摘要：随着海上注水开发滞后，地层能量不能及时恢复，生产压差大，地层脱气及油层出砂加剧，油藏条件不断恶化，地面设备老化造成非正常停电次数频繁，给老井管理带来很大的难度，躺井逐年增多，如何有效的降低躺井风险，延长油井检泵周期，控制作业成本，全面提升油井管理水平是每个从事油井生产管理人员迫切面对问题，潜油电泵变频器作为近几年推广使用新型节能产品，逐渐被认知和推广，下面仅对其使用情况以及应用效果进行交流。
关键词：电泵；变频器；节能；躺井
一、前言
目前，管理区共有潜油电泵井127口，占机采井的95.5%；平均挂泵深度为1397米，平均单井日产液量57吨，平均单井日产油22 吨，抽测37口电泵井平均系统效率14.2%。2008年12月底，统计潜油电泵平均检泵周期为1400天，生产时间最长的CB20B-2井已正常生产3240天。埕岛油田全面投入开发15年来，随着海上注水开发滞后，地层能量不能及时恢复，生产压差大，地层脱气及油层出砂加剧，油藏条件不断恶化，地面设备老化造成非正常停电次数频繁，给老井管理带来很大的难度，躺井逐年增多。2008年全年机采井躺井率0.78%，电泵井躺井9口，占躺井总数的90%，其中由于供液不足、频繁开关井等造成机组绝缘老化躺井的占6口，占躺井总数的66.7%。
由于海上受作业平台及修井工艺的限制，平均单井作业成本在300万元左右，是陆地采油厂单井作业的30倍，昂贵的作业修井费与逐年递减的成本之间矛盾日益突出。我们牢牢树立“降低躺井就是挖潜”思想意识。如何有效的延长油井免修期，降低躺井率，控制作业成本，全面提升油井管理水平是每个从事油井生产管理人员迫切面对问题。
表1 近几年管理区躺井统计表
二、潜油电泵运行中存在问题
2.1、潜油电机全压启动时的大电流易造成机组绝缘损坏。潜油电机为鼠笼式异步电动机，其全压启动时，启动电流一般为额定工作电流的6-7倍，对潜油电机、电缆的绝缘造成很大的电冲击，极易使绝缘老化的机组造成相间短路及相地短路。
2.2、由于潜油电泵井启动时瞬间电流很大，为避免启动时电流陡增致使电压跌落而造成其它电气设备不能正常运行，需要配备的基础电源设施容量必须很大（如：目前海底电缆及变压器容量远大于负载所需容量，即通常所说的“大马拉小车”现象），从而造成极大的资源浪费。由于全压启动时潜油电机由静止到额定转速的时间极短，瞬间有很大的扭矩输出，使机组瞬间承受剧烈的机械冲击，从而易造成机组断轴故障。
2.3、潜油电机速停机产生操作过电压造成机组绝缘损坏。潜油电机属电感负载，当电机电流由额定电流值瞬间变为零时，很大的电流变化率di/dt，使电机感应出比工作电压高10倍以上的操作过电压。从而容易造成电机及电缆绝缘击穿。
2.4、由于地质情况复杂，设计时很难准确地将机组功率、泵排量与地下储油量等参数达到一个合理配置。潜油电泵工频运转时，引起转矩电流变化较大，造成线路压降变化，从而使电机端电压变化较大，易引起电机过励磁和欠励磁，加之井下电机散热较差，极易烧毁电机。
2.5、无法根据液面变化自动控制排量，使机组始终保持在一个合理沉没度区内运行，造成机组工作效率低，浪费能源。
2.6、 由于海上电网分布成网状向四周散射分布，供电线路过长，造成功率因数偏低，机组效率降低。
2.7、 当出砂、油稠、结垢或其他原因过载停机，需短时间反转时，突然施加反向扭知，易造成机械及电器设备损坏。
目前海洋采油平台每口潜油电泵井的作业维护费用在三百万元左右。为延长机组使用寿命及降低作业维护费用，采用变频控制系统可有效弥补以上不足。
三、选井原则
考虑到中压变频器的成本及海上平台空间限制，大量配置变频器显然不合实际，如何更好的使用变频装置，实现有效的降本增效，并有效延长油井免休期。为此，首先我们开展了海上潜油电泵井工况大调查，针对井下安装毛细管测压装置的18口电泵井进行系统分析，后编制电泵井系统效率测试软件，对其中有代表性的10口井进行数模分析，建立了相关的宏观控制图和效率控制图。
表5 电泵井各部分功率损失统计表
我们应用电潜泵宏观控制图软件对10口抽样井进行绘制，结果如图4所示，应用电
潜泵系统效率控制图对10口抽样井进行绘制，结果如图5所示。
如图所示，10口抽样井的宏观控制图显示有四口井在合理区（
区），三口井在潜力区（
区），二口井在生产异常区（
区），一口井在供液不足区（
区），资料待查区（
区）没有井分布。
