變頻控制技術(shù)在抽油機上應(yīng)用，能使抽油機－抽油桿－抽油泵達到動態(tài)協(xié)調(diào)，使有桿抽油系統(tǒng)和油井供液系統(tǒng)達到動態(tài)協(xié)調(diào)。當(dāng)前抽油機變頻控制技術(shù)主要有數(shù)控抽油機和智能抽油機。這兩種抽油機從工作原理、結(jié)構(gòu)特點、性能指標、運動規(guī)律等幾方面均不相同，分別代表了變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備中兩種不同類型的應(yīng)用。數(shù)控抽油機是徹底拋棄了游梁抽油機，從變頻控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)到機械結(jié)構(gòu)等方面重新設(shè)計、制造；智能抽油機是在繼承了游梁抽油機諸多優(yōu)點的基礎(chǔ)上，應(yīng)用變頻控制技術(shù)控制游梁抽油機。由于受諸多因素影響，變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備上尚未獲得較大規(guī)模推廣。

        變頻控制技術(shù)自80年代中后期，先后在挪威、美國、加拿大等國用于驅(qū)動石油鉆機，變頻控制驅(qū)動鉆機被世界公認為80年代發(fā)展起來的鉆井裝備四大新技術(shù)之一。實踐證明，在油田設(shè)備上應(yīng)用變頻控制技術(shù)不僅自動化程度提高，節(jié)能效果明顯，而且降低工人的勞動強度，減少工作量，綜合效益明顯。目前，變頻控制技術(shù)在油田正向廣度和深度發(fā)展。但變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備中的應(yīng)用還很少，當(dāng)前主要有兩種：數(shù)控抽油機和智能抽油機。這兩種抽油機從工作原理、結(jié)構(gòu)特點、性能指標、運動規(guī)律等幾方面均不相同，分別代表了變頻技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備中兩種不同類型的應(yīng)用。國內(nèi)數(shù)控抽油機從90年代初期開始研制，經(jīng)過不斷的技術(shù)改進，先后應(yīng)用在大港、華北、大慶、勝利等油田十幾口油井上；國內(nèi)智能抽油機從90年代中期開始研制，經(jīng)過不斷技術(shù)改進，先后應(yīng)用在新疆、遼河、華北等油田的十幾口油井上。這兩種抽油機經(jīng)油田現(xiàn)場使用表明：使抽油系統(tǒng)增產(chǎn)、節(jié)能、無級調(diào)速，最終提高抽油系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。
1　變頻控制技術(shù)在數(shù)控抽油機上應(yīng)用
　　數(shù)控抽油機以全數(shù)控電力拖動為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)、過程控制技術(shù)、傳感器技術(shù)，按照機電一體化的設(shè)計思想精心制造的電子—機械裝置，它可以根據(jù)每口油井的工況及時調(diào)整抽汲參數(shù)，使抽油機在最佳參數(shù)下運行。數(shù)控抽油機在我國及世界居領(lǐng)先地位。
1.1　數(shù)控抽油機的工作原理
　　數(shù)控抽油機由變頻調(diào)速器、可編程控制器、位置傳感器、同步電動機、機架等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。數(shù)控抽油機的變頻控制部分主要由變頻調(diào)速器和可編程控制器組成，根據(jù)不同井況而編寫的程序事先存貯于可編程控制器中，可編程控制器根據(jù)位置傳感器輸入的信號并根據(jù)內(nèi)部控制程序來決定其輸出信號，變頻調(diào)速器接受可編程控制器的輸出信號，并根據(jù)其內(nèi)部指令編程決定其輸出電源的頻率和電壓，變頻調(diào)速器輸出的電源控制稀土同步電動機的轉(zhuǎn)速，電動機通過減速器驅(qū)動機架上的鏈輪，鏈輪驅(qū)動鏈條帶動抽油桿往復(fù)運動。


