摘要:潛油(yóu)電泵(bèng)井下(xià)流量(liàng)計 量(liàng)對于(yú)電泵(bèng)系統的運行重(zhòng)要(yào),可(kě)以清(qīng)楚地(dì)反映電泵(bèng)的運(yùn)行狀态和油藏(cáng)狀态,但目(mù)前尚(shàng)無計(jì)量(liàng)潛(qián)油電泵井下流量的(de)裝置(zhì)。通過采集(jí)相關數據(jù),結合(hé)泵的性(xìng)能曲線(xiàn),拟合出泵的揚(yáng)程(chéng)排量曲(qǔ)線,進(jìn)而通(tōng)過壓力(lì)就(jiù)可得出瞬(shùn)時排(pái)量,再通(tōng)過(guò)積分(fèn)的方式實現瞬時流量的計量(liàng)。
0引言(yán)
　　井下流(liú)量的計量是電泵(bèng)一項工作，目前基本上是(shì)通過(guò)對油管排(pái)出液進行計量,進(jìn)而(ér)得到電泵(bèng)的排量。如果出液不(bú)正常,就(jiù)隻能通(tōng)過經驗來(lái)判斷(duàn),可能存(cún)在不确(què)定性。如果(guǒ)井内(nèi)的液體回注到(dào)套管而(ér)未(wèi)回到地面(miàn),就不知道(dào)電泵的具體出(chū)液量,那(nà)麽就無(wú)法知道電泵的(de)運行狀(zhuàng)态。出液(yè)量的(de)計(jì)量有利(lì)于分析(xī)電泵的(de)運行(háng)狀态(tài),可根(gēn)據出液(yè)量進行(háng)調節(jiē)生産制度(dù),保障(zhàng)電泵的長(zhǎng)期運(yùn)行，延長(zhǎng)檢(jiǎn)泵周期(qī),在(zài)異常狀态下容易明(míng)确是(shì)泵的(de)故障還是其他故障(zhàng)(如油管漏(lòu)失管線堵塞等)。爲此,根據泵的性能曲線(xiàn)及現有的技術手段(duàn),拟合(hé)排量(liàng)壓力曲線(xiàn)、給出拟合(hé)方程(chéng),可以根(gēn)據方程(chéng)求解(jiě)泵(bèng)的瞬時(shí)排量(liàng)、計量泵的(de)井下流量。
1電(diàn)泵模型(xíng)
　　正(zhèng)常(cháng)電泵管柱上(shàng)，在(zài)潛油(yóu)電機的(de)尾部加(jiā)裝一台井下傳(chuán)感器(qì),傳(chuán)感器尾(wěi)部加裝扶(fú)正器,從傳(chuán)感器(qì)頭部(bù)引出一(yī)根1/4"不鏽(xiù)鋼(gāng)管(guǎn)(圖1)。在(zài)離心(xīn)泵出口上(shàng)安裝(zhuāng)引壓接頭,接頭(tóu)上方連(lián)接油管(guǎn)至井(jǐng)口。1/4"不鏽鋼管與引(yǐn)壓接頭(tóu)相連,将泵出口(kǒu)的壓力傳(chuán)到井(jǐng)下傳感器(qì)。鋼管(guǎn)上、下均(jun1)要做好(hǎo)密(mì)封(fēng),密(mì)封(fēng)壓力(lì)大于40mpa。通過(guò)井下(xià)通信(xìn)模塊(kuài),将傳(chuán)感器(qì)采集的壓(yā)力、溫度、振動、流(liú)量等(děng)參數(shù)信号(hào)通過電(diàn)機尾部(bù)星點,電磁(cí)線、動(dòng)力電纜傳(chuán)至地(dì)面,然(rán)後通(tōng)過地面解調模塊讀(dú)出參數(shù)數據,進而進行數據操(cāo)作與分(fèn)析。
 
2算例(lì)分析(xī)
2.1泵性能曲(qǔ)線
　　潛(qián)油電(diàn)泵機(jī)組都遵(zūn)循gb/t16750--2015《潛油電泵機(jī)組(zǔ)》,出庫(kù)的時候(hòu)都會進行泵性能(néng)測試，繪制泵性(xìng)能曲(qǔ)線,也就是(shì)泵揚(yáng)程、排量(liàng)、泵效、軸(zhóu)功率曲線”。要求(qiú)至少采集13個點(diǎn),即在不同(tóng)排量(liàng)下的壓力、泵效(xiào)、功率(lǜ)數(shù)據(jù),來給(gěi)定泵的(de)有效高(gāo)效區間(jiān),用(yòng)以指(zhǐ)導(dǎo).用(yòng)戶生産。圖(tú)2爲50hz工頻運行的(de)數據曲(qǔ)線(xiàn),給定(dìng)的高效(xiào)區爲40~150m3/d。
 
