电机系统节能在游梁式抽油机上的使用

黄先锋，　宿伯萍

(1. 上海电科电机科技有限公司，上海　200063；2. 哈尔滨贝特汽车电子器材厂，黑龙江 哈尔滨　150000)



电机系统节能在游梁式抽油机上的使用

黄先锋1，宿伯萍2

(1. 上海电科电机科技有限公司，上海200063；2. 哈尔滨贝特汽车电子器材厂，黑龙江 哈尔滨150000)

针对游梁式抽油机的原理和运行特点，在原来更换电机、加装变频器或节能控制箱的基础上，提出了考虑游梁式抽油机井下运行特性的整合设备、电机和驱动控制系统一体的电机系统节能方案。将该方案在一些油井上进行试验，节能效果良好。

游梁式抽油机； 永磁电机； 柔性智能控制系统； 电机系统节能

0　引　言

游梁式抽油机是国内外石油工业的传统采油方式之一，在我国石油开采中有杆抽油系统一直占主导地位。在我国各油田中，约80%以上的油井采用有杆抽油系统。游梁式抽油机以其结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。因此，研究电机系统节能在游梁式抽油机上的使用至关重要。

1　游梁式抽油机的负载特点

1.1游梁式抽油机的原理

游梁式抽油机采油系统主要由三部分组成。一是地面部分——游梁式抽油机，如图1所示。其主要由电动机、减速机、四连杆机构、曲柄、平衡块、游梁、驴头、悬绳器、光杆等组成。二是井下部分——抽油泵，往复式抽油泵的机构如图2所示。其主要由泵筒、吸入阀、泵阀、柱塞(活塞)排出阀等构成。它悬在套管中油管的下端。

图1　游梁式抽油机结构图

三是抽油杆柱部分，由长度数百米至数千米钢杆连接而成，使地下设备与地面抽油机连接，即使井上设备与抽油泵的活塞连接。

游梁式抽油机采油的主要工作过程是： 电动机通过皮带和减速器带动曲柄作接近匀速的圆周运动，曲柄通过连杆带动游梁上下摆动，游梁前面的驴头上下往返运动，驴头上的悬绳器与井口上部的光杆连接，井口内部的光杆与抽油杆连接。抽油机的上下往复运动，带动活塞上下运动，把石油从井下提升到地面。

抽油机的工作原理： 抽油杆向上运动为上冲程，如图2(a)所示。此时抽油杆带动油泵活塞上行，油泵的排出阀受自重和有关内液体压力的作用而关闭，油泵活塞提升液体向上运动。与此同时，活塞下面的压力降低，油泵下面的吸入阀打开，液体被吸入泵内空间。抽油杆向下运动称为下冲程，如图2(b)所示，此时抽油杆带动活塞下行，油泵下面的吸入阀关闭，油泵排出阀打开，液体进入活塞的上部。油泵活塞再往上运动时又将这部分液体提升。抽油机不断地往复运动，油泵活塞不断地上下运动，原油就源源不断地被抽到地面上来。

1.2游梁式抽油机负载特性

游梁式抽油机将曲柄的圆周运动转化为抽油杆的往复直线运动。由于井深一般几百到几千米，抽油杆由一根9m的钢杆连接而成，其特点就不再是刚性，而是类似于一根很长的“弹簧”。在上冲程中，抽油机要提升原油和抽油杆柱，电机(特别是永磁电机)机械特性很硬，拉着抽油杆和原油上升时，除了自重还有抽油杆和油管的摩擦力及原油的粘滞阻力，这根“弹簧”是先延伸，到不能继续延伸时，再整个跟着悬杆往上运动，抽油机电机的载荷很大。游梁抽油地面有效行程只有几米，上冲程抽油杆“弹簧”效应延伸可达30～40cm，有效行程就缩短了。在下冲程中，过最高悬点，抽油杆这根“弹簧”收缩再加上抽油杆柱的重力拉动抽油机运动，悬点加速度和速度增大，抽油杆“弹簧”收缩和抽油杆重量一起拖着抽油机往下“反抽”，速度超过电机的额定转速，电机就会处于发电状态。因此抽油机运行过程中载荷变化很大，必须采取平衡措施。目前，游梁式抽油机普遍采用的方法是在游梁上加平衡重物来实现抽油机的平衡。由于游梁式抽油机机械机构的限制，抽油机在一个工作循环中，电机的负载转矩变化很大。图3是游梁式抽油机负载转矩图。由图3可知，在一个工作循环中，负载转矩有较高的“峰值”和较深的“低谷”。低谷中横线以下部分为负转矩，负载将拖动电机运行，电机进入发电状态。这种波动很大的扭矩特性，使抽油机对驱动电机特性要求非常苛刻[1]。

