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摘 要：为提高区块整体机采系统效率，解决锦91块东部高含水、低产低液井长期以来系统效率偏低的情况，结合地质特点和传统螺杆泵在生产中的实际现状，通过使用直驱螺杆泵，实现永磁同步电动机直接驱动、减少机械减速器和皮带减速器。现场4口井实际应用表明，单井耗能比抽油机降低1/3以上，线路损耗节省75%，综合节电率约22%，系统效率平均提高了4.13个百分点。
关键词：系统效率 直驱螺杆泵 节能 电机
一、引言
螺杆泵采油系统特别适合高粘稠、高含气、高含砂、高含水以及低产油井的原油开采，能有效地克服气锁、砂卡等现象。同时，具有节能高效、体积小、重量轻、安装方便、井口占地面积小、检泵周期长、二次性投资及运行费用低和便于管理等优点，用它取代游梁式抽油机和电潜泵，必然是经济合理的选择。美国Amoco公司在高含水油井的螺杆泵采油实验表明，螺杆泵装置的平均总系统效率达到了63.4%，比游梁式抽油机高出13%，比电潜泵高出50%。
我国传统的螺杆泵井上驱动系统一般采用异步电动机，再配套相应的减速箱。虽然总体上螺杆泵比游梁式抽油机效率高，但其正常工作时处于低负荷状态，而启动时又需要高转矩，因此与之相配套的电机长期以来存在配置偏大的问题。大量实验表明，异步电动机效率和功率因数均较低。另外，传统的螺杆泵系统具有调速困难、减速箱需经常维护、系统效率和经济效益都很低的缺点。
直驱螺杆泵系统采用节能型大力矩永磁同步电动机直接驱动，减少了机械减速器和皮带减速器，增加了反转制动机构。可实现带电停机、断电制动和负载自动跟踪的功能，并且节能效果显著。
二、区块地质概况及系统效率现状
锦91块(东)，是锦45块东部的一个次级断块,含油面积2.8Km2，原油地质储量1490×104t，可采储量512×104t，开发目的层为沙一、二段的于楼油层和兴隆台油层。
锦91块东部总体开发效果呈逐年下降趋势，主要是近几年无新井产能接替，并且措施增油效果逐年变差，从而导致全块产量呈下降趋势。目前平面水淹92%，纵向水淹58%，35.3%井含水大于90％。井况差井占总井数的74%，由于井况差无法有效地实施各种挖潜措施，直接影响吞吐开采效果，还导致井网对储量的控制程度变差。
截止到2011年底，锦91块开井220口，平均系统效率24.19%，其中，22口螺杆泵井平均系统效率23.36%。
三、直驱螺杆泵系统组成
地面直驱式螺杆泵电机系统主要由交流永磁同步电动(PMSM)、位置传感器和驱动器三部分组成。
电机本体实现机电能量转换。位置传感器负责将电机转子位置信号转换为电信号，驱动器根据转子位置信号控制绕组电压、电流及其相位，向电机提供最合适的驱动电流。永磁同步电动机则实现负载的大力矩变速驱动。三相永磁同步电动机与作为磁极位置传感器的多极旋转变压器同轴联接，旋转变压器磁极位置信号送人轴角变换器，转换成16位数字位置角度量。通过指令输入设置驱动器，可实现速度设置、实时速度调节、驱动转矩调节、软启动、软停机等功能。由于矢量控制方式的电机力矩与电流成正比，可直接驱动螺杆泵负载，不需要对传统的感应电机配置机械减速器。
驱动器主要由永磁电机、方卡子、密封盒、轴承箱、井口底座、封井器等部件组成，具体结构见图1。专用控制柜主要由控制器、操作面板、泄放电阻、空气开关、交流接触器、加热管等组成，具体结构见图2。
四、直驱螺杆泵使用效果
针对我区锦45块东部高含水井生产周期较长、沉没度充足、短期内不适合注汽等特点，今年结合地质优化方案共实施抽油机井转直驱螺杆泵生产4井次。
