海上平臺采油樹抬升位移測量方法研究

張 穎，張 藝，陳 迪，何驍勇，劉 東

（1.中海油研究總院，北京100028；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

蒸汽吞吐方法是目前稠油開采中最常用的方法之一。隨著稠油井中高壓干汽的注入，套管、水泥管及稠油地層全部被加熱，使得套管及地層溫度升高而發(fā)生熱膨脹，產(chǎn)生了熱應力，形成套管軸向伸長和徑向形變，套管端部產(chǎn)生軸向位移，出現(xiàn)采油樹抬升現(xiàn)象[1]。旅大5-2北、南堡等油田在熱采注熱期間，隨著井內(nèi)溫度和壓力的升高，均出現(xiàn)了采油樹抬升的安全隱患[2]。

采油樹抬升會影響油井正常生產(chǎn)壽命和產(chǎn)量，并導致生產(chǎn)管線、彎頭出現(xiàn)形變，引起安全隱患，給井口操作及施工帶來困難。嚴重時會出現(xiàn)管線斷裂，引發(fā)安全事故[3]。因此，注汽采油樹的抬升應限定在一定范圍內(nèi)，避免抬升過高。

目前采油樹抬升位移測量主要采用定期巡檢，人工測量的方法。該方法測量精度較低，且不能實時監(jiān)測，無法及時處理安全隱患。為了保證采油樹抬升位移測量的實時性，擬采用1套采油樹抬升位移實時監(jiān)測報警系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示，對注汽采油樹抬升位移進行實時測量監(jiān)控，并將位移信號傳入中控系統(tǒng)，在超出抬升范圍時進行報警，及時采取相應措施，避免安全事故的發(fā)生。該系統(tǒng)中最為關鍵的環(huán)節(jié)即為位移測量，其準確度關系到整套系統(tǒng)的準確度。本文研究了目前較精準的位移測量方法，并進行了適用性分析，主要有電子式測位移法、磁致伸縮法、激光法、拉繩法和電渦流測位移法。

圖1 采油樹抬升位移實時監(jiān)測報警系統(tǒng)結(jié)構示意

1 位移測量方法介紹

1.1 電子式測位移法

電子式測位移法主要有電阻式、電容式、電感式等。以電阻式為例，通過目標物帶動滑片在可變電阻上移動來改變電阻大小，將直線機械位移量轉(zhuǎn)化為電信號輸出。電阻式測位移法原理如圖2所示，傳感器（可變電阻）滑軌連接直流電源U，滑片到固定端的電壓Ui與滑片的位移Li成正比，如式（1）所示，因而可將位移的測量轉(zhuǎn)換為電壓的測量。電子式測位移法裝置結(jié)構簡單，價格便宜，適用于幾毫米到幾百毫米的位移測量。目前采用線性可變差動變壓器的位移傳感器精度較高，一般可達到0.05%～0.02%[4]。缺點是大多數(shù)產(chǎn)品無防爆認證，且使用電阻式測位移法要注意防止靜電干擾和調(diào)頻干擾。

式中：L——磁鐵的位置。

圖2 電阻式測位移法原理示意

1.2 磁致伸縮測位移法

磁致伸縮測位移法利用兩個不同的磁場相交時產(chǎn)生一個應變脈沖信號，通過計算該信號被探測的時間周期，換算出活動磁鐵的準確位置[5]。磁致伸縮測位移法原理如圖3所示，這2個磁場一個來自激勵信號發(fā)生電路產(chǎn)生激勵脈沖，經(jīng)放大電路后施加給導波絲而產(chǎn)生的一個圍繞導波絲的旋轉(zhuǎn)磁場，另一個來自活動磁鐵產(chǎn)生的固定磁場。當2個磁場相交時，波導絲產(chǎn)生磁致伸縮現(xiàn)象，產(chǎn)生一個應變脈沖。應變脈沖沿導波絲向兩邊傳播，當傳到一端的阻尼器時，該脈沖信號被減弱吸收；當該脈沖傳到導波絲另一端時，被感測電路探測到。通過時間測量電路測得激勵脈沖和接受感應脈沖的時間間隔，乘以應變脈沖傳播的速度，便能準確地計算出磁鐵的位置L。由于該過程是連續(xù)不斷的，每當活動磁鐵被帶動時，新的位置就會被很快地探測出來。活動磁鐵可與導波絲有一定距離間隔，最長不超過20 c m。

在測量采油樹抬升位移時，將活動磁鐵固定在采油樹上，采油樹抬升帶動活動磁鐵上下移動，從而測量出采油樹位移。由于海上平臺濕氣較大，且渤海海域冬季溫度較低，為防止活動磁鐵與導波桿結(jié)露導致活動磁鐵移動受阻，可將活動磁鐵與導波桿分開一定間隔測量。

