六參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的研制及應(yīng)用

王桂全

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院 （黑龍江 大慶 163453）

利用六參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置監(jiān)測井下泵體X、Y、Z 3個(gè)方向的振動情況[1-4]，泵出口壓力及沉沒壓力、井下溫度等參數(shù)，為了解抽油泵在井下的工況提供準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù)。

1　裝置的主要功能

六參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的主要功能如下：

1）實(shí)現(xiàn)對柱塞抽油泵、單螺桿抽油泵等在X、Y、Z 3個(gè)方向振動實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2）實(shí)現(xiàn)對沉沒壓力和泵出口壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3）實(shí)現(xiàn)對井下溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測。

4）參數(shù)設(shè)置、曲線顯示及數(shù)據(jù)記錄。

2　裝置的組成

六參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置主要由井上控制部分、井下采集部分和一套基于Windows的計(jì)算機(jī)控制軟件組成。井上控制部分和井下采集部分通過鋼管電纜連接，井上控制部分通過串口與計(jì)算機(jī)連接。井下實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)控制軟件完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理等功能，實(shí)現(xiàn)對井下工況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體組成如圖1所示。

圖1　六參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置組成實(shí)物圖

考慮到井下的溫度較高，六參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置采用低功耗、溫度等級較高的電子元器件、單片機(jī)，使用高效溫度補(bǔ)償算法作井下傳感器的溫度補(bǔ)償，使輸出的測量值在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)都有很高的精度[5-6]。

井下采集部分將6種傳感器檢測的信號進(jìn)行濾波、調(diào)理和數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)井上部分的控制命令，實(shí)現(xiàn)不同頻率下的數(shù)據(jù)采集、編碼、上傳。井上控制部分根據(jù)測試需求，實(shí)現(xiàn)與井下采集部分通信，完成控制命令的下發(fā)、數(shù)據(jù)解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)上傳計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)控制軟件完成數(shù)據(jù)采集的時(shí)間、頻率、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)的設(shè)置；控制數(shù)據(jù)接收校驗(yàn)；壓力、溫度的數(shù)值顯示，X軸振動、Y軸振動、Z軸振動加速度的曲線顯示；數(shù)據(jù)的保存和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能[7-8]。

3　現(xiàn)場試驗(yàn)

利用六參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置分別對柱塞抽油泵和單螺桿抽油泵在油井中進(jìn)行了連續(xù)測試。對井下柱塞抽油泵和單螺桿抽油泵在X、Y、Z 3個(gè)方向振動加速度進(jìn)行測量，對井下套管壓力和泵出口壓力及對井下溫度進(jìn)行了測試。

AI-2在細(xì)菌對數(shù)生長早期及中晚期升高均未超過0.8，無調(diào)節(jié)細(xì)菌形成生物膜作用，AI-2變化趨勢與細(xì)菌生長曲線無直接相關(guān)性，見圖4。

3.1　柱塞抽油泵測試

工作參數(shù)：沖程3 m，沖次3次/min、6次/min，桿徑25 mm，泵徑70 mm，泵深1 000 m，液面300 m、600 m、800 m。

1）同液面不同沖次的測試（液面300 m），測試數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。

圖2　柱塞抽油泵井同液面不同沖次試驗(yàn)曲線

振動數(shù)據(jù)分析：監(jiān)控裝置井下采集部分安裝在抽油泵出口處，深度為990 m。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：泵工作時(shí)，X、Y、Z 3個(gè)方向均有加速度的變化，這是抽油泵在抽油過程中，抽油桿上下交變載荷引起的振動。X、Z 2個(gè)方向加速度基本相同，且不同沖次對其影響很小，Y方向加速度（振動）較大。由于泵工作時(shí)，抽油桿和油管縱向（Y）伸縮的影響，且不同沖次對其影響很大，沖次為6次/min時(shí)振動是3次/min的2倍左右，分析見表1。

表1　抽油泵不同沖次振動測試數(shù)據(jù)分析表

2）不同液面的壓力測試試驗(yàn)（液面300 m和500 m），測試數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

圖3　六參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置井下壓力測試曲線

數(shù)據(jù)分析：通過液面測試儀分別測量了動液面300 m和500 m時(shí)隨時(shí)間變化的參數(shù)值。由圖3可知，液面300 m時(shí)，沉沒（套管）壓力6.8MPa左右；液面500 m時(shí)，沉沒（套管）壓力5MPa左右，可以看出監(jiān)控裝置井下采集部分測試顯示的數(shù)據(jù)與液面測試儀測得的數(shù)據(jù)相符。