1.2　數(shù)控抽油機的性能指標
　　數(shù)控抽油機較傳統(tǒng)的游梁抽油機有許多優(yōu)點：
　　(1)通過調(diào)節(jié)上、下死點極限位置磁塊的間距，可方便地?zé)o級調(diào)整抽油機沖程；
　　(2)通過調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器輸出電源的頻率，從而改變同步電動機轉(zhuǎn)速，可無級調(diào)節(jié)抽油機沖次；
　　(3)由于使用變頻調(diào)速器，使電動機啟動電流大幅降低，功率因數(shù)大幅度提高，達0.9以上；
　　(4)由于采用變頻控制技術(shù)，使抽油系統(tǒng)實現(xiàn)了軟停、軟啟，勻速提升排液和勻速下降進液，整機工作平穩(wěn)，運行沖擊載荷減?。?br /> 　　(5)由于抽油機—抽油桿—抽油泵能動態(tài)協(xié)調(diào)，增產(chǎn)、節(jié)能明顯；
　　(6)具有過載、過電流、過電壓、瞬時失速等多種較強的保護功能。
1.3　數(shù)控抽油機的運動規(guī)律
　　數(shù)控抽油機懸點運動規(guī)律如圖2所示，由4個部分組成：A為“S”形加速過程，B為勻速提升排液過程，C為逆“S”形負加速過程，D為勻速下降進液過程，數(shù)控抽油機的運動規(guī)律像一架先進的高速電梯一樣，能在高速運行條件下工作得非常平穩(wěn)，從而保證了數(shù)控抽油機良好的機械受力情況，抽油泵充滿度高且耗電少。

2　變頻控制技術(shù)在智能抽油機上應(yīng)用
　　智能抽油機是應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)、過程控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和單片機等高新技術(shù)改造現(xiàn)有的游梁抽油機，使其智能化。智能抽油機是對游梁抽油機進行技術(shù)改造，以全數(shù)控主式拖動電動機，以識別泵充滿程度自動調(diào)節(jié)抽汲參數(shù)。
2.1　智能抽油機的工作原理
　　智能抽油機由變頻調(diào)速器、可編程控制器、單片機、位置傳感器、異步電動機、游梁式抽油機等組成，控制原理如圖3所示。智能抽油機的變頻控制部分主要由變頻調(diào)速器、可編程控制器和單片機組成，單片機在線檢測、采集、計算電動機瞬時功率和一個沖次的平均功率，單片機輸出控制信號給可編程控制器，可編程控制器對接受到控制信號經(jīng)內(nèi)部程序處理輸出控制信號給變頻調(diào)速器，變頻調(diào)速器接受可編程控制器的控制信號并根據(jù)內(nèi)部指令編程來決定其輸出電源的頻率和電壓，變頻調(diào)速器輸出的電源控制異步電動機的轉(zhuǎn)速，電動機通過減速器和4連桿機構(gòu)帶動抽油桿往復(fù)運動。

2.2　智能抽油機的性能指標
　　智能抽油機在保留傳統(tǒng)的游梁抽油機諸多優(yōu)點的基礎(chǔ)上，具有許多游梁抽油機不具有的優(yōu)點：
　　(1)通過調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器輸出電源的頻率，從而改變異步電動機轉(zhuǎn)速，可無級調(diào)節(jié)抽油機沖次；
　　(2)通過上、下死點位置傳感器控制變頻調(diào)速器上、下沖程輸出不同頻率的電源，從而使電動機上、下沖程轉(zhuǎn)速不同，可無級調(diào)節(jié)抽油機上下沖程速比；
　　(3)由于使用變頻調(diào)速器，使抽油系統(tǒng)實現(xiàn)了軟啟動，電動機啟動電流大幅降低，功率因數(shù)大幅度提高，達0.9以上；
　　(4)由于抽油機—抽油桿—抽油泵能動態(tài)協(xié)調(diào)，增產(chǎn)、節(jié)能明顯；
　　(5)具有過載、過電流、過電壓、瞬時失速等多種較強的保護功能。
2.3　智能抽油機的運動規(guī)律
　　由于驅(qū)動抽油機的電動機一個沖程周期中上沖程和下沖程的電動機轉(zhuǎn)速不同，使抽油機驢頭懸點速度曲線為幅值不等的兩個半正弦曲線。圖4是新疆油田某采油廠5139井的智能抽油機驢頭懸點速度—時間曲線，機型是5型常規(guī)游梁機，上沖程電源頻率為45Hz(上沖程沖次為5.94min－1，下沖程電源頻率為30Hz(下沖程沖次為4.37min－1)，上下沖程速比為1.36，LL代表智能抽油機懸點速度的精確解，NH代表智能抽油機實測數(shù)據(jù)擬合數(shù)值解。

