基于变频控制技术的潜油电泵生产应用研究

王 岩

（中法渤海地质服务有限公司，天津 300450）

0 引言

传统潜油电泵在运行时多处于全压工频恒压模式，在启动时产生的冲击电流会对潜油电泵机组的寿命周期产生负面影响，影响油井的正常生产和开采。变频技术的发展为提升潜油电泵系统工作效率和寿命周期提供了有利的契机[1]。将现代变频控制技术应用到潜油电泵系统中，能够优化其系统功能，提升其生产效率，在降低能耗的同时，为企业带来更高的经济利润。

1 潜油电泵生产系统常见问题

油田开发进入中后期，含水较高，应用潜油电泵采油能够有效的提高采收率，提升石油开采的持续性和稳定性，降低作业成本。目前国内油田使用的潜油电泵额定功率多在37～75 kW。由于其作业环境多为管径较小的油井，为了有效降低电线截面积，多采用660～2000 V 的三相异步电机。潜油电泵多位于地下1000 m 以下的井下，受高温、高压、强腐蚀等复杂恶劣地质环境等因素影响，传统电泵系统容易出现故障[2]。

（1）传统工作中，潜油电泵处于全压工频恒压模式，当电机直接启动时，系统瞬间受到冲击电流较大，一般启动电流是额定电流的5～8 倍，如果缺少稳压系统，瞬间电压容易导致潜油电泵系统温度升高、绝缘损伤，引发电缆故障。启动电流产生的冲击扭矩对电泵机械带来巨大的冲击，停泵时会产生电力反冲击影响电机、电缆的使用寿命。

（2）井下地质环境复杂，不同深度的地层所承受的地层压力存在差异，在工频运行方式下，采油速度难以有效控制，容易导致含水过多、水淹、出砂等问题，导致潜油电泵砂卡损坏。

（3）油气多储存在地下数千公里深度，地质条件复杂、多解性强，因此难以准确配置油气储量、单位电力、泵排气量等参数。井下液量不足时，泵产生的油压过高，会导致泵使用寿命缩短。

（4）动力电缆多具有较好的电缆强度以及绝缘性能，能够适应井下高温等复杂特种作业环境。当潜油电泵作业时，电压在线路中传输，受行波衍射作用影响，du/dt 值将被放大，对电缆使用寿命带来影响。

（5）电泵机组在实际运行时，受寄生电容的影响，如果进行高频次的通断操作，将会给相关功率元件带来极大的电应力，在这样的情况下电泵机组绝缘性能会受到较大影响，长期电应力作用下电缆绝缘老化加速。如电应力持续加大，将会导致绝缘被击穿，影响潜油电泵的寿命周期[3]。潜油电泵运行时，电机转子轴承、定子之间不可避免的会产生寄生电容，进而导致脉冲充电电流，寄生电容持续累加会导致电机转子电压增加，当超过设计值时会对电机轴承润滑油膜产生击穿效果，影响电机轴承的正常使用，严重者可能造成轴承损坏。

（6）潜油电泵运行过程中，输出谐波会出现导热、升温现象，为此大部分电机采用降额方式应用。谐波电流可能导致波形异常，加剧电机噪声。谐波电流经过电机，可能引发电机转子套组铜损问题。谐波电流还会导致磁场的产生，并对转子铁芯产生一定损伤，即在转子及电机定子中生成附加铁损，导致电机加速升温。部分研究结果显示，受谐波电流的影响，电机效率一般会下降2%左右[3]。

（7）潜油电泵耗电量较大，是油田主要高能耗设备，工频状态运转时会导致能源浪费。因此，无论是减少机械损伤还是降低能源损耗，都迫切需要引入变频控制技术。

2 变频控制技术原理和特点

2.1 变频控制技术原理

变频控制技术是在保证供电电压不变的前提下调整电源频率，使得电源频率f 与泵转速n 相适应，通常情况下二者之间的关系为n=60f（1-s）/p，其中s 表示转差率，异步电机转差率波动范围较小；p 表示极对数，多为常数，因此潜油电泵转速与电源频率二者正向相关。对于普通变压源变频器来说，电压输出时不可避免会出现电压跳变的现象，因此需要逆变器功率元件提升开关的应用速度。此时电压的变化率（du/dt）会随之增加，一旦该变化率超过设计阈值，将会对电泵机组的绝缘性产生负面影响。作为井下工作的多级离心泵，为了降低潜油电泵线路压降，电机多设计为660 V 或1000 V 级等中压范畴：电压降低会造成电机低效无法正常工作，电压升高则可能导致线路面临绝缘问题，降低线路可靠性。目前泵挂深度在1 km 范围内的油井，多数情况下采用660 V 级别的潜油电泵，泵挂深度在1～2 km 的油井，潜油电泵多为1140 V 级[4]。

