井下泵工況監(jiān)測的便攜式控制箱設計淺析★

丁 鵬， 苗 杰， 陳 露， 石平太

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司， 天津 300452）

引言

泵工況全稱為電潛泵工況監(jiān)測系統(tǒng)，主要由地面操作控制箱、高壓扼流器、井下檢測儀構成。泵工況號稱井下電泵機組的“千里眼”，其能夠?qū)㈦姳脵C組運行的溫度、壓力、振動等參數(shù)實時實施傳輸至地面，為生產(chǎn)管理人員診斷、調(diào)整油井的生產(chǎn)參數(shù)提供依據(jù)，對油井的生產(chǎn)管理具有重要意義，泵工況監(jiān)測系統(tǒng)的控制邏輯圖示見圖1。其中泵工況儀安置在機組的最下方，機組上方安置有泵出口傳壓短節(jié)，短節(jié)通過壓力管線與泵工況儀相連接，通過泵工況儀監(jiān)測泵出口壓力，在陸地則是由高壓線與扼流器連接，扼流器分別通過升壓變壓器與低壓變頻器相連，通過線纜與地面控制箱連接。

在2018 年之前，泵工況產(chǎn)品的生產(chǎn)供應和相關技術長期被國外公司壟斷，國內(nèi)機采井使用的大多數(shù)是國外進口的泵工況產(chǎn)品，存在供貨周期長，供貨不穩(wěn)定，產(chǎn)品種類單一等問題，同時屬于影響海洋油田生產(chǎn)監(jiān)測的“卡脖子”技術。

2016 年，立項電泵工況監(jiān)測系統(tǒng)國產(chǎn)化研究，中海油歷時兩年完成該項目，并實現(xiàn)自主化設計和生產(chǎn)，自主化泵工況命名為海龍DS1 型泵工況監(jiān)測系統(tǒng)，作為海龍系列人工舉升產(chǎn)品之一，截止至2021年，海龍泵工況已經(jīng)有20 井次成功應用于現(xiàn)場，并且研制出環(huán)型泵工況，業(yè)內(nèi)首次解決了投撈泵無泵工況可用的局面。

近年來，如圖2 所示，隨著油田數(shù)字化的發(fā)展，泵工況的應用逐漸在油田普及，2020 年機采公司簽署的渤海油田電泵工況監(jiān)測裝置采購協(xié)議涉及未來1 500套泵工況的應用，因此泵工況自主化生產(chǎn)產(chǎn)能必須能夠滿足未來市場需求。因此，本論文討論的主要內(nèi)容是研制一套可用于井下泵工況監(jiān)測的便攜式控制箱，從而提高泵工況作業(yè)和調(diào)試的時效。

1 泵工況調(diào)試過程存在的問題

通過對2020 年泵工況現(xiàn)場作業(yè)調(diào)研，每次下井作業(yè)時，需要將地面控制箱與現(xiàn)場井下測試儀直接連接，用于監(jiān)測井下數(shù)據(jù)參數(shù)變化情況，每次都需要將固定的地面站箱拆卸搬運到現(xiàn)場進行連接，需要現(xiàn)場臨時接電以及設備重新接線，同時在戶外低溫環(huán)境下，地面控制箱數(shù)據(jù)讀取和人機界面操作存在卡頓現(xiàn)象?？紤]到地面設備和井下儀器的現(xiàn)場作業(yè)屬于成熟作業(yè)，因此課題組將方向放在了提高泵工況現(xiàn)場作業(yè)和調(diào)試時效方面。

通過對現(xiàn)場作業(yè)人員和甲方單位調(diào)研，在泵工況下井作業(yè)和生產(chǎn)調(diào)試過程中，地面控制箱現(xiàn)場作業(yè)存在著前期準備時間長、設備易損和低溫環(huán)境面板卡頓等問題（見圖3）。

1.1 準備時間長

泵工況日常使用過程中，地面控制箱通過電纜固定在安全防爆區(qū)域，在下井作業(yè)時需要將地面控制箱拆卸搬運至現(xiàn)場與井下測試儀相連，造成設備的頻繁拆裝搬運和接線，同時作業(yè)現(xiàn)場需要臨時接電，需要現(xiàn)在作業(yè)開臨時用電單，增加了前期準備工作。

1.2 設備易損

戶外作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復雜，下井作業(yè)需要打開箱體內(nèi)使電路板與電纜相連，電路板直接裸露在戶外環(huán)境，容易造成電路板受潮損壞。

