最大可提供一分钟300%的额定转矩，低速输出转矩大，更适合满载启动的场合，可大大降低电机选型功率[4]。

2）实现无级调速。伺服控制器可精确地控制电动机的转速，速度的控制精度±0.1%，可根据不同井况选择运行速度，冲次从0.10次/分至15次/分任意可调，同时可大范围地单独调节抽油机的上提、下放速度，可以实现快提慢放、慢提快放、慢提慢放等功能，不仅使冲次可调范围大大增大，对现场进行碰泵、卸载等操作也极为有利。

3）全数字化模式。伺服控制器内部的程序在运行的过程中，同时对伺服控制器的状态、电动机的状态和液位传感器、载荷传感器、流量传感器、压力传感器等反馈的信号进行实时的采集、运算、记录，可方便进行智能化、现代化、数字化油田的建设。

4）改装方便。可直接用现场采用的三相异步电机简单改造，加装信号采集器，配以伺服控制器即可形成伺服系统电机，可大大节约现场使用成本。

3 应用效果分析

3.1 节能效果分析

由于抽油机带载起动，电机起动时必须有足够大的扭矩才能起动抽油机，当抽油机正常运转时，实际扭矩远远小于起动时的扭矩。试验证明，抽油机正常运转时电机输出扭矩为电机额定扭矩的30%左右，偏高的电机选型造成了“大马拉小车”现状。

伺服电机抽油机启动时，利用力矩控制系统，精确控制转矩，最大转矩可达电机额定转矩的三倍左右，电机功率选型可进一步降低。当抽油机启动后，力矩跟随速度控制系统，可根据排采井实际工况，选取适当的力矩，从而进一步确定转动速度。通过力矩跟随，配合抽油机的平衡块储能，从根本上解决了抽油机下行时抽油机反拖电动机发电的现象，提高了系统效率。表1为不同电机与选井情况的统计。

表1 延川南区块节能电机对比选井情况统计Table 1 Offset well selecting situation statistics of energy-saving motor in South Yanchuan block

3.1.1 W25平台应用

为了便于现场对比，前期现场分别选取井深相近、泵径相同的12口井进行了对比试验，其中4口井采用15 kW调速电机，4口井采用11 kW三相变频调速电机，4口井由11 kW调频电机改装为7.5 kW伺服电机。

上述12口井工况基本相近，井下负荷差别不大，经过前期应用，对用电量进行对比，结果如下：1）4口井15 kW调速电机平均单井日用电量76.1～85.6度；2）4口井11 kW调频电机平均单井日用电量8.4～13.1度；3）4口井7.5 kW伺服电机平均单井日用电量4.7～8.2度；4）Y3-42-32井由11 kW调频电机更换为7.5 kW伺服电机后平均日用电量由13.1度降到9.6度，节电达到30%（图3）。

图3 不同电机日耗电量情况对比曲线Fig.3 Daily power consumption contrast curves of different electric motor

3.1.2 Y8井应用情况

Y8井为工区内一口探井，井深1 250 m，由于井眼轨迹问题，管杆偏磨严重，井下负载大，能耗极高，2014年11月该井尝试更换18.5 kW伺服电机，通过调试，目前该电机运行正常，能耗得到明显降低（表2）。

通过对比分析，伺服电机节能效果较为明显，和普通调速电机相比，节能幅度达60%以上，和调频电机相比，其节能幅度也达20%～40%。

3.2 现场控制能力分析

目前现场普遍存在低液量井流压控制难的问题，以现场广泛应用的调频电机为例，即使换用小皮带轮后冲次最低也只能降至0.3次/min左右，多数井冲次在0.4次/min以下就已不能继续下调，而根据统计，目前工区万宝山产建新井平均日产液量仅为0.8 m3左右，产气后液量会进一步降低，部分井日产液量低于0.3 m3，以目前的电机所能调整的冲次下限，都不能满足制度需求。