变频控制系统核心部件为配电控制箱。与两电平电路相比，三电平电路输出的电压脉冲值较低，能够有效减少绝缘和谐波等现象，进而避免传导干扰、绝缘系统冲击等问题。三电平变频调控系统如图1 所示，总体上来说，该控制系统可以划分为控制监测单元、频率生成单元、电压波形数据存储单元以及电压变换输出单元。其中控制监测单元主要为核心单片机，能够接收电机电流、电压以及频率变化引起的信号，对系统运行状态进行监测。频率生成单元包括计数器、定时器等器件；电压波形数据存储单元主要为ROM。根据系统运行情况，单片机控制电路通过U/f 等方式计算出最优的电源频率和电压，进而实现控制输出电平以及闭环控制的目的。

2.2 变频控制技术特点

（1）软启动功能。变频调速技术的应用能够保证电泵系统进行软启动，在该模式下，冲击电流能够限制在额定电流150%以内，进而最大程度上消除电流对电机的冲击效应。与此同时，频率变化相对平稳，电机转速接近同步状态，能够减小反电势对绝缘层的作用。基于变频控制技术对潜油电泵进行优化改造，实现潜油电泵的软启动，能够对电机以及电缆起到良好的保护作用。

（2）稳定系统电压。泵挂深度一般在地下1～3 km，井筒内电缆长，导致压降大，在高温、高压复杂工作环境下，容易出现系统故障问题，影响油田的高效生产。变频控制技术的应用能够自动控制电泵的输入电压，进而解决超压、欠压问题，保证整个系统的稳定运行。

（3）节能效果显著。根据井况，通过频率调节控制油井出油量，使其能够在最佳工况下工作，避免电泵长期处于高压工作状态。与此同时，无论是重载还是轻载状态下，系统功率因数均较高，节电、节能效果明显。

（4）延长电泵系统的使用寿命。变频控制技术尤其是变频器软启动功能的应用，能够限制启动电流的峰值，进而延长电泵的寿命周期，降低设备故障发生概率，节约油井维修成本，助力油田经济效益提升。基于变频调速技术，潜油电泵机组能够在最佳工况下作业，采油系统工作效率大幅提升。国内外油田应用结果显示，将变频控制技术应用到潜油电泵生产作业中，能够大幅降低设备维修周期，技术应用前维修周期在3～6 个月，技术改造后维修周期延长至1～2 年[5]。与此同时，变频调控系统具有过载保护功能，能够提升电泵和电机在复杂环境下的工作寿命，提升其工作适应性。与传统两电平变频器相比，三电平变频调控系统输出电压波形更接近于正弦，较好地解决了谐波、绝缘、干扰等问题，多台集中使用不会对电网功能产生影响。此外，变频器器件已经相对成熟且性价比高，控制系统性能稳定，运行故障率低。

（5）实现智能控制，自动化程度有效提升。利用微型计算机智能控制，自动适应工作状况，人工干预程度低。基于变频控制技术，可根据不同井况智能调整采油效率。例如对于富油井来说能够进一步提升采油效率，实现增产增效；对于贫油井来说，通过智能调控能够做到连续生产减少关井次数；对于含砂油井来说，能够有效减少卡泵概率，提升电泵寿命周期；对含气油井来说，能够避免油气分离不佳导致的气锁现象；对于含蜡油井来说，能够最大程度上规避因结蜡导致的管路堵塞问题；对于稠油油井来说，可根据工况实施低速大功率工作模式，减少停井次数。

（6）经济效益显著。对既有电潜泵进行变频控制技术改造，能够降低设备故障概率，延长设备寿命周期，提升节能效果，为企业带来良好的经济效益。

3 变频控制技术在潜油电泵生产控制系统中应用

近年来，对海上某油田28 口潜油电泵进行变频控制技术应用，取得了较好的应用效果。变频控制技术应用以后，油井平均检泵周期由应用前的182 d 延长至498 d；单井平均功率因数由应用前的0.70 提升至0.89；单井日产液量基本保持不变，单井平均电量下降30.21%，测试平均吨液耗电降低32.25%，平均系统效率提升11.58%。应用实践显示，将变频控制技术应用到潜油电泵井，电泵系统的保护功能大大提高，现场维护费用以及开采成本降低，节能降耗和经济效益显著。

4 结束语

在石油开采过程中，将变频控制技术应用于油田潜油电泵生产系统，不仅能够降低系统故障率，节约设备维修、保养费用，还具有显著的节能效果，应用前景广阔，具有推广价值。