變速驅動

隨着油田開發進入中後期，地層的能量逐漸下降，極易出現油井開採速度大於地層供液能力的情況，此時，過快的抽汲速度並沒有帶來產量的提高，卻浪費了大量能量，系統效率降低；同時，由於井下供液能力不足，造成井下抽油泵的充滿程度較低，當柱塞上行時，泵筒不能被液體完全充滿，遊動閥到泵內流體液麪的這段空間內將形成一個低壓區。在下衝程過程中，遊動閥在低壓區無法打開，當遇到泵內流體後，遊動閥迅速打開，載荷從抽油杆柱轉移到油管柱上併產生液擊現象。液擊的產生會給系統帶來強烈的振動波，增加懸點的附加動載係數，有時能達到30%以上，使系統壽命降低，能耗增加。

變速驅動技術在原油集輸、供水、採暖供熱等領域都取得了較好的節能效果，極大地改善了系統的供需平衡狀況。針對這一情況，國內外學者提出將變速驅動技術運用到抽油系統上，以協調油井的供液能力，降低抽油杆柱的載荷大小及應力波動，減少油田運行過程中的維修費用以及用電費用等。 ^[1] 

從變速的作用範圍來看，可以將變速驅動技術分為宏觀變速驅動和微觀變速驅動2大類。

該變速驅動技術主要從衝次層面上對油井抽汲速度進行調節。在抽油機井中，衝次反映的是柱塞平均每分鐘完成一個完整的上下往復運動的次數，表徵的是整個系統運行的 平均 運動速度。衝次提高，電機的平均轉速、曲柄的平均角速度以及抽油泵的平均抽汲速度等也會隨之提高。抽油機變速驅動技術在發展初期，主要是通過調節抽油機井的衝次來實現供採平衡的。由於衝次描述的是一個週期系統整體的運行快慢，是個宏觀物理量，所以此時以調節衝次為基礎的變速驅動技術又稱為抽油機宏觀變速驅動技術。

該變速驅動技術將衝次不斷細化，在保證整體衝次基本不變的前提下，深入到衝次週期內每一時間點的系統抽汲速度，通過改變一個週期內電機速度的分佈剖面，對抽油機系統進行變速調節。在油井的生產狀況、地層供液能力不變的情況下，針對特定的預期目標，例如產量提高或能耗降低，理論上一個週期內每一時間點電機的轉速都有一個最優值，抽油機微觀變速驅動與控制技術就是為了在不同油井條件下實現系統最佳運行狀態。

根據變速原理的不同，抽油機變速驅動的實現方式主要可以分為2種。

1）調壓調速。

當負載轉矩一定時，電源電壓降低會使轉差率增大，電機轉速減小，利用異步電機的這種機械特性，通過改變電源電壓的大小對異步電機的轉速進行調節。

2）變頻調速。

根據異步電機轉速公式，電機轉速與電源頻率成正比，通過改變電源頻率的大小可調節異步電機的轉速。 ^[1] 

抽油機宏觀變速驅動技術主要針對於泵充滿度不高的抽油機井，通過調節衝次，使泵的充滿程度維持在一定的理想範圍內。由於泵充滿度無法在地面直接測量，所以採用智能控制技術，其工作原理是通過分析一些可測量動態參數與泵充滿程度的關係，間接判斷泵充滿度的大小，進而進行小幅度的調節，再依據這些動態參數的反饋信息作為下一週期變速控制的依據。主要動態參數為懸點示功圖以及動液麪深度。根據動態參數的不同，將基於衝次調節的智能控制技術分成以下2類。

1、基於懸點示功圖的衝次智能控制

（1）判斷依據

懸點示功圖反映的是抽油杆柱在懸點位置所受載荷與懸點位移的對應關係，隨着泵充滿程度的不同，抽油杆柱所受的載荷的大小也不一樣。通過分析懸點示功圖的形狀，可以判斷該工況下泵的充滿程度。