3　數(shù)控抽油機和智能抽油機的比較
　　數(shù)控抽油機是徹底拋棄現(xiàn)場大量使用的游梁抽油機，對游梁抽油機無任何繼承，從變頻控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)等方面重新設(shè)計、制造，代表了變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備上應(yīng)用的一個方向；智能抽油機是在保留現(xiàn)場大量使用的游梁抽油機，繼承了游梁抽油機諸多優(yōu)點的基礎(chǔ)上，應(yīng)用變頻控制技術(shù)控制游梁抽油機，代表了變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)設(shè)備上應(yīng)用的另一個方向。數(shù)控抽油機和智能抽油機的性能特點對比如表1所示。
表1　數(shù)控抽油機和智能抽油機性能特點對比表
機型
性能特點
數(shù)控抽油機智能抽油機
沖　次無級調(diào)節(jié)無級調(diào)節(jié)
沖　程無級調(diào)節(jié)不能調(diào)節(jié)
上下沖程速比不能調(diào)節(jié)無級調(diào)節(jié)
機械結(jié)構(gòu)塔形支架游梁抽油機支架
減速器行星擺線針輪減速器雙圓弧齒輪減速器
傳動系統(tǒng)鏈條傳動四連桿機構(gòu)傳動
驅(qū)動的電動機同步電動機異步電動機
平衡分式配重平衡曲柄平衡或游梁平衡
運動規(guī)律見圖2見圖4
控制方式手動手動或自控
投資成本8型機大約18萬元8型機大約4萬元

4　影響變頻控制技術(shù)推廣的因素
　　變頻控制技術(shù)在抽油機上應(yīng)用，對抽油生產(chǎn)設(shè)備來說是一個很大進步，它從根本上改變了抽油機的運動特性和動力特性，使抽油機—抽油桿—抽油泵達到動態(tài)協(xié)調(diào)，使有桿抽油系統(tǒng)和油井供液系統(tǒng)達到動態(tài)協(xié)調(diào)。但自90年代初期至今，變頻控制在抽油生產(chǎn)設(shè)備上并未獲得較大規(guī)模推廣，影響的因素較多，主要有以下幾方面：
　　(1)作為變頻控制技術(shù)的主要設(shè)備變頻調(diào)速器、可編程控制器價格較貴，從而使整機價格高于游梁抽油機，使數(shù)控抽油機和智能抽油機同游梁抽油機競爭在價格上失去優(yōu)勢；
　　(2)由于油井環(huán)境一般比較惡劣，變頻調(diào)速器、可編程控制器等電子設(shè)備相比之下顯得比較“嬌貴”，容易出現(xiàn)故障，影響油田使用的積極性；
　　(3)變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)中應(yīng)用目前還是一項新技術(shù)，還有許多方面需要完善，還有許多問題需要研究，油田使用者應(yīng)對新事物、新技術(shù)給予支持和幫助，不應(yīng)把它同已有一百多年歷史的游梁抽油機同樣看待，認識上的問題成為抽油機變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)中推廣的一大障礙；
　　(4)油田管理體制、管理水平、技術(shù)人員和工人的文化素質(zhì)成為影響變頻控制技術(shù)在抽油生產(chǎn)中推廣的最主要障礙之一。
5　抽油機變頻控制技術(shù)展望
　　變頻控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外各大油田原油集輸系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、石油鉆機等方面，但變頻控制技術(shù)應(yīng)用于抽油生產(chǎn)中還很有限，我國自90年代以來在這一領(lǐng)域一直處于世界各國前列。因此，應(yīng)通過加大科研開發(fā)和應(yīng)用力度，提高油田管理水平，提高油田技術(shù)人員和工人的文化素質(zhì)，使變頻控制技術(shù)廣泛應(yīng)用在我國各大油田抽油生產(chǎn)中，使我國在抽油機變頻控制技術(shù)方面繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位。