潛油螺桿泵井下多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

韓 濤，韓岐清，周俊杰，金立川，馬曉燕，李華晶，孫 娉

（1.中國(guó)石油大港油田分公司，天津 300280；2.杭州乾景科技有限公司，浙江杭州 310000）

電動(dòng)潛油螺桿泵無(wú)桿采油技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展，通過(guò)理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的不斷優(yōu)化完善，基本形成了較為成熟的工藝配套技術(shù)，已在大港、勝利、新疆、長(zhǎng)慶等國(guó)內(nèi)多個(gè)油田規(guī)模應(yīng)用600 口井以上，大港油田針對(duì)井叢場(chǎng)大斜度井優(yōu)化配套、高黏稠油電加熱井工藝替代、高濃度見(jiàn)聚短周期井舉升方式轉(zhuǎn)換等方面開(kāi)展試驗(yàn)應(yīng)用，取得了“增油提效、降本降耗”的突出成效。但在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，存在對(duì)動(dòng)液面監(jiān)測(cè)誤差大、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)滯后以及稠油井無(wú)法測(cè)取動(dòng)液面，不能有效指導(dǎo)工作參數(shù)調(diào)整，僅依靠運(yùn)行電流的變化判斷生產(chǎn)工況并進(jìn)行工作制度調(diào)整，遠(yuǎn)未達(dá)到對(duì)機(jī)采工藝數(shù)字化升級(jí)、智能化轉(zhuǎn)型的技術(shù)配套要求[1]。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)潛油螺桿泵運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成信號(hào)反向控制功能，提升系統(tǒng)智能化配套水平，開(kāi)發(fā)研制了井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下泵入口壓力、溫度、X 軸方向振動(dòng)、Y軸方向振動(dòng)和Z 軸方向振動(dòng)等多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用210 口井，形成了恒動(dòng)液面變轉(zhuǎn)速生產(chǎn)、低產(chǎn)液智能間抽、防干抽自動(dòng)調(diào)參等多種反向控制模式，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)潛油螺桿泵自診斷自調(diào)節(jié)智能化管控[2]，大幅度提升潛油螺桿泵智能化管理水平，并為大型叢式井采油平臺(tái)智能群控及無(wú)人值守提供了有力支撐。

1 井下多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

1.1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面人造星點(diǎn)和井下電機(jī)的星點(diǎn)將潛油電纜的三根動(dòng)力線(xiàn)UVW 組合成一根通信線(xiàn)，然后和鎧皮組成回路，構(gòu)成了通信的物理通道[3]，實(shí)現(xiàn)方法（見(jiàn)圖1）。

圖1 系統(tǒng)原理圖

井下電路包含電源、MCU、時(shí)鐘、壓力傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器，井上電路包含電源、MCU、時(shí)鐘、顯示屏。井上電源功能一是為井上電路提供工作電壓，二是給井下提供80 V 直流電。MCU 采集壓力傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器的數(shù)值，轉(zhuǎn)化成含有數(shù)字量信息的電壓信號(hào)[4]，用電壓信號(hào)控制Q1 的開(kāi)關(guān)，從而改變電路上電流大小，使電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)；井上電路通過(guò)采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，送給MCU 識(shí)別，通過(guò)預(yù)先約定的規(guī)則，識(shí)別電壓信號(hào)中的數(shù)字量信息，最終得到井下的壓力、溫度、振動(dòng)的數(shù)值。井下電路處于高溫高壓工作環(huán)境，對(duì)結(jié)構(gòu)承壓及耐溫要求較高[5]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)密封于抗壓性特高的鋼制殼體中（見(jiàn)圖2），監(jiān)測(cè)裝置供電通過(guò)電纜穿越插針[6]與潛油電機(jī)的星點(diǎn)連接并為井下提供穩(wěn)定的直流電壓。配套設(shè)備主要包括壓力傳感器、溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、電源電路、MCU、時(shí)鐘等電路。

圖2 監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖

監(jiān)測(cè)參數(shù)主要包括：泵入口壓力、溫度、X 軸方向振動(dòng)、Y 軸方向振動(dòng)和Z 軸方向振動(dòng)等。

1.3 電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)耐溫120 ℃，選擇內(nèi)部元器件耐溫級(jí)均等于或高于125 ℃。

1.3.1 電源電路 電源轉(zhuǎn)換電路使用SEMTECH 的SC4812 芯片，芯片輸入在12～90 V，工作溫度在-40～150 ℃，頻率260 kHz。可滿(mǎn)足井下電路輸入80 V，輸出15 V[7]的工作需求。

1.3.2 井下泵入口壓力測(cè)量電路 井下泵入口壓力測(cè)量選用高溫壓力變送器，壓力測(cè)量范圍在0～40 MPa，信號(hào)輸出在4～20 mA[8]。

