變頻調速技術(shù)是目前世界公認的電機節電技術(shù)之一，具有調速范圍寬、調速精度高、動(dòng)態(tài)響應快、運行效率高、系統功率因數高、操作方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，也成為當今改造傳統工業(yè)、改善工藝流程、提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的主要手段之一。在石油行業(yè)中，變頻器廣泛應用于風(fēng)機、注水泵、壓縮機、輸油泵、抽油機、潛油電泵和石油鉆機等。

1、游梁式抽油機

目前，在油田采用的抽油設備中，以游梁式抽油機最為普遍，數量也最多。

一方面，游梁式抽油機運動(dòng)為反復上下提升，一個(gè)沖程提升一次，其動(dòng)力來(lái)自電動(dòng)機帶動(dòng)的兩個(gè)重量相當大的鋼質(zhì)滑塊，當滑塊提升時(shí)，類(lèi)似杠桿作用，將采油機桿送入井中；滑塊下降時(shí)，采油桿提出帶油至井口。由于電動(dòng)機轉速一定，滑塊下降過(guò)程中，負荷減輕，電動(dòng)機拖動(dòng)產(chǎn)生的能量無(wú)法被負載吸收。另一方面，游梁式抽油機引入兩個(gè)大質(zhì)量的鋼質(zhì)滑塊，導致抽油機的起動(dòng)沖擊大等問(wèn)題。

除上述兩方面問(wèn)題外，油田采油的特殊地理環(huán)境決定了采油設備有其獨特的運行特點(diǎn)：在油井開(kāi)采前期儲油量大，供液足，為提高功效可采用工頻運行，保證較高產(chǎn)油量；在中后期，由于石油儲量減少，易造成供液不足，電動(dòng)機若仍工頻運行，勢必浪費電能，造成不必要損耗，這時(shí)須考慮實(shí)際工作情況，適當降低電動(dòng)機轉速，減少沖程，有效提高充盈率。

目前，對游梁式抽油機的交流變頻調速技術(shù)改造主要有以下3個(gè)方面：

(1) 以提高電網(wǎng)質(zhì)量、減小對電網(wǎng)影響為目標的變頻改造。這主要集中在供電企業(yè)對電網(wǎng)質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，為避免電網(wǎng)質(zhì)量的下降，需引入變頻控制，其主要目的就是減小抽油機工作過(guò)程對電網(wǎng)的影響。

(2) 以節能為目的變頻改造。這點(diǎn)較為普遍，一方面，油田抽油機為克服大的起動(dòng)轉矩，采用的電動(dòng)機遠遠大于實(shí)際所需功率，工作時(shí)電動(dòng)機利用率一般為20%～30%，最高不會(huì )超過(guò)50%，電動(dòng)機常處于輕載狀態(tài)，造成資源浪費。另一方面，抽油機工作情況的變化，取決于地底下的狀態(tài)，若電動(dòng)機始終處于工頻運行，也會(huì )造成電能浪費。為了節能，提高電動(dòng)機工作效率，需進(jìn)行變頻改造。

(3) 改變采油桿上行和下行的速度，在一些情況下可以提高生產(chǎn)效率。

在實(shí)際應用過(guò)程中出現了許多問(wèn)題，主要集中在游梁式抽油機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生能量的處理上。對于上述情況，采用普通變頻器加能耗制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻可以實(shí)現，這是以消耗電能為代價(jià)的制動(dòng)方式。對于上述情況，必須妥善處理電動(dòng)機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，將其反饋到電網(wǎng)或數臺抽油機變頻器構成直流母線(xiàn)式，使這部分能量能得到充分的利用。

2、潛油電泵

油田中應用較多的另一種采油設備是潛油電泵，它是井下工作的多級離心泵，同油管一起放入油井內，地面電源通過(guò)變壓器、控制器和潛油電泵專(zhuān)用電纜將電能輸送給井下潛油電泵電動(dòng)機，把油井中的液體輸送到地面。