目前所使用的伺服电机采用的是桂林星辰、大连电机厂两个厂家提供的产品，涵盖22KW、30KW、45KW共3种规格产品，其额定扭矩分别为600N·m、1000N·m、1500N·m，最大扭矩大约为额定扭矩的3倍，分别为1700N·m、2800N·m、4300N·m。控制器起保护主要依靠电流值来加载，三种产品额定电流分别为35A、55A、80A。启动加载时依靠设定转数值进行自加载，当运行过程中扭矩短时间过大(稠油进泵、启动瞬间)，则给电机自动加载扭矩直至最大扭矩，来完成运转，若到最大扭矩仍不能完成运转，则进行停机保护，停机保护时间在最大电流80A时的时间最长为5s，电流越小，保护时间越长。
通过上表可以看出(原态为抽油机)，4口井在转螺杆泵后系统效率比实施前平均提高了4.13个百分点，有功功率平均降低了2.01kW，单井平均日节电48.22kWh，产液耗电比抽油机平均降低3.22kWh/t，节能效果显著。尽管锦45-6-22与锦45-07-19两口井在测试时动液面数据与原态相差较大，但从节能方面来比较，效果还是比较明显。
五、效果分析及前景展望
相同情况下螺杆泵比抽油机节能，因为地面直驱螺杆泵取消了抽油机四连杆机构传动方式和常规螺杆泵驱动头使用减速器和皮带的传动方式，由永磁电机直接驱动螺杆泵抽油杆运转，提高了驱动效率，与其它采油方式相比更具有节能优势。
锦91块目前高含水井占开井数的41.3%，螺杆泵井只有22口，直驱螺杆泵9口，如果将直驱螺杆泵结合地质情况大面积推广，替换抽油机和常规螺杆泵，将有效降低单井产液耗电，提高区块整体系统效率。
六、结束语
直驱螺杆泵永磁同步电动机利用永磁体代替电励磁机构，减少了电励磁电机的励磁损耗，电机的整体效率得到提高。直接驱动方式减少了机械减速器和皮带减速器，增加了反转制动机构避免了传统抽油机和螺杆泵采油系统经常出现的更换皮带轮、添加润滑油、改变生产参数和管理维护不便等问题。同时，能有效克服常规螺杆泵反转造成的人身伤害及抽油杆脱扣问题，特别适合高粘稠、高含气、高含砂、高含水以及低产油井的原油开采，与传统螺杆泵系统相比系统效率得到大幅提高，节能效果显著。
关键词：系统效率 直驱螺杆泵 节能 电机
一、引言
螺杆泵采油系统特别适合高粘稠、高含气、高含砂、高含水以及低产油井的原油开采，能有效地克服气锁、砂卡等现象。同时，具有节能高效、体积小、重量轻、安装方便、井口占地面积小、检泵周期长、二次性投资及运行费用低和便于管理等优点，用它取代游梁式抽油机和电潜泵，必然是经济合理的选择。美国Amoco公司在高含水油井的螺杆泵采油实验表明，螺杆泵装置的平均总系统效率达到了63.4%，比游梁式抽油机高出13%，比电潜泵高出50%。
我国传统的螺杆泵井上驱动系统一般采用异步电动机，再配套相应的减速箱。虽然总体上螺杆泵比游梁式抽油机效率高，但其正常工作时处于低负荷状态，而启动时又需要高转矩，因此与之相配套的电机长期以来存在配置偏大的问题。大量实验表明，异步电动机效率和功率因数均较低。另外，传统的螺杆泵系统具有调速困难、减速箱需经常维护、系统效率和经济效益都很低的缺点。
直驱螺杆泵系统采用节能型大力矩永磁同步电动机直接驱动，减少了机械减速器和皮带减速器，增加了反转制动机构。可实现带电停机、断电制动和负载自动跟踪的功能，并且节能效果显著。
二、区块地质概况及系统效率现状
锦91块(东)，是锦45块东部的一个次级断块,含油面积2.8Km2，原油地质储量1490×104t，可采储量512×104t，开发目的层为沙一、二段的于楼油层和兴隆台油层。