图3　游梁式抽油机负载转矩曲线

1.3游梁式抽油机对驱动电机的要求

通过前面的分析，游梁式抽油机驱动电机需满足下列要求：

(1) 电机要有较大的起动转矩，以便克服平衡块的惯性，使抽油机顺利起动。

(2) 抽油机一旦运转起来，由于平衡块的惯性很大，只要很小的运行功率，一般是电机额定功率的1/3，甚至更低。因此要求电动机有较宽的功率曲线和功率因数曲线。

(3) 在一个周期中，电机的平均功率很小，但峰值转矩较大，电机必须有足够大的瞬间过载能力。

(4) 在一个周期中，电机将有一段时间处于发电状态，发电时能将发电能量回馈给电网。

(5) 抽油机上、下冲程转换时应降低电机转速，以减缓换向对抽油杆的冲击，减少抽油杆的弹性变形，延长抽油泵活塞的实际行程。

上述(1)和(2)的要求是矛盾的，选用功率大的电机能满足起动要求，但运行时电机的负载率很低，电动机处于“大马拉小车”状态，效率和功率因数都很低。

2　游梁式抽油机机械采油系统存在的主要问题

游梁式抽油机的总效率在国内一般地区只有12%～23%，先进地区至今不到30%，系统效率低下，能耗大。因此，减耗提效成为有杆抽油系统的一个急需解决的问题。此外，随着老油田油井的油液位降低，井下供液不足，要求抽油机的冲程越长越好，冲次越低越好。但当前常规游梁式抽油机型行程固定且偏小同时冲次调节困难，在一定程度上已经不能满足长冲程、低冲次生产的要求。注水开发，以液保油，是油田保证原油稳产的趋势。

2.1系统效率低的问题

游梁抽油举升系统由地面电机控制传动设备及井下抽油设备组成。系统效率是各部分效率的连乘积，任何一环的效率低，都会使系统效率变低。因此要提高抽油机系统的总效率，实现减耗是一个复杂的系统工程问题。

2.2能耗大的主要问题

由于在同一工况、井况和同一时刻下，井下的能耗因地面游梁机型不同而会发生充满度、冲程损失、光杆功率的变化。致使抽油机能耗大的主要原因有：

(1) 抽油机的负荷特性与异步电机的转矩特性不匹配，甚至出现“发电机”工况，出现二次能量转化。电机在一个冲程中的某个时段下落的抽油杆反向拖动，运行于再生发电状态，抽油杆下落所释放的机械能有部分转变成了电能回馈电网，但所回馈的电能不能全部被电网吸收，引起附加能量损失，同时负转矩的存在使减速器的齿轮经常受反向载荷，产生背向冲击，降低了抽油机的使用寿命,增加了损耗。

(2) 常规抽油机运行的悬点加速度、速度最大值过大，影响悬点载荷，动载荷增大。采用对称循环工作制使井下油液充满度下降，影响产量，泵效率降低，能耗也增大。

(3) 当前游梁式抽油机都是驱动电机“大马拉小车”直接起动。因为抽油机是变载运行，起动转矩和电流都很大，但运行负载又很小，电机负载率一般约30%，甚至更低，此状态运行效率很低，功率因数也很低，馈电变压器带载能力降低，线路附加损耗增大。

(4) 由于常规抽油机是变载荷周期运行，机械冲击、疲劳失效是整个机采系统的先天缺欠。因此，机械故障与机件损坏维修费用增大了油田的生产成本，增大了消耗。

2.3供液不足产生的问题

随着油田开发的不断进行，油井产能受到地质特征、油藏管理、采油工程、生产维护等多方面影响。当油层的供液量发生变化时，就需要对老油井抽汲参数优选，否则，当供液不足时，就可能会出现空抽现象使能耗增高。当供液充足时，抽汲强度偏低，就会限制油井的产液量。由于现有常规游梁式抽油机结构限制，无论冲程还是冲次的调节都不连续，很难达到理论要求。特别是低产低效井，调低冲次很困难。换多极电机和减速箱增加了费用消耗，而且井况变化仍需调整，使用变频调速是应用较多的方法。采用变频器虽然解决了常规抽油机冲次减少的问题，但仍然不能改变抽油机的运动规律和应力状态，应力、加速度、载荷变化都没有变。降低冲次的方案效果对比如表1所示。

表1　降低抽油机冲次的方案对比

3　国内各地区主要采用的典型措施

3.1改进抽油机本体——更换节能型游梁式抽油机

(1) 采用异相式抽油机，改变抽油机的运动规律。降低上冲程的速度和加速度，改变每个运转周期的上下冲程的周期时间，部分改善了抽油机应力状况，但因为抽油机的原理和结构限制收效受限。

