伺服電機在延川南煤層氣機抽井上的應用

金華，姚榮昌

（中國石化華東分公司非常規資源勘探開發指揮部，山西鄉寧042100）

伺服電機在延川南煤層氣機抽井上的應用

金華，姚榮昌

（中國石化華東分公司非常規資源勘探開發指揮部，山西鄉寧042100）

伺服電機是一種將輸入的電壓信號轉換成軸上的角位移或角速度輸出的新型電機，它可實現有控制電壓時轉子立即旋轉、無控制電壓時轉子立即停轉，且可對電機扭矩進行自由控制，從而具有實現節能和精確控制的雙重優點。介紹了伺服電機的原理，并對其在延川南煤層氣田的應用效果進行對比和分析，針對伺服電機的高啟動轉矩和寬調速范圍的特點，證明其在煤層氣開采中具有很好的推廣前景。

伺服電機；節能；煤層氣；機抽

煤層氣又稱煤層甲烷氣，是在成煤過程中形成并賦存于煤層中的一種非常規的天然氣。這種天然氣大部分（70%～90%）以吸附狀態賦存在煤巖基質中，少量成游離狀態存在于煤的割理和其它孔隙、裂隙中，還有少許溶解在煤層水中。煤層氣吸附的特性決定了開采煤層氣需要降低井底壓力，使煤層氣脫離吸附，解吸產出，排采煤層水是煤層氣開采的必經歷程[1]，因此，舉升工藝是煤層氣井排采的關鍵因素之一。

延川南煤層氣田位于鄂爾多斯盆地東南緣，區塊面積700平方千米，區域內主采層位為山西組2#煤，煤層氣資源儲量達740億立方米。該區域是中國石化煤層氣產建的核心區域，5億立方米煤層氣產建共計劃投產排采井超過940口，截至2014年底，已累計完成排采井投產800余口。

延川南工區先后試驗使用過螺桿泵、電潛泵、皮帶式抽油機、提撈式抽油機等多種舉升工藝，通過優選，最終確定以有桿泵機抽體系為主導的舉升工藝[2]。目前，延川南工區舉升工藝有常規機抽、電潛泵和射流泵三種，其中機抽井達95%以上。抽油機機型為5型、6型、8型和10型機為主，其中5型、6型機占98%（圖1），絕大多數采用游梁式抽油機。電機以11kW、15kW調頻電機為主，抽油機選型和使用基本合理[3]，但也存在不少“大馬拉小車”、低液量井沖次調節控制難等問題。

圖1 延川南機抽參數分布圖Fig.1 Pumping unit and electric motor parameter distribution of South Yanchuan area

1 伺服電機原理

伺服電機的作用是將輸入的電壓信號（即控制電壓）轉換成軸上的角位移或角速度輸出，在自動控制系統中常作為執行元件，所以伺服電機又稱為執行電動機。其最大特點是：有控制電壓時轉子立即旋轉，無控制電壓時轉子立即停轉。轉軸轉向和轉速是由控制電壓的方向和大小決定的。伺服電機主要由電機和伺服控制器組成。

1.1 伺服電機

伺服電機的結構與普通三相交流異步電動機沒有什么區別。伺服電機的定子有兩相相差120度電角度的交流繞組，分別稱為勵磁繞組和控制繞組，其轉子就是普通的籠型異步電動機的鼠籠繞組[4-5]。圖2為交流伺服電動機的接線圖和向量圖。使用時，勵磁繞組接單相交流電，在氣隙產生脈振磁場，轉子繞組不產生電磁轉矩，電動機不工作。當控制繞組接上相位與勵磁繞組相差90度電角度的交流電時，電動機的氣隙便有旋轉磁場產生，轉子將產生電磁轉矩轉動。當控制繞組的控制電壓信號撤除后，如果是普通電機，由于轉子電阻較?。ǜ鶕p旋轉理論），脈振磁場分解的兩個旋轉磁場各自產生的機械特性的合成結果是產生的電磁轉矩大于零[6]。因此，電機轉子仍然保持轉動，不能停止。而伺服電機，由于轉子電阻大，且大到使發生最大電磁轉矩的轉差率Sm＞1。脈振磁場分解的兩個旋轉磁場各自產生的機械特性的合成結果是產生的電磁轉矩小于零，也就是產生的電磁轉矩是制動轉矩，電機將在這個制動轉矩作用下將很快停止轉動。

1.2 伺服控制器

圖2 交流伺服電動機接線圖和向量圖Fig.2 Wiring diagram and vector diagram of alternating current servomotor