1.3.3 井下泵入口溫度測(cè)量電路 井下泵入口溫度測(cè)量采用PT100 鉑電阻[9]，電阻對(duì)溫度敏感性較好[10-11]，通過(guò)內(nèi)置MCU 可實(shí)現(xiàn)-40～125 ℃的高精度測(cè)量。

1.3.4 井下振動(dòng)測(cè)量電路 井下振動(dòng)測(cè)量采用Analog Devices 公司生產(chǎn)的ADXL357，可同時(shí)測(cè)量XYZ 三軸的振動(dòng)，最大可測(cè)振動(dòng)±40.96 g，溫度范圍-40～125 ℃，采用2.25～3.6 V 單電源供電，內(nèi)部集成AD 采樣電路，振動(dòng)數(shù)據(jù)采用SPI 方式傳輸給MCU[12]，電路圖（見(jiàn)圖3）。

圖3 振動(dòng)測(cè)量電氣原理圖

1.3.5 MCU MCU 選用Microchip Technology 生產(chǎn)的16 位芯片PIC24HJ128GP506A-I/MR，該芯片工作電壓在3.0～3.6 V，工作溫度在-40～150 ℃，含12 位ADC，可滿(mǎn)足精度和高溫環(huán)境要求[13]。

2 技術(shù)參數(shù)及適應(yīng)條件

2.1 技術(shù)參數(shù)（見(jiàn)表1）

表1 井下多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)參數(shù)

2.2 適應(yīng)條件

下入深度：≤2 500 m；套管內(nèi)徑：≥φ121.4 mm；適應(yīng)大斜度井、水平井，泵掛處全角變化率：≤5°/30m；泵掛處井溫：≤120 ℃。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

2018-2021 年現(xiàn)場(chǎng)累計(jì)應(yīng)用210 口井，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛油螺桿泵吸入口壓力、溫度、電機(jī)溫度以及機(jī)組振動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸通訊頻率可達(dá)到1 次/5 秒。依托采集的泵入口壓力、溫度，結(jié)合運(yùn)行電流、轉(zhuǎn)速以及油井產(chǎn)液量、含水、油套壓等生產(chǎn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油井工況的實(shí)時(shí)診斷，并通過(guò)設(shè)定閾值，實(shí)現(xiàn)工作制度的自主調(diào)整，創(chuàng)新形成了恒動(dòng)液面變轉(zhuǎn)速生產(chǎn)、低產(chǎn)液智能間抽等方向控制模式，電動(dòng)潛油螺桿泵智能診斷、自主管控能力大幅度提升[14-15]。

西4-X1 井生產(chǎn)后期日產(chǎn)液低于3.2 m3，平均動(dòng)液面不足120 m，通過(guò)沉沒(méi)壓力閾值設(shè)定在1.3～2.5 MPa，該井實(shí)現(xiàn)了在沉沒(méi)壓力達(dá)到2.5 MPa 時(shí)機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)生產(chǎn)，當(dāng)沉沒(méi)壓力低于1.3 MPa 時(shí)，機(jī)組自動(dòng)停機(jī)[16]。實(shí)現(xiàn)了間抽井無(wú)人值守，自主管控。

劉2-X 井投產(chǎn)后產(chǎn)液量短期內(nèi)快速下降，動(dòng)液面波動(dòng)明顯，工作制度調(diào)整頻繁，依托井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)獲得沉沒(méi)壓力數(shù)據(jù)，采用設(shè)定沉沒(méi)壓力數(shù)據(jù)1.4 MPa 作為動(dòng)液面恒定值，機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速以設(shè)定的動(dòng)液面恒定值自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)非人工干預(yù)自動(dòng)調(diào)整工作制度。

井下多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用，使油田人工舉升智能化配套水平快速提升，同時(shí)大幅度減少人工巡井、人工調(diào)整工作制度等維護(hù)工作量，安全生產(chǎn)、高效管理的綜合優(yōu)勢(shì)突出，也為電動(dòng)潛油螺桿泵的工業(yè)化應(yīng)用提供了有效的技術(shù)支持[17]。

4 結(jié)論

（1）圍繞電動(dòng)潛油螺桿泵生產(chǎn)應(yīng)用中面臨的技術(shù)需求，開(kāi)發(fā)研制了井下多參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，完成了裝置結(jié)構(gòu)及各功能電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泵入口壓力、溫度、X軸方向振動(dòng)、Y 軸方向振動(dòng)和Z 軸方向振動(dòng)等多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用。

（2）生產(chǎn)過(guò)程中針對(duì)不同井況，創(chuàng)新形成了恒動(dòng)液面變轉(zhuǎn)速生產(chǎn)、低產(chǎn)液智能間抽、防干抽自動(dòng)調(diào)參等多種反向控制模式，電動(dòng)潛油螺桿泵工況自主診斷自主調(diào)節(jié)智能化控制水平大幅度提升。

（3）井下多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)依托井下潛油螺桿泵供電便利，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并形成了閉環(huán)控制，快速促進(jìn)了油田人工舉升智能化配套及智能管控水平，使得該項(xiàng)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用及推廣前景。