圖3 磁致伸縮測位移法原理示意

磁致伸縮測位移法環(huán)境適應性強，壽命長，具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性和高重復性等特點。

1.3 激光測位移法

激光測位移法利用激光技術進行測量，是一種新型的測量方式，能夠精確、非接觸測量被測物體的位置及位移變化。最常用的激光檢測法為三角測量法[6]，它由激光發(fā)射器、激光接收檢測器和處理器組成[7]，激光測位移法原理如圖4所示。

激光發(fā)射器通過鏡頭將激光光束射向被測物體表面，激光經(jīng)物體表面反射后，通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的激光接收器接收。被測物體位置不同，則接收器接收反射激光角度不同。數(shù)字信號處理器根據(jù)接收角度計算出傳感器和被測物體之間的距離。

圖4 激光測位移法原理示意

采取三角測量法的激光位移傳感器復現(xiàn)性好，精度可達到±0.02%。分辨率高，線性度高，響應速度快，并且可適應惡劣環(huán)境。

1.4 拉繩式測位移法

拉繩式測位移法可以把拉繩的移動距離轉(zhuǎn)換成電信號進行測量。拉繩式測位移法原理如圖5所示，拉繩式位移傳感器由可以拉伸的鋼絲繩均勻纏繞在滾輪上，滾輪與旋轉(zhuǎn)感應器連接在一起。滾輪旋轉(zhuǎn)，帶動感應器旋轉(zhuǎn)，輸出與拉繩移動距離成比例的電信號。測量時拉繩式傳感器繩索一端固定在采油樹的測量標塊上，當采油樹抬升時，繩索長度逐漸拉長，滾輪旋轉(zhuǎn)帶動感應器輸出成比例的電信號，得出采油樹抬升位移量[8]。

拉繩式位移傳感器測量范圍可達到50～10 000 mm，體積小，結(jié)構緊湊，測量精度高，并且價格便宜。

圖5 拉繩測位移法原理示意

1.5 電渦流測位移法

電渦流測位移法能非接觸測量被測金屬導體距探頭表面的距離和相對位移變化。測量主要依據(jù)法拉第電磁感應原理，如圖6所示。電渦流位移傳感器探頭線圈中通入高頻振蕩電流時，產(chǎn)生交變磁場。當被測金屬導體靠近該磁場時，導體內(nèi)將產(chǎn)生感應電流。該感應電流同時會產(chǎn)生與探頭線圈方向相反的交變磁場，反作用于探頭線圈，使線圈電流的相位與幅度發(fā)生改變。當其他參數(shù)確定時，金屬導體距探頭距離的變化與線圈電流變化有對應關系。因此，通過測量探頭線圈電流變化即可得出金屬導體位移參數(shù)x[9]。

電渦流測位移法的可靠性、靈敏度、線性度、分辨率均較高，廣泛用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)。但由于受到測量原理限制，量程一般較小，通常為幾毫米到幾十毫米。

圖6 電渦流測位移法原理

2 測量方案比較

通常情況下，采油樹隨著溫度抬升，位移在幾毫米到幾十厘米之間。位移過大，則會影響油井正常生產(chǎn)壽命和產(chǎn)量，并引起安全隱患。因此，采用的位移傳感器要求測量范圍能覆蓋0～700 mm。由于位移測量位于井口區(qū)，屬于1區(qū)危險區(qū)[10]，需滿足相應的防爆及防護要求[11]。以上幾種位移測量方法的比較見表1所列。

電渦流法測量精度高，但量程小，適合小量程精密測量，不滿足采油樹抬升位移測量范圍要求。電阻法測量位移價格便宜，精度滿足要求，但多數(shù)產(chǎn)品不滿足防爆要求，而滿足防爆要求的產(chǎn)品量程較小，一般不超過300 mm，且該方法測量過程存在摩擦，鹽霧環(huán)境對產(chǎn)品絕緣和壽命會有一定影響，因而不推薦選用。磁致伸縮、激光和拉繩法量程、精度和防爆基本都滿足要求，但激光法價格較高，因而推薦選用磁致伸縮法和拉繩法，激光法備選。

3 結(jié) 論

采油樹位移實時監(jiān)測報警系統(tǒng)能實時監(jiān)測注汽采油樹抬升位移，超出安全范圍后可及時報警并采取措施，避免了安全事故的發(fā)生。根據(jù)目前對位移測量方法的研究，考慮量程、精度、防爆、防護等各方面要求，推薦選用磁致伸縮和拉繩法測量采油樹抬升位移，激光測位移法備選。

表1 位移測量方法比較