锦91块东部总体开发效果呈逐年下降趋势，主要是近几年无新井产能接替，并且措施增油效果逐年变差，从而导致全块产量呈下降趋势。目前平面水淹92%，纵向水淹58%，35.3%井含水大于90％。井况差井占总井数的74%，由于井况差无法有效地实施各种挖潜措施，直接影响吞吐开采效果，还导致井网对储量的控制程度变差。
截止到2011年底，锦91块开井220口，平均系统效率24.19%，其中，22口螺杆泵井平均系统效率23.36%。
三、直驱螺杆泵系统组成
地面直驱式螺杆泵电机系统主要由交流永磁同步电动(PMSM)、位置传感器和驱动器三部分组成。
电机本体实现机电能量转换。位置传感器负责将电机转子位置信号转换为电信号，驱动器根据转子位置信号控制绕组电压、电流及其相位，向电机提供最合适的驱动电流。永磁同步电动机则实现负载的大力矩变速驱动。三相永磁同步电动机与作为磁极位置传感器的多极旋转变压器同轴联接，旋转变压器磁极位置信号送人轴角变换器，转换成16位数字位置角度量。通过指令输入设置驱动器，可实现速度设置、实时速度调节、驱动转矩调节、软启动、软停机等功能。由于矢量控制方式的电机力矩与电流成正比，可直接驱动螺杆泵负载，不需要对传统的感应电机配置机械减速器。
驱动器主要由永磁电机、方卡子、密封盒、轴承箱、井口底座、封井器等部件组成，具体结构见图1。专用控制柜主要由控制器、操作面板、泄放电阻、空气开关、交流接触器、加热管等组成，具体结构见图2。
四、直驱螺杆泵使用效果
针对我区锦45块东部高含水井生产周期较长、沉没度充足、短期内不适合注汽等特点，今年结合地质优化方案共实施抽油机井转直驱螺杆泵生产4井次。
目前所使用的伺服电机采用的是桂林星辰、大连电机厂两个厂家提供的产品，涵盖22KW、30KW、45KW共3种规格产品，其额定扭矩分别为600N·m、1000N·m、1500N·m，最大扭矩大约为额定扭矩的3倍，分别为1700N·m、2800N·m、4300N·m。控制器起保护主要依靠电流值来加载，三种产品额定电流分别为35A、55A、80A。启动加载时依靠设定转数值进行自加载，当运行过程中扭矩短时间过大(稠油进泵、启动瞬间)，则给电机自动加载扭矩直至最大扭矩，来完成运转，若到最大扭矩仍不能完成运转，则进行停机保护，停机保护时间在最大电流80A时的时间最长为5s，电流越小，保护时间越长。
通过上表可以看出(原态为抽油机)，4口井在转螺杆泵后系统效率比实施前平均提高了4.13个百分点，有功功率平均降低了2.01kW，单井平均日节电48.22kWh，产液耗电比抽油机平均降低3.22kWh/t，节能效果显著。尽管锦45-6-22与锦45-07-19两口井在测试时动液面数据与原态相差较大，但从节能方面来比较，效果还是比较明显。
五、效果分析及前景展望
相同情况下螺杆泵比抽油机节能，因为地面直驱螺杆泵取消了抽油机四连杆机构传动方式和常规螺杆泵驱动头使用减速器和皮带的传动方式，由永磁电机直接驱动螺杆泵抽油杆运转，提高了驱动效率，与其它采油方式相比更具有节能优势。
锦91块目前高含水井占开井数的41.3%，螺杆泵井只有22口，直驱螺杆泵9口，如果将直驱螺杆泵结合地质情况大面积推广，替换抽油机和常规螺杆泵，将有效降低单井产液耗电，提高区块整体系统效率。
六、结束语
直驱螺杆泵永磁同步电动机利用永磁体代替电励磁机构，减少了电励磁电机的励磁损耗，电机的整体效率得到提高。直接驱动方式减少了机械减速器和皮带减速器，增加了反转制动机构避免了传统抽油机和螺杆泵采油系统经常出现的更换皮带轮、添加润滑油、改变生产参数和管理维护不便等问题。同时，能有效克服常规螺杆泵反转造成的人身伤害及抽油杆脱扣问题，特别适合高粘稠、高含气、高含砂、高含水以及低产油井的原油开采，与传统螺杆泵系统相比系统效率得到大幅提高，节能效果显著。