典型的泵充不滿的懸點示功圖如圖1所示。

由於泵內供液不足，導致下衝程開始後泵內壓力基本不變，遊動閥無法及時打開，造成卸載延遲。通過計算AD′與AD的比值或者ABCD′A圍成的面積與ABCDA圍成的面積的比值可以判斷泵充滿程度的大小

（2）控制流程

提高抽油機衝次後，AD′的長度或者ABCD′A圍成的面積沒有降低，則説明此時井內供液充足，衝次仍有提高的空間；如果降低衝次後，AD′的長度或者ABCD′A圍成的面積沒有增加，則説明此時懸點示功圖已經非常飽滿，不需要再降低衝次來提高泵的充滿程度。

（3）技術特點

1）需要安裝動力示功儀測量懸點載荷與懸點位移的數據。

2）可實現對泵充滿度的定量估計。

3）傳感器的精確性和穩定性直接影響變速驅動效果的好壞。

4）示功圖面積或示功圖特徵長度的計算可利用計算機完成，計算量小，且整個過程可實現實時變速控制。

2、基於動液麪深度的衝次智能控制

（1）判斷依據

該方法主要是通過直接或間接測量動液麪深度，並根據下泵深度的大小來判斷井下供液情況，實現抽油機井的變速運行。而對於深井泵來説，泵的入口壓力一般低於流體的飽和壓力，在泵的抽汲過程中氣體容易析出，降低泵的充滿度，所以沉沒壓力的大小與泵的充滿程度有關。

隨着衝次的降低，泵的理論排量減小，動液麪深度會隨之增加，沉沒壓力增大，氣體不易析出，泵內氣液比會相應降低，泵的充滿係數會逐漸增加。

（2）控制流程

若動液麪深度降低，可適當降低衝次，提高泵的充滿程度，在維持產量不變的情況下降低系統能耗，提高系統效率；若動液麪深度增加，説明此時井下供液充足，泵的充滿程度較高，可適當提高衝次，增加產量。

（3）技術特點

1）利用單聲道或雙聲道回聲儀可對動液麪深度進行實時測量。

2）該方法只能通過對比前後兩次動液麪深度的變化對泵充滿度進行定性分析。

3）該方法需根據現場條件預先設定理想動液麪深度值，通過實時測量值與該值的對比，實現智能控制。 ^[1] 

微觀變速驅動技術主要是針對抽油機平衡狀況差，系統效率低，能耗大等問題，通過改變電機轉速，以調節系統的運行狀況，降低轉矩波動以及能量損失。

1、節能機理

1）通過調節電機轉速，可以控制曲柄角速度的變化規律，並根據抽油機四連桿的幾何特點，可以得到光桿運行速度與曲柄轉速的關係，即電機轉速會影響光桿的運行規律。在上下衝程過程中光桿的“快提慢放”能減少漏失，提高泵效；“慢提快放”則能提高泵的充滿係數。

2）與恆轉速驅動相比，變速驅動使抽油機的轉動部件產生慣性轉矩，合理利用慣性轉矩可以降低電機轉矩的峯值及波動。

3）電機功率是電機轉矩和電機轉速的乘積，而常規的轉矩曲線為類似正弦 曲線峯谷相夾的形狀，合理設計電機轉速，在載荷較大時使電機減速，避免高功率運行；在載荷較小時使電機加速，避免電機反轉，可實現“重載慢行，輕載快行”的效果。

2、研究進展

與宏觀變速驅動技術改變衝次這一單一數值相比，抽油機井微觀變速驅動技術調節和優化的是每一時間點的系統驅動速度，需要設計一個週期內一系列電機轉速值，這就意味着微觀驅動技術更復雜，考慮的問題更系統。目前主要的處理辦法就是建立系統仿真模型，對抽油系統主要部分的運行動態進行模擬，在達到一定模擬精度的基礎上，將微觀變速驅動的電機轉速設計問題轉化為模型優化的數學問題，以電機轉速為優化對象，通過設立目標函數及約束條件，選擇合適的優化算法對問題進行求解。考慮到傅里葉級數在描述週期性函數上的優勢，在建立優化對象時，大多采用傅里葉級數來表示一個週期內電機轉速的變化。 ^[1]