(2) 采用新的抽油机平衡结构。其中有游梁平衡和曲柄平衡等方案。但由于没有真正地改变运行规律，虽然冲击载荷有了部分改善，但对井下工况没有根本解决。

3.2更换抽油机电机

(1) 采用高转差率电机。高转差率电机与普通电机相比，因为转子电阻率大，有较高的起动转矩倍数，可以适当降低电机容量，适合抽油起动转矩大、运行负载轻的特点，提高电机的负载率。高转差率电机机械特性软，在抽油过程中，当负载转矩增加时，电机速度下降；负载转矩减小时，转速上升。此特性可以减小抽油杆的最大应力和最小应力，减小弹性变形，减少断杆和脱杆，延长抽油杆使用寿命。对低产井和稠油井来说，可以增加井下充满度和油液产量，提高抽油系统的效率。另外还可以降低减速机的最大峰值转矩，延长抽油系统的寿命。但是由于此电机转子电阻率大、发热厉害、电机效率低、功率因数低而一直饱受诟病。类似的机械特性配合节能的还有绕线转子电机加IGBT桥式整流电路，也有一定的效果。近些年，采油工艺的发展日趋于大冲程、低冲次，这种工艺本身就能最大限度地减少惯性负荷和振动负荷，因此超高转差率电机的应用范围被大大缩小。

(2) 采用稀土永磁同步电机。抽油机电机用的稀土永磁同步电机采用异步起动、同步运转方式，或者叫高效高起动转矩自起动永磁同步电机。相比普通电机： ① 其起动转矩倍数可达2.8～3.5 倍，过载能力强，电机容量可以减小；② 此电机转子起动时靠鼠笼条起动，牵入同步后靠转子上永磁体磁场运转，无需励磁电流，因而功率因数和效率都很高；③ 这种电机在20%～120%负载时效率和功率因数都很高；④ 此 永磁电机容易做成低速大转矩电机，普通电机高极数的很少，因为效率太低，而永磁电机因为转子上没有损耗，因而效率可以做得比较高。针对油井液位低而需要降低冲次，最近几年在油田上出现了12极、16极、24极甚至32极的永磁电机。以上特点，决定了永磁电机在油田游梁式抽油机的节能效果。但是电机具有比Y系列电机还硬的机械特性，使负有功和功率最小值增加，加剧抽油机系统振动。与高转差率电机相比，其未消减振动载荷的能力，反而会增大对减速箱齿轮的冲击损害；也发生过皮带拉断，甚至悬杆拉脱等情况；钕铁硼材料磁性强，一旦电机烧毁就要专业厂家维修；此外转子极数不能根据调参的需要实行变极调速。

3.3控制与馈电方面的节能措施——节能配电箱

节能配电箱主流产品有四大类：

(1) △-Y转换配电箱。△-Y转换适合负载率低于30%、大马拉小车严重的抽油井使用。电机三角形起动后，再将定子绕组切换成星型接法运转。这样运转功率只有三角形时的1/3，要防止负载超过1/3时烧毁电机。转换后平衡变差，如果角接时平衡性差，转换后平衡性更差。

(2) 变频控制器。变频控制柜实现了电机的软起动，对电网无冲击，电机功率因数可由0.25～0.50提高到0.90以上，从而减轻电网及变压器的负担，降低了线损；操作方便，不需停产即可根据油井的实际供液能力，动态调整抽取速度。利用最新研制的四象限矢量控制变频调速器，配以过程控制、位置传感等技术改造现有的抽油机，可以部分实现油井节电、增效和增产，提高了部分有杆抽油系统的机采效率，但没有改变杆柱的应力和速度分布，以及悬点载荷变化规律，只考虑了地面的问题，综合效果不明显。大量使用变频器，要考虑谐波治理问题[2]。

(3) 无功补偿器。无功补偿器主要是针对抽油电机负载率低、功率因数低的情况，采用加装一定容量的电容器对电网进行无功补偿，提高功率因数，降低供电变压器负荷，从而降低网损，达到节电的目的。这种技术应用比较广泛，功率因数能提高到0.5～0.6，其缺点是电容器容易损坏。

(4) 晶闸管调压节能箱。主要是采用单片机实时检测电机电压与电流之间的相位差变化，控制晶闸管的导通角，自动调节电机的供电电压，使电机在空载或轻载时降压运行，从而达到提高功率因数和节能的目的。但晶闸管会引起电流产生谐波，进而引起电机发热和振动，影响了节电效果。

4　电机系统节能的使用

现阶段，提高游梁式抽油机机采系统效率主要是地面节能，提高地面效率，除了调参工作外，提高井下效率工作开展得很少，而当前油田机采系统效率低的主要问题是井下效率低。随着我国很多油田老化、液位降低和很多稠油井的开采，提高井下效率才是提高机采系统效率的主要工作。

