浅析自制油井智能自启动模块在机采设备生产中的应用

曹希峰 ,张元胜 ,李奕锟

【摘要】

电压暂降（波动）造成油井停机带来的油气损失仅胜利油田每年就有近万吨，停机后的快速开井一直是制约油气生产自动化的一个重要问题。为提高油井时率，各采油厂都有安装抗晃电继电器、重启模块等设备，但使用效果不近人意，主要体现在设备状态判别不够精确，误启动不启动问题时有发生，启井时机不对造成油井控制柜故障代码产生，无法应用自动启井和远程启井。受配电线路容量限制，设备安装率不许超过油井数量1/3，以避免大负荷群体接入造成的电网震荡甚至系统崩溃。针对以上问题以及现场调研情况，电力分公司曹希峰自主研制了油井智能自启动模块，不仅解决了自动启动可靠性准确性较低的问题，还应用了自由电压监测的专利技术，实现负载分批分时接入，保证了电网电压的快速稳定。

【关键词】

电压暂降  电压监测  故障代码复位  惯性旋转 启井警告

正文：

一、电压暂降的危害：

（一）电压暂降的发生原因

电压暂降是电力系统中常见的一种电压扰动，电压有效值在短时间内突然下降又回升，一般也称作闪断、晃电，工频条件下电压均方根值减小到额定电压的10%-90%。持续时间一般为10ms-1s，特殊情况下会反复发生、持续时间增长。

2021年12月4日20点53分，10kV橡胶厂线导线短路故障导致110kV辛安变10kVII段母线电压暂降发生规模较小，电压暂降至额定电压75% ，持续时间约150ms，造成东辛采油厂75口油井停井。          2022年8月10日17点17分孤岛采油厂35kV五西线短路故障造成系统电压连续暂降两次，影响油井288口。采油工现场启井及远程启井效率较低，平均每口井启井时间约为25分钟。

（二）电压暂降重复发生的原因   

经调查分析油田配电网电压暂降的主要原因是上级电网故障、配电线路短路特别是大批油井电动机同时启动可造成电压暂降重复发生甚至电网电压崩溃。

经现场勘查，以及监控数据分析， 电压暂降期间变电站同一母线所带线路的大批油井同时自动重启（尤其是工频控制型，和掉电保持频率的变频控制型），会产生过大冲击电流，减缓系统电压的恢复，造成电压暂降重复发生，进而造成油井自动启井失败。启井时机不对还会造成控制柜的保护动作，出现故障代码，必须设备复位后才能启井（无法远程消除代码，只能现场启井）。

二、油井自动启井模块的设计思路

针对以上调研，现有的抗晃电自启动设备大致分为重启型与保持型两种，两种设备在应用中各有利弊，油田机采设备由于设备的工作特点，需要加装平衡块来进行上下冲程的做功平衡，在失电过程中，会有较大的重力惯性。尤其是游梁式抽油机，会有超过15秒的平衡块旋摆过程。此过程中电能恢复设备启动或保持运行都会产生较大的冲击电流，电动机无源惯性旋转，无论正转还是逆向转动，都会产生较大正反向转矩，即时正向转矩也会造成变频器的保护误动作，产生故障代码，造成自动启井失败，远程启井亦无法使用。因此非设备故障停井，电动机静止后，油井载荷与平衡块达到平衡后，启动电动机较为平稳，电流与机械冲击较小。

对于自动启井的安全考虑，在自动启动前，需要告知邻近人员不要靠近旋转区域，特别增加了语音报警。在检测到电压暂降发生后，我们进入自动启动逻辑后，先发出语音报警，并且可将故障码进行复位，提高重启的成功率。

针对以上问题，自主研制的油井自动启井模块需要根据油田机采设备特点，保证高可靠性与判断的准确性，试验完成的自启模块具备以下特点：

1、内置电压实时监测模块，可判别电压波动情况，配合外接主接触器触头状态变化情况进行逻辑判断，能准确识别是否因电压暂降、短时失电造成的非故障停机。并在电压恢复至95%以上额定电压（强制条件）稳定约500ms后，下达重启待命指令。

2、重启待命指令下达后，内置监测模块启动，准确判断油井是否恢复静止状态，是否具备重启条件，保证在平衡块倒转情况下不启动，惯性转动较快情况下不启动变频控制柜，可待油井静止后下达启动指令。

3、内置定时装置可经外置拨码开关进行组合调整，可实现0-35秒的延时启动，无需改动程序，可简单精准调节自启动时间。（按区域、油井载荷、端电压恢复状况分批次启动）

4、逻辑动作顺序可有效避免启动期间的故障代码产生，启动前可自动对故障代码复位。非设备本身故障，不影响自动启动。

5、启动平稳，油井到达平衡位置后启动，可减小电流冲击以及机械冲击。

6、电压恢复后，进入自启动程序时，可发出启井警告音。提示油井周边工作人员不进入工作区域，保证主动安全性。

7、体积较小（80*70*60），导轨安装，接线方便。10-15分钟可实现安装连线。不改动原有接线，兼容原控制保护。

8、可全线路安装，分时分区域启动减少了电压恢复阶段的电流冲击，利于系统电压的快速稳定。避免电压暂降重复发生造成的大面积停井，有效提高油井时率。

9、通讯协议严格按照胜利油田“四化”标准规定执行，符合通讯规约。

三、油井自动启井模块的试验与应用

此模块于2021年完成制作并投入试验，目前已制作30块，在东辛采油厂辛三管理区油井进行安装使用，此模块克服常规抗晃电设备的判别不精确、可靠性较差的缺点，现场应用达到预期效果。安装模块实现的配电线路两个月内发生电压暂降2次，瞬时性故障自动重合闸1次，均能完成分批自启，成功率达到100%。  

四、结语

根据油井配电线路电压暂降特点与现有油井控制柜特点，针对自动群启造成电压暂降反复导致大面积停井的问题，自主研制油井自动启井模块适用于油田油井控制柜内安装。动作可靠性高，克服常规抗晃电继电器无法全线路（30%）范围内安装以及容易产生故障代码造成远程启井无法实现的影响，且具有故障代码复位的功能。可在电压暂降恢复后实时检测油井电动机转动状况，自动选择最佳开井时机，自主分批进行油井启动。既不对配电线路产生冲击，又可实现快速自动启井，不需要采油工人工操作即可开井，电压暂降发生后开井时间由平均25分钟提高至在30秒以内分批启动，大大降低采油工劳动强度。启动前进行语音报警，有效保证启井时的人员安全和提高油井时率以及油井控制自动化程度，有力保障油田数字化转型、智能化发展。

参考文献：

1、郑新才 陈刚 《电机原理及其应用》中国水利水电出版社 2008.11

2、胡寿松《自动控制原理》  科学出版社 2007.10

3、盛万兴 《智能配用电技术》中国电力出版社 2014.12