1.3 環(huán)境適應性較差

現(xiàn)有的地面控制箱觸摸屏正常工作溫度是在0 ℃以上，在寒冷的冬天戶外環(huán)境下，容易造成觸摸屏出現(xiàn)卡頓，人機界面操作卡頓、數(shù)據(jù)讀取延遲的情況。

本次課題針對現(xiàn)場作業(yè)存在著前期準備時間長、設備易損和低溫環(huán)境面板卡頓等問題，主要借鑒了便攜式移動式基站（如圖4 所示）的結構和供電設計，可針對現(xiàn)場作業(yè)情況復雜和前期準備工作時間長情況，可以達到快速響應目的。

為了解決泵工況下井作業(yè)和調(diào)試存在的上述問題，研制一套提高作業(yè)和調(diào)試時效工裝，并進行了相關的調(diào)研和論證工作，最終確定研制一套用于泵工況作業(yè)和調(diào)試作業(yè)的結構簡單、環(huán)境適應性強，快速的實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的監(jiān)測工具。

2 電氣設計方案

在原地面控制箱內(nèi)部增加伴熱或加熱器，在原地面控制箱基礎上采用耐低溫觸摸屏，設計通用便攜式箱體，采用耐低溫觸摸屏，增加電池設計，采用快速插接接線。

通過采用便攜式箱體，箱體采用PP 塑料，密封性好，重量輕；通過在測試箱內(nèi)部安置移動式便攜電源，節(jié)省內(nèi)部空間，可用空間富裕，在現(xiàn)場不具備接線條件時，能夠提供短時間的供電,實現(xiàn)箱體外置電源與內(nèi)置電源的切換，無需拆卸充電。

2.1 電源設計

1）實現(xiàn)內(nèi)置電源與外接直流電源切換,充放電安全可靠；

2）輸出電壓滿足電路板和觸摸屏的供電需求；

3）供電電源可保證設備連續(xù)工作時間不小于8 h。

2.2 電路及控制系統(tǒng)設計方案

1）鋰電池+電源保護板+DC 充電頭：實現(xiàn)外接直流電源和內(nèi)置電源的切換。

2）鋰電池：選用6S 5300 mAH 鋰電池，輸出電壓25.2 V。

3）電源保護板：輸入端與DC 充電頭和鋰電池連接，具有充電均衡和充放電保護功能，輸出端與地面電路板和觸摸屏相連。

4）箱體選型：選用材質(zhì)PP 塑料的航空箱作為便攜式箱的主體，防護等級IP66。

5）觸摸屏選型：選用耐低溫觸摸屏，可在-40 ℃環(huán)境下正常使用。

6）觸摸屏通過RS485 接口與地面電路板相連。

7）觸摸屏將顯示井下傳感器的數(shù)據(jù)參數(shù)。

8）觸摸屏可生成井下數(shù)據(jù)監(jiān)測報告。

2.3 設備連接設計

箱體內(nèi)設備間使用導線連接，通過壓接和焊接的方式將導線固定在設備上，實現(xiàn)控制、通信和供電等功能。電源配有開關，配有電量顯示器，可用于電源和狀態(tài)顯示。

3 結構設計方案

通過將觸摸屏、主控電路板、通信口集成安裝到防護箱內(nèi)，方便攜帶，同時箱體內(nèi)置設備供電電源。如圖5 和圖6 所示，碳纖維板作為儀器設備面板，對碳板進行切割加工，預留觸摸屏開孔（192 mm×138 mm）、電量顯示器安裝孔（43.5 mm×20 mm）、3 個通信接口安裝孔，分別是USB 口、以太網(wǎng)口、插線端子口、電源開關安裝孔以及2.1DC 接口。

泵工況便攜式控制箱在下井作業(yè)和地面調(diào)試作業(yè)中較之前工作效率提高了13 倍，省去作業(yè)現(xiàn)場箱體拆裝和臨時接電環(huán)節(jié)，完全規(guī)避了人員接線失誤風險。后期將計劃通過技術改進，提高泵工況數(shù)據(jù)的采集效率，全方位推動泵工況產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 結語

本論文討論的主要內(nèi)容是研制一套可用于井下泵工況監(jiān)測的便攜式控制箱，從而提高泵工況作業(yè)和調(diào)試的時效。通過采用便攜式箱體，箱體采用PP 塑料，密封性好，重量輕；通過在測試箱內(nèi)部安置移動式便攜電源，節(jié)省內(nèi)部空間，可用空間富裕，在現(xiàn)場不具備接線條件時，能夠提供短時間的供電,實現(xiàn)箱體外置電源與內(nèi)置電源的切換，無需拆卸充電。