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低产油井智能抽油机控制系统设计与节能优化

初小轨

1. 低产油井抽油机电气控制系统设计背景与挑战

在油田开采领域，低产油井一直是个让人头疼的问题。这类油井在我国油田存量中占比高达60%以上，但传统抽油机采用恒速连续运行模式，就像让一个长跑运动员以百米冲刺的速度跑马拉松——不仅效率低下，还容易造成各种问题。

我曾在新疆某油田现场亲眼见过这样的场景：一台抽油机在空抽状态下依然不知疲倦地上下运动，电机发出沉闷的嗡嗡声，电能就这样白白浪费。更糟糕的是，这种"干抽"状态会加速设备磨损，平均每3个月就要更换一次抽油杆，维护成本居高不下。

传统抽油机主要存在四大痛点：

  1. 能耗浪费严重：电机持续全速运行，即使井下无液可抽
  2. 设备损耗大：空抽导致液击现象，对抽油杆和减速箱造成冲击
  3. 生产效率低：固定冲次无法匹配油井实际产能
  4. 人工巡检成本高：需要工人定期到现场检查运行状态

2. 系统整体设计方案解析

2.1 控制系统架构设计

经过多次现场调研和方案论证，我们最终确定了"PLC+变频器+智能传感"的总体架构。这个设计就像给抽油机装上了"大脑"和"神经系统"：

  • 大脑：选用西门子S7-1200 PLC作为主控制器，其强大的逻辑处理能力和丰富的通信接口非常适合油田环境
  • 神经系统：由载荷传感器、位移传感器、电流互感器组成感知网络，实时采集运行数据
  • 肌肉：采用ABB ACS550变频器作为执行单元，实现电机无级调速

2.2 硬件配置方案

主回路设计特别考虑了油田野外环境的特殊性：

mermaid复制graph LR
A[电网电源] --> B[断路器]
B --> C[接触器]
C --> D[变频器]
D --> E[三相异步电机]
E --> F[抽油机]

控制回路的核心器件选型依据：

  1. 载荷传感器：选用电阻应变式，量程0-150kN，精度±0.5%FS
  2. 位移传感器：磁致伸缩线性位移传感器，量程0-5m，重复精度0.01mm
  3. 防雷模块：安装三级防浪涌保护器，满足GB/T 17626.5标准

关键提示：在新疆某油田的实测中发现，加装电源滤波器可有效抑制变频器产生的高次谐波，将电机温升降低15℃以上。

3. 核心控制策略与技术实现

3.1 智能调速算法设计

我们开发了基于模糊控制的混合调速策略，其核心逻辑如下表所示：

工况状态 载荷变化特征 控制动作 参数调整幅度
正常抽油 载荷曲线规则 维持当前频率 -
供液不足 下行载荷持续偏低 降低频率10%-20% 2-4Hz
严重供液不足 连续3次空抽 转入间歇运行模式 停机30分钟
结蜡堵塞 上行载荷异常增高 提高频率15%并报警 5-7Hz

3.2 间歇抽油模式实现

通过PLC编程实现的时间控制逻辑：

structured复制IF 空抽次数 >= 3 THEN
    启动停机计时器(T1)
    记录当前电机频率(F1)
    输出停机指令
    WHILE T1 < 预设停机时间 DO
        持续监测载荷变化
    END_WHILE
    以F1频率重新启动
END_IF

实测数据表明，对日产油量<5吨的油井，采用工作20分钟/停机40分钟的间歇模式，可节电38%以上，同时产量仅下降约5%。

4. 系统软件设计与功能实现

4.1 PLC程序架构

采用模块化编程思想，主要功能块包括：

  1. 主循环程序(OB1)：调度各功能模块
  2. 模拟量处理(FC1)：滤波和标定传感器信号
  3. 模糊控制算法(FC2)：核心调速逻辑
  4. 故障诊断(FB1)：实现分级报警
  5. 通信处理(FC3)：处理Modbus RTU协议

4.2 人机界面设计

触摸屏界面包含以下关键页面：

  • 运行监控：实时显示电流、频率、载荷曲线
  • 参数设置：可调整冲次范围(2-6次/分钟)、间歇时间(10-60分钟)
  • 故障记录：存储最近100条报警信息
  • 产量统计：自动计算日/月产油量

5. 现场调试与优化经验

5.1 典型问题解决方案

在大庆油田调试期间遇到的三个典型问题及解决方法：

  1. 载荷信号波动大

    • 现象：停机时载荷显示仍有10kN波动
    • 排查：发现传感器电缆与变频器输出线平行走线
    • 解决：重新布线并加装磁环，波动降至0.5kN内

  2. 变频器频繁报过压

    • 现象：抽油机下行时频繁触发OV故障
    • 分析：电机发电状态导致直流母线电压升高
    • 优化：调整减速时间从3秒延长至8秒，加装制动电阻

  3. 无线通信中断

    • 现象：GPRS模块每天固定时段掉线
    • 原因：附近基站定时重启
    • 方案：修改通信协议增加心跳包重试机制

5.2 关键参数设置建议

根据多个油田的调试经验，总结出以下黄金参数：

  • 空抽判断阈值：最小载荷 < 最大载荷的30%
  • 频率调节步长：建议0.5Hz/次
  • 过载保护值：额定电流的120%延时5秒
  • 欠载保护值：额定电流的40%持续10秒

6. 实际应用效果分析

在长庆油田某采油厂的对比测试数据：

指标 传统控制 本系统 改善幅度
日均耗电量(kWh) 84.6 52.3 ↓38.2%
检泵周期(天) 90 210 ↑133%
日均产量(吨) 3.2 3.5 ↑9.4%
无功功率(kVar) 35.7 12.4 ↓65.3%

特别值得注意的是，系统实现的"软启动"功能使电机启动电流从额定值的600%降至150%，显著降低了电网冲击。

这套系统最让我自豪的不是技术指标，而是现场工人的反馈。有位老工人告诉我："以前每天要跑十几口井检查是否空抽，现在坐在值班室就能掌握所有井况，晚上终于能睡个安稳觉了。"这种实实在在改变一线工作方式的成就感，是任何技术参数都无法衡量的。

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