变频调速技术是目前世界公认的电机节电技术之一，具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、系统功率因数高、操作方便等一系列优点，也成为当今改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量、推动技术进步的主要手段之一。在石油行业中，变频器广泛应用于风机、注水泵、压缩机、输油泵、抽油机、潜油电泵和石油钻机等。

1、游梁式抽油机

目前，在油田采用的抽油设备中，以游梁式抽油机最为普遍，数量也最多。

一方面，游梁式抽油机运动为反复上下提升，一个冲程提升一次，其动力来自电动机带动的两个重量相当大的钢质滑块，当滑块提升时，类似杠杆作用，将采油机杆送入井中；滑块下降时，采油杆提出带油至井口。由于电动机转速一定，滑块下降过程中，负荷减轻，电动机拖动产生的能量无法被负载吸收。另一方面，游梁式抽油机引入两个大质量的钢质滑块，导致抽油机的起动冲击大等问题。

除上述两方面问题外，油田采油的特殊地理环境决定了采油设备有其独特的运行特点：在油井开采前期储油量大，供液足，为提高功效可采用工频运行，保证较高产油量；在中后期，由于石油储量减少，易造成供液不足，电动机若仍工频运行，势必浪费电能，造成不必要损耗，这时须考虑实际工作情况，适当降低电动机转速，减少冲程，有效提高充盈率。

目前，对游梁式抽油机的交流变频调速技术改造主要有以下3个方面：

(1) 以提高电网质量、减小对电网影响为目标的变频改造。这主要集中在供电企业对电网质量要求较高的场合，为避免电网质量的下降，需引入变频控制，其主要目的就是减小抽油机工作过程对电网的影响。

(2) 以节能为目的变频改造。这点较为普遍，一方面，油田抽油机为克服大的起动转矩，采用的电动机远远大于实际所需功率，工作时电动机利用率一般为20%～30%，最高不会超过50%，电动机常处于轻载状态，造成资源浪费。另一方面，抽油机工作情况的变化，取决于地底下的状态，若电动机始终处于工频运行，也会造成电能浪费。为了节能，提高电动机工作效率，需进行变频改造。

(3) 改变采油杆上行和下行的速度，在一些情况下可以提高生产效率。

在实际应用过程中出现了许多问题，主要集中在游梁式抽油机发电状态产生能量的处理上。对于上述情况，采用普通变频器加能耗制动单元和制动电阻可以实现，这是以消耗电能为代价的制动方式。对于上述情况，必须妥善处理电动机发电状态产生的电能，将其反馈到电网或数台抽油机变频器构成直流母线式，使这部分能量能得到充分的利用。

2、潜油电泵

油田中应用较多的另一种采油设备是潜油电泵，它是井下工作的多级离心泵，同油管一起放入油井内，地面电源通过变压器、控制器和潜油电泵专用电缆将电能输送给井下潜油电泵电动机，把油井中的液体输送到地面。

由于潜油电泵在地下两千多米的井底工作，环境非常恶劣（高温、强腐蚀等），传统供电方式工频1140伏全压，运行故障频繁，维护成本高。一方面，潜油电泵在工频启动时，启动电流大，电动机电缆压降较大；线路分布参数的影响，使得启动过程中反压较高，容易损坏电缆和电机的绝缘性，影响使用寿命。潜油电泵损坏后提到地面上修理，仅工程费一项就达5万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次就须更换，潜油电泵平均每10个月就须维修一次，维修费用约8万元，成本较高。另一方面，潜油电泵在正常工作时，普遍存在着电动机负载率较低情况，“大马拉小车”现象严重。负载率低导致电机功率因数较低。工频工作时，始终在额定转速下，如井下油量供不应求，容易造成“死井”，则损失惨重。为解决该问题，潜油电泵应能根据井下情况变化，调节抽油量。传统调节方式是靠更换油嘴调节产量，既造成能量损失又不能精确控制，有时使得油泵长期额定转速运行；有时使得油井出沙严重，设备寿命缩短，因而有必要引入交流变频调速控制系统，调节油压、调节产量。

3、注水泵

油田开发过程中地层能量不断衰减，常用注水方式以保持地层能量，进行油田开发。一方面，注水压力高低是决定油田合理开发和地面管线及设备状态的重要参数。考虑到后期开发注水井的增多，注水工艺设计和机电设备配置都比实际宽裕，加之地质情况的变化，开关井数的增减，洗井及供水不足的影响，经常引起注水压力的波动，注水量不均匀、不稳定。注水压力控制难度大，也给油田生产和管理带来诸多不便，因而要求油田注水压力恒定。另一方面，由于储油地层压力及油气水分布不断发生变化，其数值很难准确预测和控制，考虑到油田开发中的需要，在工艺和机电设备配置上都按照油田最大可能需求设计，这点在注水系统设计中尤为突出。油田注水设备多采用高压离心泵匹配高压电动机，大功率系统运行常是“大马拉小车”，效率低下。注水量和注水压力用出口阀门手动调节，这种节流控制方式简单但耗能。