图表4抽样井电潜泵宏观控制图 图5 抽样井电潜泵系统效率控制图
如图所示，10口抽样井的系统效率控制图显示有七口井在合理区（
区），一口井在参数偏大区（
区），二口井在抵消调整区（
区），其它两区没有井分布。
表6 CB1D-6井 平均损耗及效率
从上表6可知，CB1D-6井电缆损耗占总损耗的10.36%，电机损耗占总损耗的12.98％，而电机以后的损耗占总损耗的76.74%，是能耗的主体，泵效低是系统效率低的主要原因。如果把电缆和电机定义为动力系统，电机以后的分离器、泵、油管、油嘴定义为工作系统，则动力系统总效率为79.32%，而工作系统总效率仅为14.06%，实际上这个工作系统总效率就是计算中定义的泵效，因此说，泵效低是抽样井系统效率低的主要原因。为此，2005年7月5日，在CB1D-6井加装变频装置，目前该井生产稳定，生产检泵周期在1087天。
通过几年的运用摸索对比，总结以下电泵井需加装变频装置：
1）出砂、油稠、结垢严重井需考虑加装变频装置；
2）低产低泵效井需考虑加装变频装置。
四、技术优势
1、改造后电潜泵系统具有明显的节能效益
由于原来的油井一旦选定电潜泵采用的适配型号后，电潜泵固有排液能力就无法改变，为了适应每口井的动态地质需要，采取了调参（更换油嘴）方式限定电潜泵的固定排液能力来满足地层供排要求，为此这种方法使得电潜泵的系统效率大大降低，增加了采油耗电量，加大了吨液成本。采用变频器对电潜泵系统进行改造后，可通过调整变频器频率来调整井下电泵机组的转速，从而与地层实际供液能力相匹配，实现真正意义的“供排平衡”，并且变频操作简单、使用方便、安全可靠。
2、 改造后电泵井检泵周期延长，采油时率得到有效提高
电潜泵系统各部件使用寿命延长是由以下几个方面决定的∶
2.1 电潜泵工作的电环境得到改善
改造前，电潜泵工作在电压波动＋15%～－20%，而且浪涌电压和毛刺电压出现频次高。改造后，原电源通过变频器的滤波及隔离作用，使得电潜泵工作电压基本稳定。
2.2 变频器具有软启动功能，延长系统的使用寿命
软启动解决了因启动带来的电冲击和机械冲击，延长了系统的电气使用寿命和机械使用寿命。
2.3 变频器的调速功能，延长系统的使用寿命
以前电潜泵为保证地层供液与泵事项匹配，采用的是调参限产，电潜泵机组仍然工作在高速状态下。采用变频器后，电潜泵实现“供排平衡”，电泵机组实现降速调节方法，保持在合理的转速状态下工作，因此电潜泵的机械使用寿命得到延长。
根据实际运行记录统计，安装变频器后，平均电潜泵使用寿命可提高近一倍。
3 改造后解决了电潜泵因砂卡造成的故障
系统改造前，如出现砂卡，一般采用倒灌洗井或把电潜泵提出地面进行解决，维护成本高，又影响生产。改造后，如出现砂卡，可采用反转法把泵内的存砂排出，无须洗井或对电潜泵实施作业提出管柱进行解决。一般在出现砂卡时，可用变频器低速倒转排砂20分钟，即可正常开机。即节省时间，又节省洗井费用（每次约40000元），基本不影响生产。
4 改造后功率因数得到了提高
改造前，一般功率因数在0.8左右，改造使用变频器后，功率因数一般在0.95～0.98。因此降低了系统的无功损耗，满足国家对电网功率因数的要求。
5 具有完善的自控功能，完全满足海上生产需要
根据海上自动化监控的需要，对变频器的二次控制回路进行了改造，实现了变频器的遥控启停、三相电流、电压和频率远传功能，变频器的各项运行数据可在中心平台中央控制室进行实时监控；同时，为满足无人调频和变频器故障处理的需要，增加了遥控调频和遥控故障复位功能，中央控制室监控人员可通过监控微机实现变频器的遥控频率调整和故障停机后的遥控复位处理，真正实现变频器的无人监控、调整、操作，满足了海上无人值守的要求。
五、变频器应用效果分析
5.1、节电效果明显
2004年7月10日，海三管理区在CB351单井安装试验了一台1140V潜油电泵专用变频器，其主要技术指标如下：
输入：三相、50Hz、线电压1140V+15%～20%
容量：75KW
输出：频率2～50 Hz 连续可调，额定电压1140V
过载能力：150%，1分钟
保护功能：过压、欠压、过流、短路、缺相、温升过高、失速等。
油井生产情况：CB351井采用电潜泵生产，生产层位东营组，油层厚度12.9米，日液72吨，日油35.9吨，含水50.2%。由于该井为单井平台，平台无动力电源，因此采用发电油轮供电、油船靠井生产的方式进行。该井自2002年8月电泵投产以来，一直使用的智能软启控制柜进行生产，油井启停次数已超过90次，当时井下电缆、机组对地绝缘为10兆欧。
