矢量变频器在油井解卡中的成功应用

陈永强，张德生

(中海石油(中国)有限公司天津分公司辽东作业公司 天津300457)

0 引 言

油井是海上采油平台的核心，大多是通过潜油电泵机组从海底千余米的地层内将石油开采上来。但是油井电泵在工作过程中出现井下电泵卡阻时，传统方式大都是先通过洗井再使用工频直接启泵方式解卡。目前海上采油平台普遍使用变频电泵柜，不再配置工频潜油电泵柜，如果地面解卡无效，就要进行提泵大修了，经济上损失大，油井产量受到影响。矢量控制的变频器在低频运行时，能够为电机提供恒定的大转矩输出，为电泵解卡提供了理论支持。但由于井下情况复杂且无法直接观察，如何运用矢量控制变频器，低频解卡是现场技术人员需要解决的问题。

1 电泵卡阻故障处理

1.1 故障现象及设备参数

现场技术人员查看报警发现某油井故障停泵，显示机组过载，测试井下电机绝缘直阻三相6.4,Ω平衡，绝缘12,MΩ，初步判断井下电机工况良好，油井电机及变压器参数见表1。进行试启泵，再次过载停泵，测量绝缘直阻未变，进而判断井下电泵有异物卡阻，导致电泵不能正常转动，使电流过高过载停泵。

表1 油井电机及变压器参数Tab.1 Oil well motor and transformer parameters

1.2 故障处理过程

在通过洗井解卡无效的情况下，现场技术人员决定采用低频解卡的方案。根据厂家提供的操作说明将变频器初始电压设置到 10%,，并尝试以 10,Hz启泵进行低频解卡。变频器启动后运行电流39,A，电压261,V，待电泵运行稳定后缓慢提频。

每 10,min调节一次频率，频率最大调到 13,Hz，电流 50,A左右。过载设定值为 52,A，所以没有继续往上调频。在持续的近 3,h内，变频器在 10～13,Hz运行，但是现场显示电流依然没有下降的趋势，始终保持在 10,Hz时 39,A，11,Hz时 42,A，13,Hz时 50,A左右。油井其他参数未发生变化，卡阻现象并未得到解决，井底电泵只是在持续通电发热的状态。电机额定电流 43.5,A，由于无法观察电机的运行温度，继续低频解卡可能会导致电机过热损坏电机，所以没有继续进行解卡。

次日，技术人员尝试着将初始电压提到 20%,，再次以 10,Hz启泵运行。在 20,min之内将频率调整到13,Hz(考虑到此时电流 50,A，电压 325,V，过载电流值为 52,A，在无法确定井下电机温度的情况下，没有继续升频)，在该频率下运转了 60,min后，电流突然下降至 20,A，技术人员开始逐步提频，20,Hz、30,Hz、40,Hz、50,Hz，电流始终无较大的变化，井口开始有产出，解卡成功。

2 低频解卡的理论分析

通过起初解卡失败现象分析，失败的原因还是电机提供的启动转矩和持续转矩过低，达不到解卡要求。要解卡必须提高电机的启动转矩和持续转矩。提高电机的启动转矩和持续转矩，必须对矢量控制的变频器在低频运行时提供恒定的大转矩输出的原理进行分析，方能找到解决方案。

2.1 运用矢量控制变频器解卡的原理

矢量控制的基本原理是将交流电机模拟成直流电机来控制，通过测量和控制异步电动机定子电流，根据磁场定向原理，分别对异步电动机的定子电流进行矢量分解，对励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)，并分别加以控制，同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，达到控制电机感应电动势的目的，使变频率调速电机保持磁通恒定，提供恒定的大转矩输出。

2.2 解卡失败的理论分析

式中：E1表示电机定子感应电动势，f1表示电源频率，mΦ表示磁通，N1表示定子绕组匝数，C为常数。

由公式可知，要保持mΦ不变，当频率f1从额定值向下调节时，必须降低E1。然而，绕组中的E1感应电动势是难以直接检测和直接控制的，当电机电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子绕组电压 U1≈E1。低频时，U1初始电压和 E1都比较小，定子阻抗压降就比较显著，不能被忽略。这时，一般需要人为地把电压 U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降，使气隙磁通基本保持不变，如图1所示。