伺服電機的核心為伺服控制系統，高性能的伺服系統，大多數采用永磁交流伺服系統，其中包括永磁同步交流伺服電動機和全數字交流永磁同步伺服驅動器兩部分[5]。伺服驅動器有兩部分組成：驅動器硬件和控制算法?？刂扑惴ㄊ菦Q定交流伺服系統性能好壞的關鍵技術之一[5]。伺服控制器內部由專用的32位可編程DSP芯片處理器為核心組成的伺服系統，具備強大的運算能力和復雜的控制算法，配備有高集成的驅動電路，能實現設備的數字化、網絡化和智能化；通過電子線路對交流異步電動機進行實時數字檢測與跟蹤，能精確地檢測交流異步電動機工作時的電流、力矩、速度、位置，并匹配輸入交流異步電動機所需的電能，從而改善電機的運行條件，降低無效用功，減少電機的發熱、振動、噪音和鐵磁損耗，節能降耗。

2 伺服電機特點

1）啟動轉矩大。伺服控制器將電流環、速度、位置環、力矩都閉合進行控制，在零速時伺服器就能使交流步電動機提供200%的軸扭矩，轉矩控制精度±5%，最大可提供一分鐘300%的額定轉矩，低速輸出轉矩大，更適合滿載啟動的場合，可大大降低電機選型功率[4]。

2）實現無級調速。伺服控制器可精確地控制電動機的轉速，速度的控制精度±0.1%，可根據不同井況選擇運行速度，沖次從0.10次/分至15次/分任意可調，同時可大范圍地單獨調節抽油機的上提、下放速度，可以實現快提慢放、慢提快放、慢提慢放等功能，不僅使沖次可調范圍大大增大，對現場進行碰泵、卸載等操作也極為有利。

3）全數字化模式。伺服控制器內部的程序在運行的過程中，同時對伺服控制器的狀態、電動機的狀態和液位傳感器、載荷傳感器、流量傳感器、壓力傳感器等反饋的信號進行實時的采集、運算、記錄，可方便進行智能化、現代化、數字化油田的建設。

4）改裝方便?？芍苯佑矛F場采用的三相異步電機簡單改造，加裝信號采集器，配以伺服控制器即可形成伺服系統電機，可大大節約現場使用成本。

3 應用效果分析

3.1 節能效果分析

由于抽油機帶載起動，電機起動時必須有足夠大的扭矩才能起動抽油機，當抽油機正常運轉時，實際扭矩遠遠小于起動時的扭矩。試驗證明，抽油機正常運轉時電機輸出扭矩為電機額定扭矩的30%左右，偏高的電機選型造成了“大馬拉小車”現狀。

伺服電機抽油機啟動時，利用力矩控制系統，精確控制轉矩，最大轉矩可達電機額定轉矩的三倍左右，電機功率選型可進一步降低。當抽油機啟動后，力矩跟隨速度控制系統，可根據排采井實際工況，選取適當的力矩，從而進一步確定轉動速度。通過力矩跟隨，配合抽油機的平衡塊儲能，從根本上解決了抽油機下行時抽油機反拖電動機發電的現象，提高了系統效率。表1為不同電機與選井情況的統計。

表1 延川南區塊節能電機對比選井情況統計Table 1 Offset well selecting situation statistics of energy-saving motor in South Yanchuan block

3.1.1 W25平臺應用

為了便于現場對比，前期現場分別選取井深相近、泵徑相同的12口井進行了對比試驗，其中4口井采用15 kW調速電機，4口井采用11 kW三相變頻調速電機，4口井由11 kW調頻電機改裝為7.5 kW伺服電機。

上述12口井工況基本相近，井下負荷差別不大，經過前期應用，對用電量進行對比，結果如下：1）4口井15 kW調速電機平均單井日用電量76.1～85.6度；2）4口井11 kW調頻電機平均單井日用電量8.4～13.1度；3）4口井7.5 kW伺服電機平均單井日用電量4.7～8.2度；4）Y3-42-32井由11 kW調頻電機更換為7.5 kW伺服電機后平均日用電量由13.1度降到9.6度，節電達到30%（圖3）。

圖3 不同電機日耗電量情況對比曲線Fig.3 Daily power consumption contrast curves of different electric motor

3.1.2 Y8井應用情況

Y8井為工區內一口探井，井深1 250 m，由于井眼軌跡問題，管桿偏磨嚴重，井下負載大，能耗極高，2014年11月該井嘗試更換18.5 kW伺服電機，通過調試，目前該電機運行正常，能耗得到明顯降低（表2）。