由于潛油電泵在地下兩千多米的井底工作，環(huán)境非常惡劣（高溫、強腐蝕等），傳統供電方式工頻1140伏全壓，運行故障頻繁，維護成本高。一方面，潛油電泵在工頻啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流大，電動(dòng)機電纜壓降較大；線(xiàn)路分布參數的影響，使得啟動(dòng)過(guò)程中反壓較高，容易損壞電纜和電機的絕緣性，影響使用壽命。潛油電泵損壞后提到地面上修理，僅工程費一項就達5萬(wàn)元，價(jià)值10萬(wàn)元的電纜平均提上放下5次就須更換，潛油電泵平均每10個(gè)月就須維修一次，維修費用約8萬(wàn)元，成本較高。另一方面，潛油電泵在正常工作時(shí)，普遍存在著(zhù)電動(dòng)機負載率較低情況，“大馬拉小車(chē)”現象嚴重。負載率低導致電機功率因數較低。工頻工作時(shí)，始終在額定轉速下，如井下油量供不應求，容易造成“死井”，則損失慘重。為解決該問(wèn)題，潛油電泵應能根據井下情況變化，調節抽油量。傳統調節方式是靠更換油嘴調節產(chǎn)量，既造成能量損失又不能精確控制，有時(shí)使得油泵長(cháng)期額定轉速運行；有時(shí)使得油井出沙嚴重，設備壽命縮短，因而有必要引入交流變頻調速控制系統，調節油壓、調節產(chǎn)量。

3、注水泵

油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層能量不斷衰減，常用注水方式以保持地層能量，進(jìn)行油田開(kāi)發(fā)。一方面，注水壓力高低是決定油田合理開(kāi)發(fā)和地面管線(xiàn)及設備狀態(tài)的重要參數?？紤]到后期開(kāi)發(fā)注水井的增多，注水工藝設計和機電設備配置都比實(shí)際寬裕，加之地質(zhì)情況的變化，開(kāi)關(guān)井數的增減，洗井及供水不足的影響，經(jīng)常引起注水壓力的波動(dòng)，注水量不均勻、不穩定。注水壓力控制難度大，也給油田生產(chǎn)和管理帶來(lái)諸多不便，因而要求油田注水壓力恒定。另一方面，由于儲油地層壓力及油氣水分布不斷發(fā)生變化，其數值很難準確預測和控制，考慮到油田開(kāi)發(fā)中的需要，在工藝和機電設備配置上都按照油田最大可能需求設計，這點(diǎn)在注水系統設計中尤為突出。油田注水設備多采用高壓離心泵匹配高壓電動(dòng)機，大功率系統運行常是“大馬拉小車(chē)”，效率低下。注水量和注水壓力用出口閥門(mén)手動(dòng)調節，這種節流控制方式簡(jiǎn)單但耗能。

目前變頻調速技術(shù)在注水系統中主要應用在供水水源井潛油電泵、注水站注水泵、配水間增壓泵工藝中。應用變頻調速技術(shù)，對注水設備的電動(dòng)機轉速進(jìn)行調節，達到穩壓、穩流供注水。同時(shí)軟起軟停功能代替減壓?jiǎn)?dòng)，使電動(dòng)機起停平穩，減少對電網(wǎng)和機械設備的沖擊，不會(huì )造成管網(wǎng)壓力、流量、流速劇烈變化，無(wú)需閥門(mén)節流，因此對防止汽蝕、水擊、喘振極為有利，可延長(cháng)管網(wǎng)、泵、閥門(mén)維修周期和使用壽命。

4、油氣集輸

在油田生產(chǎn)中，與注水泵類(lèi)似，輸油泵額定排量往往大于實(shí)際需要排量，出現“大馬拉小車(chē)”現象。一方面，如完全采用閥門(mén)調節輸油量，一旦油量變化較快，輸油閥門(mén)調節頻繁，增加了工作人員勞動(dòng)強度且所需人員也較多。若閥門(mén)調節不當，易造成被抽干或冒罐現象，泵出現干抽燒損，冒罐則造成原油白白浪費。另一方面，為保證輸出油量恒定，需保證管壓恒定，閥門(mén)開(kāi)度直接影響到管壓。如使用變頻調速器，可徹底解決該問(wèn)題。它通過(guò)減小電動(dòng)機電源頻率實(shí)現降低電動(dòng)機轉速。電動(dòng)機帶動(dòng)泵運行，轉速降低，對于柱塞泵，就是降低了柱塞運行頻率，減小泵實(shí)際排量；對于離心泵，降低了葉輪轉速，同樣降低泵排量。因此，當需排量變化時(shí)，可通過(guò)調節變頻器輸出頻率，達到控制排量的目的，保證管壓恒定。泵排量降低，電動(dòng)機負荷也隨之減小，這樣電動(dòng)機輸出功率亦減小，效率可大大提高，達到節能目的。