表2 Y8井更换伺服电机前后参数变化对比Table 2 Parameter contrast before and after replace of servo motor of well Y8

表3 W122、W123平台机抽控制问题井生产现状Table 3 Production status of platform W122 and W123

而伺服电机可以克服低转速下的扭矩偏高的问题，根据对安装伺服电机的Y3-38-46进行现场试验，当冲次下调至0.04次/min左右时，机抽系统仍运行正常，冲次可调范围大大扩展，这在很大程度上，能够解决现场低液量井流压控制难的问题。

对于区块西北部偏深的井，由于井深深（大于1 550 m）、日产液量低（小于0.8 m3），在使用调频电机时，低转速、高载荷导致冲次下调空间进一步被压缩，以W122、W123平台的部分井为例。

表3中三口井均为低冲次运行时抽油机顿挫、冲次无法下调，影响排采制度实施的问题井。2015年1月，对Y6-48-26井试验更换7.5 kW伺服电机，更换后，冲次可调范围明显增大，目前现场冲次可调低至0.20次/min，抽油机运行平稳，满足工作制度要求，运行电流由22/19变为目前的12/11,在现场控制和节能两方面，均有较大提升。

此外，伺服电机控制器还可实现自定义间抽功能，定时启停抽油机。目前现场部分低液量需间抽井一般为人为启停，一次停抽时间偏长，会造成流压较大幅度的波动，通过设置伺服控制器的启停时段，可实现间抽时段间隔的分散化，既方便现场控制、又能保证煤层气井的平稳、连续排采。

4 结论

煤层气开采具有低丰度、高密度布井、低成本开采的特点，排采过程要求连续、平稳、缓慢。因此，节能降耗和排采精细控制是煤层气排采管理的重点。伺服电机因其节能性和控制灵活性，在现场应用已经获得了较好的效果。随着延川南煤层气产建的结束，大规模的机抽体系能耗优化已迫在眉睫，伺服电机为现场电机选型提供了更加多元化的选择，并具有其独特的优势，在延川南乃至整个煤层气行业中，其应用、推广前景广阔。

[1]郭大立，贡玉军，李曙光，等.煤层气排采工艺技术研究和展望[J].西南石油大学学报，2012，34（2）：91-98.

[2]刘景涛，梁立移，孙顺东.游梁式抽油机在煤层气开采中的应用与改进[J].中国煤层气，2007，1（4）：37-39.

[3]司旭，黎晓茸，郭红，等.影响低产油田抽油机选型因素的分析研究[J].石油矿场机械，2006，35（增刊）：76-77.

[4]蒋景强.伺服电机控制技术的发展应用[J].中国高新技术企业，2009，16（20）：153-156.

[5]寇宝泉，程树康.交流伺服电机及其控制技术[M].北京：机械工业出版社，2008：11-23.

[6]常晓玲.电工技术[M].北京：机械工业出版社，2010：187-211.

（编辑：杨友胜）

Application of servo motor on pumping unit in South Yanchuan CBM wells

Jin Hua and Yao Rongchang
(Unconventional Resources Exploration and Development Headquarters,East China Company,SINOPEC, Xiangning,Shanxi 042100,China)

∶Servo motor is a kind of new motor which switch the input voltage signal into the shaft angular displacement or the angu⁃lar velocity for output.It can realize that the rotor rotates immediately with control voltage,while when the control voltage disap⁃pears,the rotor stops at once.Moreover,it can freely control the motor torque.Thereby,energy saving and accurate control realize. This paper introduced the principle of the servo motor and analyzed its application in South Yanchuan CBM field,and in view of the high starting torque and the adjustive velocity range of the servo motor,proved the good promotion prospects in the coal gas min⁃ing.

∶servo motor,energy saving,coalbed methane(CBM),pumping unit

TE355.5

A

2015-01-06。

金华（1987—），男，助理工程师，煤层气井排采技术管理。