电动机随动变速运行技术实践与认识
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游梁式抽油机由于具有结构简单、可靠耐用、操作及维修方便等特点,具有100多年的发展历
史,如今仍作为油田最常用的机械采油设备,其应用数量在各种人工举升方式中占比90%左右,因
电动机随动变速运行技术实践与认识
常瑞清1,2
戚兴1,2
王翠1,2
殷雷3
李春红1,2
周录方1,2
巩宏亮1,2
郭振超1,2
(1.大庆油田有限责任公司采油工程研究院;2.黑龙江省油气藏增产增注重点实验室;
3.大庆油田有限责任公司第二采油厂)
摘要:为解决游梁式抽油机井载荷冲击大、振动大,导致能耗高、系统效率低等问题,开展了电动机随动变速运行技术研究。
根据抽油机系统载荷需求实时调整电动机驱动速度,做到载荷增大电动机减速,载荷减小电动机提速,实现电动机功率平稳输出。
标准模拟井试验结果表明:应用该技术后电动机功率曲线平稳,功率峰值降幅最高可达70.4%,减速箱输出扭矩峰值降幅达16.2%,减速箱振动最大振幅降低76.1%;现场累计应用462口井,高沉没度井功率峰值降幅37.4%;低沉没度井节电率17%以上;合理沉没度井系统效率提高3.3个百分点。
该技术超宽调频范围能实现游梁式抽油机全生命周期动态柔性运行,具有广泛的应用空间和较好的应用前景。
关键词:游梁式抽油机;电动机;随动变速;功率DOI :10.3969/j.issn.2095-1493.2022.12.012
The practice and understanding of motor with variable speed operation technology CHANG Ruiqing 1,2,QI Xing 1,2,WANG Cui 1,2,YIN Lei 3,LI Chunhong 1,2,ZHOU Lufang 1,2,GONG Hongliang 1,2,GUO Zhenchao 1,2
1Production Technology Institute of Daqing Oilfield Co .,Ltd.2Heilongjiang Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Stimulation 3
No.2Oil Production Plant of Daqing Oilfield Co .,Ltd .
Abstract:In order to solve the problems of high load impact,high vibration,high energy consump-tion and low system efficiency of beam pumping wells,the research that is about variable speed opera-tion technology of motor is carried out.According to the demand of the pumping unit system,the motor driving speed is adjusted in real time so that the motor decelerates when the load increases and the motor accelerates when the load decreases,which realizes the stationary output of motor power.The testing results of standard simulated well show that the motor power curve is stable after applying the technology.Especially,the peak power is reduced by up to 70.4%.The peak output torque of the gearbox is reduced by 16.2%,making the maximum amplitude of the gearbox vibration be reduced by 76.1%.Furthermore,a total of 462Wells have been used this technology in the field.We can see that the peak power of high submergence wells has decreased 37.4%while the power saving rate of low submergence well is more than 17%.The system efficiency of reasonable submergence well is increased by 3.3%.Hence,this technology can realize dynamic flexible operation of beam pumping unit in its whole life cycle with its ultra-wide frequency range,and have a wide application space and a good ap-plication prospect.
Keywords:beam pumping unit;motor;variable speed;power 第一作者简介:常瑞清,高级工程师,1990年毕业于大庆石油学院(采油工程专业),从事油田人工举升技术研究工作,133****6316,
***************************.cn,黑龙江省大庆市让胡路区西宾路9号采油工程研究院,163453。
引文:常瑞清,戚兴,王翠,等.电动机随动变速运行技术实践与认识[J].石油石化节能,2022,12(12):55-59.
CHANG Ruiqing,QI Xing,WANG Cui,et al.The practice and understanding of motor with variable speed operation technology[J].Energy Conservation in Petroleum &PetroChemical Industry,2022,12(12):55-59.