图1 恒压频比控制特性Fig.1 Constant voltage ratio control characteristics

其中，Ⅰ为 U1/f1＝C时的电压频率关系；Ⅱ为有电压补偿时(近似E1/f1＝C)的电压、频率关系。

低频解卡即是电机在低频状态下的工况，在厂家说明中要求初始电压提升设置到 10%。但初始电压提升设置到 10%,是否能补偿潜油电机的定子阻抗压降，需要深入分析。

采油平台上的油井供配电一般形式是：400,V低压盘给变频器供电，经过变频器调节之后再输送给变压器升压，继而通过千米以上的井下电缆输送到井底电泵。长达数千米的井下电缆就是潜油电泵配电与地面电机配电的最大差别。受使用环境的限制，井下电缆阻抗较大，产生的压降大，为保障潜油电泵机组正常运行，通常在投用前为补偿电缆压降，会在升压变压器上调高一定的电压。

经查询相关资料发现该油井电泵电缆长达2,285,m，电机在安装前的直流电阻三相 1.3,Ω平衡，而安装后地面测量的直流电阻三相 6.4,Ω平衡。由此可见，机组电缆的阻抗远大于机组自身的阻抗，因此电缆产生的压降远大于定子绕组阻抗压降。

在低频启动时，电机定子的电压虽然低，但电机卡阻时电流仍会很高。该井电泵在初始电压提升设置到 10%,，10,Hz启泵后运行电流 39,A，已接近额定值。在此情况下，定子阻抗和电缆阻抗产生的压降很大，由于频率低，忽略感抗，定子阻抗和电缆阻抗等效为其直阻 6.4,Ω，电缆的直阻为 5.1,Ω，电缆阻抗产生的压降可以近似计算5.1×39,A＝200,V。

变频率在10,Hz的情况下，通过U/f1＝C计算油井变压器输出的电压为 250,V，可近似计算潜油电机定子绕组的端电压为 U1为 50,V，远低于理论上应该达到的 200,V。在此情况下，不能认为定子相电压 U1就是变频器输出的电压。根据式(1)可知，在此情况电机产生的磁通远小于我们所希望的磁通，因此在此情况下E1和Φ都很小。

三相异步电动机的转矩公式：

式中：X2/r2是转子的电抗和电阻。磁通 Φ、转子电流I2、转子功率因数 c osϕ2都是转差率 s的函数，但由于堵转 s＝1，因此 Φ、I2、c o sϕ2都是常数。

在此情况下，根据式(2)，潜油电机提供的转矩远小于我们所认为的转矩。

2.3 二次解卡的实践

根据上述分析，如何在低频下补偿电缆压降，提高潜油电机端电压、提高转矩，是解卡的关键。在第二次解卡时尝试着将初始电压提到 20%,。再次以10,Hz启泵运行，短时间内解卡，将频率调整到13,Hz(此时电流 50,A，电压 325,V)，以提高电机定子绕组的端电压U1，达到增大电机提供转矩的目的。由于该电机额定电流 43.5,A、过载电流值设定为 52,A(为额定的1.2倍左右)，频率继续升高，电流就超过过载电流值，且无法监控电机运行的温度，为防止电机烧毁，没有再提高频率。在13,Hz下运行了60,min后，电流突然下降至 20,A，并逐步提频至 50,Hz，电流26,A，井口有产出，解卡成功。

3 总 结

通过上述理论分析和实践可知，对于矢量控制变频器实现油井电泵解卡，需要解决是如何补偿油井电缆产生的压降问题，这不同于地面三相异步电动机的控制。补偿油井电缆产生的压降方法有2个：

①提高变频器启动的初始电压，能够显著提高电机的启动转矩，在今后解决类似问题时，可以尝试将变频器启动的初始电压设定到更高。

②在电机可以承受的前提下，尽可能提高变频器的频率，尽量减小电缆阻抗和定子绕组的漏磁阻抗压降，以提高电泵输出转矩。

此次油井电泵解卡在给油田带来较好经济效益的同时，也为今后解决类似问题提供了值得借鉴的经验。