通過對比分析，伺服電機節能效果較為明顯，和普通調速電機相比，節能幅度達60%以上，和調頻電機相比，其節能幅度也達20%～40%。

3.2 現場控制能力分析

目前現場普遍存在低液量井流壓控制難的問題，以現場廣泛應用的調頻電機為例，即使換用小皮帶輪后沖次最低也只能降至0.3次/min左右，多數井沖次在0.4次/min以下就已不能繼續下調，而根據統計，目前工區萬寶山產建新井平均日產液量僅為0.8 m3左右，產氣后液量會進一步降低，部分井日產液量低于0.3 m3，以目前的電機所能調整的沖次下限，都不能滿足制度需求。

表2 Y8井更換伺服電機前后參數變化對比Table 2 Parameter contrast before and after replace of servo motor of well Y8

表3 W122、W123平臺機抽控制問題井生產現狀Table 3 Production status of platform W122 and W123

而伺服電機可以克服低轉速下的扭矩偏高的問題，根據對安裝伺服電機的Y3-38-46進行現場試驗，當沖次下調至0.04次/min左右時，機抽系統仍運行正常，沖次可調范圍大大擴展，這在很大程度上，能夠解決現場低液量井流壓控制難的問題。

對于區塊西北部偏深的井，由于井深深（大于1 550 m）、日產液量低（小于0.8 m3），在使用調頻電機時，低轉速、高載荷導致沖次下調空間進一步被壓縮，以W122、W123平臺的部分井為例。

表3中三口井均為低沖次運行時抽油機頓挫、沖次無法下調，影響排采制度實施的問題井。2015年1月，對Y6-48-26井試驗更換7.5 kW伺服電機，更換后，沖次可調范圍明顯增大，目前現場沖次可調低至0.20次/min，抽油機運行平穩，滿足工作制度要求，運行電流由22/19變為目前的12/11,在現場控制和節能兩方面，均有較大提升。

此外，伺服電機控制器還可實現自定義間抽功能，定時啟停抽油機。目前現場部分低液量需間抽井一般為人為啟停，一次停抽時間偏長，會造成流壓較大幅度的波動，通過設置伺服控制器的啟停時段，可實現間抽時段間隔的分散化，既方便現場控制、又能保證煤層氣井的平穩、連續排采。

4 結論

煤層氣開采具有低豐度、高密度布井、低成本開采的特點，排采過程要求連續、平穩、緩慢。因此，節能降耗和排采精細控制是煤層氣排采管理的重點。伺服電機因其節能性和控制靈活性，在現場應用已經獲得了較好的效果。隨著延川南煤層氣產建的結束，大規模的機抽體系能耗優化已迫在眉睫，伺服電機為現場電機選型提供了更加多元化的選擇，并具有其獨特的優勢，在延川南乃至整個煤層氣行業中，其應用、推廣前景廣闊。

[1]郭大立，貢玉軍，李曙光，等.煤層氣排采工藝技術研究和展望[J].西南石油大學學報，2012，34（2）：91-98.

[2]劉景濤，梁立移，孫順東.游梁式抽油機在煤層氣開采中的應用與改進[J].中國煤層氣，2007，1（4）：37-39.

[3]司旭，黎曉茸，郭紅，等.影響低產油田抽油機選型因素的分析研究[J].石油礦場機械，2006，35（增刊）：76-77.

[4]蔣景強.伺服電機控制技術的發展應用[J].中國高新技術企業，2009，16（20）：153-156.

[5]寇寶泉，程樹康.交流伺服電機及其控制技術[M].北京：機械工業出版社，2008：11-23.

[6]常曉玲.電工技術[M].北京：機械工業出版社，2010：187-211.

（編輯：楊友勝）

Application of servo motor on pumping unit in South Yanchuan CBM wells

Jin Hua and Yao Rongchang
(Unconventional Resources Exploration and Development Headquarters,East China Company,SINOPEC, Xiangning,Shanxi 042100,China)

∶Servo motor is a kind of new motor which switch the input voltage signal into the shaft angular displacement or the angu?lar velocity for output.It can realize that the rotor rotates immediately with control voltage,while when the control voltage disap?pears,the rotor stops at once.Moreover,it can freely control the motor torque.Thereby,energy saving and accurate control realize. This paper introduced the principle of the servo motor and analyzed its application in South Yanchuan CBM field,and in view of the high starting torque and the adjustive velocity range of the servo motor,proved the good promotion prospects in the coal gas min?ing.

∶servo motor,energy saving,coalbed methane(CBM),pumping unit

TE355.5

A

2015-01-06。

金華（1987—），男，助理工程師，煤層氣井排采技術管理。