3.2　單螺桿抽油泵試驗(yàn)

工作參數(shù)為：桿徑25 mm，泵型300，泵深880 m，支撐卡瓦910 m，液面300 m、600 m、800 m，轉(zhuǎn)速60 r/min、90 r/min、120 r/min。

1）同液面不同轉(zhuǎn)速試驗(yàn)（液面600 m，轉(zhuǎn)速60 r/min、90 r/min、120 r/min），測試數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4　單螺桿抽油泵井同液面不同轉(zhuǎn)速試驗(yàn)曲線

數(shù)據(jù)分析：監(jiān)控裝置井下采集部分安裝在螺桿泵出口處，深度為880 m。由圖4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線可知，泵在相同液面深度不同轉(zhuǎn)速工作時(shí)，X、Y、Z方向均有加速度的變化，其中X、Z方向加速度變化明顯，隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，且變化基本相同，而Y方向加速度變化很小。由于泵工作時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的升高，泵出口井液離心力增加，使泵在橫向振動明顯增大。轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)的振動是60 r/min時(shí)的7倍左右，數(shù)據(jù)分析見表2。

圖5　單螺桿抽油泵井同轉(zhuǎn)速不同液面試驗(yàn)曲線

由圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線可知，泵在相同轉(zhuǎn)速不同液面工作時(shí)，同樣，X、Y、Z方向均有加速度的變化，但變化不是很明顯，其中X、Z方向加速度隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，且變化基本相同，而Y方向加速度變化很小。由于泵工作時(shí)，隨動液面的加深，使泵的舉升液體的壓力上升，在橫向振動增大。液面為800 m時(shí)的振動是300 m時(shí)的3倍左右，數(shù)據(jù)分析見表3。

3）安裝油管扶正器試驗(yàn)（支撐卡瓦890 m,轉(zhuǎn)速80 r/min，液面600 m）：在泵出口處安裝油管扶正器并將支撐卡瓦上提至泵吸入口890 m,進(jìn)行試驗(yàn)。測試數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

圖6　單螺桿抽油泵井安裝油管扶正器試驗(yàn)曲線

數(shù)據(jù)分析：該條件與未安裝扶正器和支撐卡瓦在910 m的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比可知：在相同的轉(zhuǎn)速和液面條件下，安裝油管扶正器并將支撐卡瓦上提至泵吸入口890 m時(shí)的振動情況明顯降低，其中X、Z 2個(gè)方向加速度降低一半左右，Y方向基本無變化。數(shù)據(jù)分析如表4所示。

表3　單螺桿抽油泵井不同液面振動測試數(shù)據(jù)分析

表4　單螺桿抽油泵井安裝扶正器前后振動測試數(shù)據(jù)分析

4　結(jié)論

通過以上現(xiàn)場試驗(yàn)說明：六參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置可監(jiān)測井筒沉沒壓力、泵出口壓力、井筒溫度、泵體在X、Y、Z 3個(gè)方向振動情況。通過此六參數(shù)監(jiān)測，現(xiàn)場使用時(shí)具有如下作用：

1）對于柱塞抽油泵和潛油柱塞泵，通過監(jiān)測Y軸方向振動情況，可明確啟機(jī)和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，實(shí)際沖擊力，為柔性控制程序設(shè)定，提供依據(jù)。

2）對于單螺桿抽油泵和潛油螺桿泵，通過監(jiān)測泵體在X、Z方向振動情況，可明確泵體在工作中實(shí)際偏離中心情況，為配套油管扶正器、錨定工具及錨定方式提供參考，同時(shí)可考察錨定工具的效果。

3）通過沉沒壓力監(jiān)測，為地面柔性控制柜實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使泵工作在合理沉沒度下，達(dá)到供采平衡。通過監(jiān)測泵出口壓力，根據(jù)P=F/S可計(jì)算出無桿舉升過程中，泵體實(shí)際舉升力的大小。由公式△P=P泵出口-P油壓可以計(jì)算實(shí)際工作壓力及井筒壓力損失，為后續(xù)調(diào)整工況參數(shù)提供依據(jù)。

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