此,游梁式抽油机的发展水平在油田整体发展中起到主导地位。
游梁式抽油机系统由于其四连杆机构存在固有特性,启动扭矩大[1-4],负载波动幅度大,系统承受交变载荷,载荷冲击大,振动大,从而导致系统效率低、部分零部件寿命缩短等问题。
随着节能抽油机、节能电动机、节能配电箱等节能配套技术的广泛应用以及控制技术的发展,油田涌现出了各种周期性阶段变速控制技术[5-6],在抽油机井节能降耗方面见到了一定的效果,但这些技术没有从根本上解决载荷波动大的问题。
为此,近年来,探索和实践了电动机随动变速运行技术,该技术以随抽油机井交变载荷变化而实时调整电动机转速为手段,实现降低功率和载荷波动幅度[7-10]、提高效率、改善抽油机运行状态,经过模拟井和现场不同工况井的试验,取得了较好的试验效果,为油田节能降耗工作开辟了发展途径。
1技术原理
随动变速就是随着抽油机系统负载瞬时运行情
况实时调整电动机转速,输出频率在10~100Hz 范围内无级可调,载荷增大电动机减速,载荷减小电动机提速,实现电动机功率平稳输出,抽油机系统时刻保持柔性运行状态,有效避免载荷冲击。
常规运行电动机转速和功率变化曲线见图1,柔性运行电动机转速和功率变化曲线见图
2。
图1
常规运行电动机转速和功率变化曲线
Fig.1Speed and power variation curve of regular running motor
从地面驱动和传动整个系统来看,游梁式抽油机的理想驱动方式就是按负载需求动态调整电动机驱动转速,游梁式抽油机井电动机随动变速运行技术是在不改变原有系统任何结构的基础上,开发了一种柔性随动控制技术,控制原理流程见图3,该技术系统主要由智能控制器、变频驱动器、电动机转速传感器和曲柄位置传感器组成,通过电动机转速、曲柄位置[11]和电参等多参数回馈,智能控制器分析电动机转速、功率和曲柄位置,计算出电动机驱动速度和功率,变频驱动器按照智能控制器下达的指令驱动电动机实时调整电动机转速,能够对游梁式抽油机系统实时精准调控,且充分利用了系统惯性,有效降低电动机功率峰值及波动幅度,实现电动机功率平稳输出,电动机高效运行,最终达到
节能降耗,延长整机使用寿命的目的。
图2柔性运行电动机转速和功率变化曲线
Fig.2Speed and power variation curve of flexible running
motor
图3
控制原理流程
Fig.3Control principle flow
(工况条件:CYJ10-3-37HB 型抽油机、ϕ57mm 抽油泵、3m 冲程、6次/min、1000m 泵深、800m 动液面)。
2
应用效果
2.1
标准模拟井试验效果
在CYJ10-3-37HB 常规游梁式抽油机标准模拟
试验井同等工况情况下(工况条件:CYJ10-3-37HB
型抽油机、ϕ70mm 抽油泵、3m 冲程、冲次为6次/min、600m 动液面),开展了常规工频运行和电动机随动变速运行状态下对比测试试验,对比内容包括电动机输入功率、减速箱输出扭矩、减速箱振动幅度和系统效率,对比结果为:
1)电动机随动变速运行状态下电动机功率峰值显著降低,降幅达到70.4%,抽油机在一个冲程内电动机功率平稳,消除了负功。
电动机输入功率曲线对比见图4。
图4
电动机输入功率曲线对比
Fig.4The comparison of motor input power curve
2)电动机随动变速运行状态下减速箱输出扭矩峰值降低,降幅16.2%,减速箱负扭矩明显减小。
减速箱输出扭矩见图
5。
图5减速箱输出扭矩Fig.5Gearbox output torque
3)电动机随动变速运行状态下减速箱振动降低,最大振动幅度降低了76.1%,减轻了对设备的冲击。
减速箱振动幅度分布见图
6。
图6减速箱振动幅度分布图
Fig.6The distribution diagram of gearbox vibration amplitude
4)电动机随动变速运行状态下电动机效率和系统效率明显提高,电动机效率提高3个百分点以上,系统效率提高4个百分点以上,常规运行和电动机随动变速运行电动机效率和系统效率对比见表1。
2.2
现场应用效果
在现场选取了不同工况的462口井开展了电动
机随动变速运行技术应用后的效果评价。
2.2.1
高沉没度井应用效果
开展了147口高沉没度井测试,应用电动机随动变速运行技术前后效果对比见表2,系统效率提高了5.7个百分点,单井日产液增加4.7t,实现了耗电不升,提高了举升能力。
表2
高沉没度井应用随动变速运行技术前后效果对比
Tab.2Comparison of the effect of high-submergence wells before and after the application of variable speed operation
technology
对比应用前
应用后
日产液/
t 42.246.9
沉没度/m 489253
泵效/%58.060.4
日耗电/kWh 216218
系统效率/
%22.428.1
2.2.2超负荷井应用效果
开展了42口超负荷井测试,这些井原来经常性出现过载停机,超负荷井应用随动变速运行技术前后效果对比见表3,功率峰值降幅37.4%,运行时率由82.4%提高到96.5%,单井日产液增加5.7t,不但提高了举升能力,而且大幅减少了换机工作量。
表3
超负荷井应用随动变速运行技术前后效果对比
Tab.3Comparison of the effect of overload wells before and after
the application of variable speed operation technology
对比
应用前应用后
机型14
时率/%82.496.5
日产液/t 83.889.5
动液面/m 596675
泵效/%46.049.4
峰值功率/kW 52.232.7
峰值功率降幅/%37.4
表1
常规运行和电动机随动变速运行电动机效率和系统效率对比