要提高机采系统的效率，就要从游梁式抽油机本身、驱动电机和控制系统三方面统一考虑，采用系统节能的方式，才可能达到理想的效果。以上分析显示，光靠哪一方面都不能解决根本的问题。游梁式抽油机运行特点是： 在上冲程中，电机拉着抽油杆和原油上升时，抽油杆在自重、抽油杆和油管摩擦力及原油的粘滞阻力下，先延伸，再跟着悬杆往上运动，抽油机电机的载荷很大，有效行程缩短；在下冲程中，抽油杆收缩再加上抽油杆柱的重力拖着抽油机往下“反抽”，电机就会处于发电状态。高转差电机的软机械特性适合抽油机的特性，但是发热严重、效率低；永磁电机效率高，功率因数高，机械特性太硬；变频器可以实现软起动，调整抽取速度，增效增产，但是目前只考虑了地上部分的节能。若是根据油井地下部分的特点，利用变频驱动系统将普通电机或永磁电机的硬特性变软，在上冲程中，先低速慢慢将整个抽油杆拉动，再加速，则可以有效避免抽油杆的弹性延伸，增加有效行程；在下冲程中，抽油杆没有弹性延伸，则“反抽”力减小，这时降低电机转速，减小抽油杆下降速度，让机采系统牵拉着抽油杆慢慢下降，避免电机处于发电状态，提高井下泵筒的充满度。这样通过整个系统的配合，让电机通过驱动系统的调节，去配合抽油机的运行特性，提高泵效和整个机采系统的效率，降低吨油耗电量。

哈尔滨贝特汽车电子器材厂在此理念上开发了“BT超柔性智能调参量油高泵效运行驱动系统”，如图4所示。该系统在减速机输出轴位置安装速度传感器，在悬绳处安装载荷位置传感器，在井口处安装传感器测量采液量，随时采集参数，根据采集到的数据随时调整变频器输出，调整电机的转速。该柔性驱动系统的特点如下：

图4　BT超柔性智能调参量油高泵效运行驱动系统

(1) 改变了抽油机传统的运转模式。在保证生产需要的前提下，把电机的匀速运行改变为随机的变速运行，从而使抽油机的运行负荷及受力状态有了一个根本的改变，实现了举升全过程的柔性运行。

(2) 因实现了柔性起动和运行，该系统降低了柱塞上冲程的加速度，使泵固定阀打开吸入液体时减少了吸入口的真空度，防止了液体中的气体析出，提高了泵的充满度，有效避免了气锁现象。该系统具有在各种冲次都能保持最低的悬点载荷功能。在下冲程中对杆柱采取了有效的牵拉作用，改善了抽油机的平衡，较好地限制了泵管和杆柱的偏磨和液击。

(3) 由于降低了悬点载荷，从而降低了作用在光杆上的应力与应变，使泵杆伸长变形为最小，实现了最小的冲程损失。增加了泵效，同时也减轻了减速机、电机和杆柱的负荷，延长了设备及机件的使用寿命，以及举升系统运行的维护周期。既减少了机械运行损耗，同时降低了电能的消耗。

(4) 可以随时检测到每冲程的抽液量。智能地根据每个冲程的抽液量多少来自动调节每分钟的冲次，提高了泵筒液体的充满系数，使抽油机举升系统效率达到理想值，适合各种地质和不同渗透性油田，最低冲次可以在0.5次/min或者更低冲次平稳运行。可以设定防空抽模式，在设定值出现时自动停机，还可以按要求自动开机。

(5) 该系统如果工作在自动设置冲次的模式下，可以自动找到最佳充满度条件下的运行冲次，使系统运行在最佳状态。

此柔性驱动控制系统在吉林油田、华北油田、江苏油田和大庆油田部分油井进行了试验，节能效果明显。

[1]马文忠，白连平.异步电动机节能原理与技术[M].北京： 机械工业出版社，2012.

[2]周胜，赵凯.电机系统节能实用指南[M].北京： 机械工业出版社，2009.

Motor System Energy Saving of Beam Oil Pumping Machine

HUANGXianfeng1，SUBoping2

(1. Shanghai Dianke Electronic Technology Co., Ltd.， Shanghai 200063， China； 2. Harbin Beite Auto Electronic Equipment Factory， Harbin 150000， China)

According the operation principle and characteristics of the beam oil pumping machine, which was on the basis of the replacement motor, the installation of frequency conversion and energy saving control box, proposed motor system energy saving program which was considered beam pumping machine operating characteristics in the well, integration of equipment, motor and drive control system. Test in some wells, energy-saving effect was good.

beam oil pumping machine； permanent-magnet motor； flexible intelligent control system； motor system energy-saving

黄先锋(1972—)，男，专科，工程师，研究方向为电机系统节能和电机制造工作。

TM 351

A

1673-6540(2016)08- 0093- 05

2016-04-25