目前变频调速技术在注水系统中主要应用在供水水源井潜油电泵、注水站注水泵、配水间增压泵工艺中。应用变频调速技术，对注水设备的电动机转速进行调节，达到稳压、稳流供注水。同时软起软停功能代替减压启动，使电动机起停平稳，减少对电网和机械设备的冲击，不会造成管网压力、流量、流速剧烈变化，无需阀门节流，因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利，可延长管网、泵、阀门维修周期和使用寿命。

4、油气集输

在油田生产中，与注水泵类似，输油泵额定排量往往大于实际需要排量，出现“大马拉小车”现象。一方面，如完全采用阀门调节输油量，一旦油量变化较快，输油阀门调节频繁，增加了工作人员劳动强度且所需人员也较多。若阀门调节不当，易造成被抽干或冒罐现象，泵出现干抽烧损，冒罐则造成原油白白浪费。另一方面，为保证输出油量恒定，需保证管压恒定，阀门开度直接影响到管压。如使用变频调速器，可彻底解决该问题。它通过减小电动机电源频率实现降低电动机转速。电动机带动泵运行，转速降低，对于柱塞泵，就是降低了柱塞运行频率，减小泵实际排量；对于离心泵，降低了叶轮转速，同样降低泵排量。因此，当需排量变化时，可通过调节变频器输出频率，达到控制排量的目的，保证管压恒定。泵排量降低，电动机负荷也随之减小，这样电动机输出功率亦减小，效率可大大提高，达到节能目的。

5、电驱钻机

由于石油特殊行业背景，决定了石油钻机有其本身特点。整个钻井过程的复杂性决定了电动机电控系统的复杂性和多样性。当前常用机电传动系统按其驱动电动机类型分为直流传动和交流传动两大类，目前发展为SCR传动系统和交流变频传动系统。SCR电传动系统是柴油机驱动交流发电机，发电机发出的交流电通过SCR整流装置，将交流电变换为可控的直流电控制直流电动机，由直流电动机驱动绞车、转盘及泥浆泵等；交流变频传动系统是柴油机驱动交流发电机，发电机发出的交流电通过变频装置，将交流电变换为可大范围调整频率的交流电，控制交流变频电动机，驱动绞车、转盘及钻井泵等。一方面，交流变频电传动钻机的绞车、转盘可实现无级调速，调速范围宽，这样不仅可去掉绞车、转盘内变速系统，且使绞车结构简化、重量减轻、体积缩小，为工程作业提供非常优越的施工条件。另一方面，交流变频电传动钻机可使电动机短时过载倍数达2倍以上，提高了钻机提升和处理事故能力，尤其是在带负载情况下，可平稳启动、制动和调速，具有软启动性能，可降低供电电源容量；可采用计算机自动控制技术，便于对现场情况的监控和控制；对于交流变频电传动钻机钻井泵排量、冲数、转盘转数、扭矩等参数，可实现全数字显示，实现钻机的自动化、智能化和对外界变化的自适应控制。

综上所述，由于交流电动机自身优点，使得交流变频电驱动钻机无需再配电磁辅助刹车、易实现自动送钻，钻机结构简单、效率高、易实现自动化等，自产生以来在国内得到一定发展。但是，当前情况下，各油田应用的钻机以直流驱动钻机为主，且钻机品种和质量基本满足了国内不同地区、不同井深的需要，已有一批国产钻机在国外承担钻井作业服务，并受到用户好评。而在交流钻机方面，仅有长庆石油勘探局ZJ15DB型钻机、四川石油管理局ZJ40DBS钻机等少量机型应用了交流变频电驱动系统，并在应用过程中受到了钻井队工程技术人员和设备管理人员的好评。但其交流变频功能并没能完全开发，因而有广泛的应用前景。在国内，交流钻机正成为研究热点，许多单位和科研院所将其作为重点开发产品。

总之，交流变频调速技术作为高新技术、基础技术和电动机控制技术，其应用已渗透到石油行业各个技术部门。在游梁式抽油机控制、潜油电泵控制，电驱钻机控制中的应用还处于开始阶段，在应用中也出现了许多问题，有待进一步解决。只有充分考虑油田油井实际情况，才能促进交流变频调速技术在采油设备中的应用。在油田注水和油气集输中的应用与生活中的恒压供水类似，其应用技术已成熟。