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1 前言
目前變頻技術的發展十分迅速，在油田生產中，在工業領域里的應用日益廣泛。變頻技術的原理，結合信息技術、模糊控制技術、計算機技術、變頻調速技術、傳感器技術等現代高新技術，使得油田開發過程中的抽油機能耗控制得到根本的改善。利用變頻調速技術，通過傳感器技術實現模糊控制，使機械采油的效率在運行過程中始終保持在最佳狀態，有效杜絕了設備的空耗，從而實現了節能的目的。同時變頻技術的利用使抽油機實現了軟啟動，設備選型更加合理。變頻技術的應用適應熱采區塊吞吐輪次高，地下參數變化大的生產特點，使得變頻技術在油田開發過程中具備了廣闊的推廣空間。
2 變頻柜在油井節能、增產運行機理
2.l 工作原理
當前在各種抽油機變頻柜中處理再生電能的方法有制動電阻、吸收電容、回饋制動等，其中較為先進的方法是利用回饋制動的方式將這部分電能回饋電網。抽油機能量回饋智能變頻控制柜，在電動機驅動抽油機的狀態時由主變頻器從電網吸收電能，而在油井釋放能量狀態時由回饋變頻器將這部分能量變成與電網電壓同步同相位的正弦波經過濾波后回饋電網，利用變頻控制柜+永磁電機配合使用，進行節能改造經實踐證明效果非常明顯，節電率高達30％一60％。
2.2 增產原理
動態節能裝置通過輸入正常頻率、最小載荷、最高頻率、最低頻率，能夠根據實時采集載荷及示功圖進行分析處理。在一個沖程內采集的載荷大于最小載荷，抽油機按正常頻率運行，如果采集的載荷小于最小載荷，變頻柜將在最高頻率和最低頻率之間分成多段運行。對于上下不平衡油井，控制抽油機按不同的頻率運行，達到上快、下慢的方式運行，減少空抽，提高泵效。
如果電動機運行在額定負荷或額定負荷附近，則電動機屬于經濟運行。實際上，電動機以輕載運行，即一般稱為“大馬拉小車”的情況是常見的。因此，電動機節能是不容忽視的重要問題。電動機運行效率取決于電動機負荷率，國家標準GBl2497—1995規定，Y2系列(IP44)37kw/6極電動機的負荷率應大于0.40：22kw 6極電動機的負荷率應大于0.46，此時電動機為經濟運行。對于不同功率的Y系列電動機，效率下降點也不同。一般情況下，效率和功率因數隨負荷率變化的曲線如圖l所示。把效率將要快速下降點q所對應的負荷率稱為臨界負荷率β。當負荷率β＞βa。時，效率的變化不大，這是由于電動機的可變損耗和不變損耗的對比關系所決定的，當負荷率β(0.70時，功率因素下降很快。功率因素的低下不但使電動機本身能耗有所增加，而且給電網造成了附加損耗，降低了電網容量和變壓器設備的利用率。
從以上討論可以看出，只要負荷率β不低于βa，“大馬拉小車”的影響主要是降低功率因數。對于一般負荷(如風機、水泵)，節能的關鍵是提高負荷率。如果將負荷率提高到0.70—0.80可以說是最佳運行區間，沒有必要提高到1。一般工作在β＝0.70以上，功率因數就比較高。
3 游梁式抽油機用電動機運行特點
游梁式抽油機是機械采油的主要設備，約占機采井總數的75％。它工作時承受帶沖擊性的周期交變負荷，如圖2a所示。這一負荷特性要求驅動電動機在選擇容量時留有足夠的裕度，以保證帶載啟動時能克服抽油機較大的慣性矩，滿足啟動要求；在運行時有足夠的過載能力，以克服交變載荷的最大扭矩。因此，電動機容量選擇就過大，負荷匹配不合理，大多數情況下電動機處于輕載狀態，負荷率一般為0.25．同時，電動機在一個沖次中還存在兩段發電狀態，一個沖次內電動機電流如圖2b所示，在一個沖次內其電壓、電流相量圖如圖3所示。在一個沖次內，電流的大小及相位角φ總是變化的，相位有大于90°的情況，這段時間有功電流為負，為發電狀態，這已從理論上和現場實測得到證明。在現場實測中，采用兩種方法：一是接人三相電度表，在一個沖次內有兩次電表反轉：二是用計算機采集電壓、電流的正弦波形，也清楚看出相位角甲大于90°的情況。發電情況與平衡有關，平衡效果越差，發電越多。平衡效果較好時，只有一次發電狀態。這種特殊負荷給電動機節能帶來很大難度。另外，抽油桿運動時的慣性作用和彈性變形，使抽油機在上下死點產生沖擊，而普通Y系列電動機的機械特性是硬特性。在運行過程中轉速隨負荷變化不大，抽油泵柱塞的實際行程由此變短，從而影響泵的充滿率，降低泵效，使整個游梁式抽油機的系統效率降低。
由以上分析可知，游梁式抽油機節能應包括兩個方面：一是從電動機本身考慮，就是提高電動機效率和負荷率，從而提高運行效率和功率因數。提高電動機效率的潛力不大，能提高幾個百分點就很不容易而且是以提高電動機成本為代價的。因此，如果負荷率高于臨界負荷率，只要并上適當的補償電容器就達到節能的目的。二是從系統考慮，就是改變電動機的機械特性，使機、桿、泵整個系統達到較好的配合，提高系統效率。兩者比較，后者的節能潛力比前者大得多。因此，后者應該是游梁式抽油機用電動機節能的主要研究方向。
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