安装方法：与电泵控制屏软启动器进线并联在一起，软启动器的输出接变频器的输出接线端，变频器的输出接井下机组安装完毕，频率运行范围在40～45Hz试运行2天。
2004年8月2日，胜利油田技术检测中心能源检测站采用DJYC-95型电机经济运行测试仪（电流、电压0.5级，功率1.0级），对CB351井1140V潜油电泵专用变频器的节电效果进行了现场测试，得出结论如下：、
A 功率因数得到提高，由0.72提高到0.92。
B 有功功率降低幅度较大，有功节电率达到了23.85%，无功节电率为39.1%，综合节电率为21.34%，节电效果较好。
5.1.1 经济效益分析
1）节电效益分析∶
以CB351单井为例∶
泵型—QYB98，排量—60m3/d，泵挂—1402m，
电机功率—62Kw，电压—1130V，电流—46A。
将电潜泵改造为变频调速控制，其节能效果计算如下：众所周知，泵的流量Q与电机转速成正比，压力H与电机转速平方成正比，轴功率P与电机转速立方成正比，即：
Q ∝ n，H ∝ n 2，P ∝ n 3
则：电潜泵改造为变频调速控制后，一般运行在42Hz和47Hz时，节电率为∶
1－（0.84）3＝1－0.70＝30%
1－（0.94）3＝1－0.83＝17%
从查曲线来计算：
图6 功率—流量特性
从图6中可以看出：
在流量为84 % 运行时，变频器运行可节电30%。
在流量为94 % 运行时，变频器运行可节电17%。
这是理论数学公式计算与插曲线的结果，考到实际运行情况，如电动机空载电流、摩擦力矩和水泵效率变化等因素的影响，实际节电率稍有下降，一般在12～22%，取中间值17%。
全年电潜泵工作时间为（考虑检修等因素后）：
300天x 24小时/ 天 = 7200 小时
全年节约电量：55kw x 7200小时x 17% = 6.7万kwh
全年节约资金：
按市工业电价0.5元/KWh计算：
5元/KWh x 6.7万KWh = 3.36万元，
2）设备寿命延长效益分析∶
电潜泵安装变频调速系统后，设备作业周期平均延长一倍左右，按平均延长80%计算，每次作业费用按300万元计算，则设备寿命延长效益是∶
300×0.8 =240万元，
为此，节电与节约作业费用的年总效益约为∶
3.36＋240 = 240.36万元。
5.2、改善油井工况，延长油井寿命
如CB1D-6井：2005年1月20日作业开井，生产波动，采取水伤害处理剂和柴油解堵后未恢复稳定生产。分析认为由于该井作业周期较长，地层污染较为严重。为此，我们应用了电泵井加装变频技术，它不仅能实现启动电压和电流逐步上升，降低启动电流对电缆的冲击，有效保护电缆绝缘，还能够根据油井地层的供液情况，随时调整泵的排量，达到供给与采出之间的平衡，使油井始终处于最佳的工况下运行，延长了油井免修期。目前CB1D-6生产资料稳定，日产液量92t/d，日产油量4t/d，含水94%，免修期达达到了1087天。
六、结论
6.1、采用变频器对电潜泵系统进行改造后，可使每口井的采油量连续可调。这样既能最佳的适配地质要求，又能使得电潜泵系统工作在高效率状态下，降低了采油成本。
6.2、采用变频器对电潜泵系统进行改造后，节能效果明显，按前面的测算节能达15～30%，同时电潜泵系统各部件使用寿命延长，减低了采油成本。
6.3、电动机起动对电网没有冲击，系统综合效率高达98%，功率因数高达95% 。
6.4、电潜泵长期处于低速运转状态，油泵噪声随之降低，电泵延长了使用寿命，维修量下降，节约维修费用和维修时间。
6.5、电潜泵专用变频调速装置具有节能效果好，能与油井负荷相匹配，具有完善的保护功能，良好的数据采集和存储功能，以及遥控遥测功能，是一项值得大力推广的优秀项目。
参考文献：
[1]鄢艳.变频驱动装置对电潜泵效率的影响[J].国外石油机械，1996，（03）.
[2]葛利俊，骆建勇，李迎春.电潜泵中压变频调速系统的改进[J].石油机械，2002，（07）.
论文作者:杨国宾
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：变频器论文; 油井论文; 系统论文; 电机论文; 电泵论文; 作业论文; 机组论文; 《基层建设》2019年第2期论文;