5、電驅鉆機

由于石油特殊行業(yè)背景，決定了石油鉆機有其本身特點(diǎn)。整個(gè)鉆井過(guò)程的復雜性決定了電動(dòng)機電控系統的復雜性和多樣性。當前常用機電傳動(dòng)系統按其驅動(dòng)電動(dòng)機類(lèi)型分為直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩大類(lèi)，目前發(fā)展為SCR傳動(dòng)系統和交流變頻傳動(dòng)系統。SCR電傳動(dòng)系統是柴油機驅動(dòng)交流發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的交流電通過(guò)SCR整流裝置，將交流電變換為可控的直流電控制直流電動(dòng)機，由直流電動(dòng)機驅動(dòng)絞車(chē)、轉盤(pán)及泥漿泵等；交流變頻傳動(dòng)系統是柴油機驅動(dòng)交流發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的交流電通過(guò)變頻裝置，將交流電變換為可大范圍調整頻率的交流電，控制交流變頻電動(dòng)機，驅動(dòng)絞車(chē)、轉盤(pán)及鉆井泵等。一方面，交流變頻電傳動(dòng)鉆機的絞車(chē)、轉盤(pán)可實(shí)現無(wú)級調速，調速范圍寬，這樣不僅可去掉絞車(chē)、轉盤(pán)內變速系統，且使絞車(chē)結構簡(jiǎn)化、重量減輕、體積縮小，為工程作業(yè)提供非常優(yōu)越的施工條件。另一方面，交流變頻電傳動(dòng)鉆機可使電動(dòng)機短時(shí)過(guò)載倍數達2倍以上，提高了鉆機提升和處理事故能力，尤其是在帶負載情況下，可平穩啟動(dòng)、制動(dòng)和調速，具有軟啟動(dòng)性能，可降低供電電源容量；可采用計算機自動(dòng)控制技術(shù)，便于對現場(chǎng)情況的監控和控制；對于交流變頻電傳動(dòng)鉆機鉆井泵排量、沖數、轉盤(pán)轉數、扭矩等參數，可實(shí)現全數字顯示，實(shí)現鉆機的自動(dòng)化、智能化和對外界變化的自適應控制。

綜上所述，由于交流電動(dòng)機自身優(yōu)點(diǎn)，使得交流變頻電驅動(dòng)鉆機無(wú)需再配電磁輔助剎車(chē)、易實(shí)現自動(dòng)送鉆，鉆機結構簡(jiǎn)單、效率高、易實(shí)現自動(dòng)化等，自產(chǎn)生以來(lái)在國內得到一定發(fā)展。但是，當前情況下，各油田應用的鉆機以直流驅動(dòng)鉆機為主，且鉆機品種和質(zhì)量基本滿(mǎn)足了國內不同地區、不同井深的需要，已有一批國產(chǎn)鉆機在國外承擔鉆井作業(yè)服務(wù)，并受到用戶(hù)好評。而在交流鉆機方面，僅有長(cháng)慶石油勘探局ZJ15DB型鉆機、四川石油管理局ZJ40DBS鉆機等少量機型應用了交流變頻電驅動(dòng)系統，并在應用過(guò)程中受到了鉆井隊工程技術(shù)人員和設備管理人員的好評。但其交流變頻功能并沒(méi)能完全開(kāi)發(fā)，因而有廣泛的應用前景。在國內，交流鉆機正成為研究熱點(diǎn)，許多單位和科研院所將其作為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

總之，交流變頻調速技術(shù)作為高新技術(shù)、基礎技術(shù)和電動(dòng)機控制技術(shù)，其應用已滲透到石油行業(yè)各個(gè)技術(shù)部門(mén)。在游梁式抽油機控制、潛油電泵控制，電驅鉆機控制中的應用還處于開(kāi)始階段，在應用中也出現了許多問(wèn)題，有待進(jìn)一步解決。只有充分考慮油田油井實(shí)際情況，才能促進(jìn)交流變頻調速技術(shù)在采油設備中的應用。在油田注水和油氣集輸中的應用與生活中的恒壓供水類(lèi)似，其應用技術(shù)已成熟。