Tab.1Comparison of motor efficiency and system efficiency between regular running and motor with variable speed operation
运行状态常规运行动态运行常规运行动态运行常规运行动态运行常规运行动态运行
泵径/mm 57
冲程/m 3
冲次/(次·min -1)
6
96
9动液面/m 600
600800
800电动机效率/%69.3376.8871.0480.1377.2882.3280.7783.81
电动机效率提高百分点7.55
9.095.033.03系统效率/%46.6952.6842.3052.1853.8258.4749.0057.02
系统效率提高百分点
5.99
9.88
4.65
8.02
2.2.3老区油田低沉没度井应用效果
开展了79口大庆老区油田低沉没度井测试,老区低沉没度井应用随动变速运行技术前后效果对比见表4,系统效率提高了3.6个百分点,节电率17.7%,单井年节电14760kWh。
表4老区低沉没度井应用随动
变速运行技术前后效果对比
Tab.4Comparison of the effect of low-submergence wells in old district before and after the application of variable speed
operation technology
对比应用前应用后日产液/
t
31.7
32.0
沉没度/
m
134
132
泵效/
%
33.4
40.0
日耗电/
kWh
231
190
系统效率/
%
16.6
20.2
2.2.4外围油田低沉没度井应用效果
开展了76口大庆外围油田低沉没度井测试,外围低沉没度井应用随动变速运行技术前后效果对比见表5,系统效率提高了6.2个百分点,节电率23.4%,单井年节电11520kWh,实现了产量不降,节能增效。
表5外围低沉没度井应用随动
变速运行技术前后效果对比
Tab.5Comparison of the effect of peripheral low-submergence wells before and after the application of variable speed operation
technology
对比
应用前应用后日产液/
t
4.83
4.87
沉没度/
m
164
160
泵效/
%
26.3
36.8
日耗电/
kWh
137
105
系统效率/
%
12.6
18.8
2.2.5合理沉没度井应用效果
开展了118口合理沉没度井测试,合理沉没度井应用随动变速运行技术前后效果对比见表6。
系统效率提高了3.3个百分点,单井日产液增加1.3t,节电率12.8%,单井年节电13320kWh。
表6合理沉没度井应用随动
变速运行技术前后效果对比
Tab.6Comparison of the effect of reasonable low-submergence wells before and after the application of variable speed operation
technology
对比
应用前应用后日产液/
t
55.3
56.6
沉没度/
m
334
332
泵效/
%
56.1
59.5
日耗电/
kWh
289
252
系统效率/
%
24.0
27.3
3应用前景分析
3.1数字化油田领域的应用
应用游梁式抽油机电动机随动变速运行技术无
需改变原有抽油机和电动机,在现场应用中表现出
了提高举升能力、降能耗、降功率峰值、削减负扭
矩等显著效果,系统设备运行稳定,可实现载荷、
扭矩和电参的数字化,具备远传控制、能耗计算等
功能。
3.2保障游梁式抽油机高效运行
电动机随动变速运行技术可在10~100Hz超宽
频率范围内实时调整电动机速度,当地层供液发生
变化时,无需更换抽油机、抽油泵和电动机等设备
就可以实现供排协调,油井高效运行。
当油井产量明显增加(比如地层压裂等增产措
施),动液面偏高的情况下,可做到自动调高频
率,提高抽油机冲次;当油井产量明显降低,出现
严重供液不足的情况下,可与不停机间抽技术有机
结合,即:地面示功图充满度严重偏低时(小于
65%)抽油机曲柄自动进入摆动运行、井下泵停抽
状态,地面示功图充满度大于一定值时(大于等于
65%)抽油机自动进入电动机随动变速连续运行
状态。
因此,电动机随动变速运行技术的合理应用,
既可以节省一次性投资,又能保证油井高效运行。
3.3提高电动机运行稳定性
有些无转差率的特种电动机比如永磁电动机、
开关磁阻电动机等同步电动机,固有特性刚性强、
运转时设备冲击大,电动机随动变速运行技术应用
到这种电动机的油井上,不但能提高设备可靠性和
稳定性,延长设备使用寿命,还能保持油井高效
运行。
4结论
1)该技术在不改变游梁式抽油机结构的条件
下,按供采平衡原则主动调整电动机运行速度,能
够使游梁式抽油机的整体运行效果接近直线式抽油
机的水平。
2)该技术运行方式特征为重载慢驱、轻载快
驱的运行模式,保障电动机功率平稳输出,使得系
统的运行速度范围大幅提高,并且实现了柔性运
行,减轻地面传动系统和整个杆柱结构的疲劳环
境,延长设备使用寿命。
3)该技术在现场应用中表现出提高举升能
力,在一定程度上提高电动机效率和抽油机系统效率、降能耗、降功率峰值、削减负扭矩等显著效果,系统设备运行稳定,降低减速箱振动,减少设备冲击,技术有效性和可靠性得到了充分验证。
4)该技术现场应用于不同工况油井,均见到了明显效果,同工况油井节能提效明显,低负载油井节能效果突出,高负载油井提高了系统举升能力,高沉没度油井提液增效显著。
5)该技术可在游梁式抽油机全生命周期内发挥特有的优势,游梁式抽油机是油田第一大举升方式,在用井数众多,该技术应用空间广阔。
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收稿日期2022-04-12
(编辑冷静)。