　　根(gēn)據采(cǎi)液要求，目前很多油井采(cǎi)用變(biàn)頻的方式(shì)控制地産(chǎn),因此(cǐ)對變頻(pín)數據的(de)采集、提高變頻數據(jù)精(jīng)度具有(yǒu)實際意義。
2.2曲線(xiàn)的拟合
　　泵性能(néng)曲線，即(jí)是(shì)測出(chū)不同(tóng)排(pái)量下的揚程、電流、軸功(gōng)率等數據,用以(yǐ)判定電泵是否(fǒu)符合(hé)gb/t16750--2015《潛油電泵(bèng)機組(zǔ)》的要求。由于(yú)泵(bèng)性能曲線(xiàn)是在地(dì)面(miàn)完成的，測出(chū)的試驗(yàn)數據(jù)實際就是(shì)泵出(chū)口在不同(tóng)排(pái)量(liàng)下的(de)壓力數據。如果(guǒ)在(zài)油(yóu)井井下端(duān)測出泵出口(kǒu)壓(yā)力、吸(xī)人口(kǒu)壓力(lì),就可以近似得出在(zài)一定壓力下(xià)的排量數(shù)據(jù),實驗(yàn)井50hz工頻的(de)排量(liàng)壓力曲線(xiàn)如圖(tú)3所(suǒ)示(shì)。
 
2.2.1工頻實驗數據(jù)拟合
　　用采(cǎi)集的13點(diǎn)數據,取(qǔ)揚程、排量(liàng)數據(jù),根據其(qí)線性特(tè)征(zhēng),用wps.ffice或matlab拟合成(chéng)一個二(èr)項(xiàng)式,使其更(gèng)接近真實的數(shù)據。拟合的(de)公式(shì)如下:.
y=8x10-10x5-4x10-7x4+9x10-5-0.0098x2+0.215x+39.504
　　用測(cè)得的(de)泵出口壓(yā)力值(zhí)與吸人口(kǒu)壓力的差值,帶(dài)人公式(shì),即可得(dé)到相應的(de)泵出口排(pái)量值。
2.2.2變頻(pín)實驗數(shù)據拟(nǐ)合(hé)
依據(jù)變頻(pín)排量公式p:
y1=(ƒ/50)xy
式(shì)中
x一工(gōng)頻揚(yáng)程(chéng),mpa.
x1一變頻(pín)揚程,mpa
ƒ一設定頻(pín)率,hz
y一工(gōng)頻排(pái)量(liàng),m2/d
y1一變頻(pín)排量,m2/d
　　在給定(dìng)ƒ下(xià),測得泵(bèng)出口壓力(lì)與吸(xī)人口(kǒu)的壓力差(chà)值x0(此時油管(guǎn)摩阻忽略(luè)不(bú)計)，将(jiāng)x0帶入，計(jì)算(suàn)得到(dào)此時的排量值(zhí)y0(y0可理解爲(wèi)工頻(pín)下的排量),再通(tōng)過變頻公(gōng)式計(jì)算得出(chū)此時瞬(shùn)時排量(liàng)y1.
y1=(ƒ/750)xy0=(8x10-10x4x10-7x4+9x10-5x3-0.0098x2+0.215x+39.504)x(ƒ/50)。
　　實(shí)際上,采油廠更關心(xīn)的是一天的産量,瞬(shùn)時産(chǎn)量隻是作爲(wèi)一(yī)個參考。如(rú)果要計算(suàn)累計(jì)流量,直接(jiē)對變頻公式進(jìn)行積分即(jí)可:
 
其(qí)中a、b爲時間(jiān)段,可(kě)結合(hé)采(cǎi)油廠設(shè)置(zhì)時(shí)間段設置(zhì)起始點。
2.3控制系(xì)統
(1)主線路由斷路器、快熔、電抗器等組成，經由(yóu)變頻器、正弦濾(lǜ)波器(qì)、升壓變壓(yā)器作用于(yú)井下電機(jī)。輔助(zhù)回路(lù)包括加熱(rè)器與櫃(guì)風(fēng)機控制,工(gōng)控機的供電及(jí)照明燈的開啓。
(2)諧波(bō)控制(zhì)。功率(lǜ)開關(guān)器(qì)件的導通瞬間會産生(shēng)諧波(bō)電流。當開(kāi)關器件以很高的頻率通斷時,将會(huì)産生(shēng)脈沖(chòng)電(diàn)流(liú),電機繞組(zǔ)絕緣(yuán)将反複承(chéng)受峰值很高的(de)脈沖(chòng)電(diàn)流(liú)，如此(cǐ)長期(qī)下去将會加劇絕(jué)緣老化過程。輸出(chū)諧波(bō)對電(diàn)機的影響主要(yào)有(yǒu):引起電(diàn)機附加發熱,導(dǎo)緻電(diàn)機的額外(wài)溫升(shēng)升高,由于(yú)輸出波形(xíng)失真,增加了電(diàn)機的(de)重複(fú)峰值電壓(yā),影(yǐng)響電機(jī)和電(diàn)纜絕(jué)緣(yuán),諧波還(hái)會引起電(diàn)機轉(zhuǎn)矩脈(mò)動,使噪聲增加(jiā)。諧波電流流(liú)過電機定子(zǐ)轉子繞組時(shí)産(chǎn)生的附加(jiā)損耗,該損耗(hào)将(jiāng)導緻電機(jī)溫升增加(jiā)，同時将使(shǐ)得電(diàn)機效(xiào)率(lǜ)下降。爲(wèi)了抑制變(biàn)頻器(qì)輸人、輸(shū)出(chū)側諧(xié)波對(duì)電網和電機的(de)影響(xiǎng)，延長(zhǎng)機組的使(shǐ)用壽命，在變頻器的(de)設計(jì)選型方面(miàn)，設置輸人濾波(bō)器,将變頻器輸(shū)出的(de)pwm(pulsewidthmodulation,脈沖(chòng)寬(kuān)度(dù)調制)波形(xíng)轉變(biàn)成驅(qū)動電動機(jī)的理想波形一(yī)正弦波。這樣電(diàn)纜上傳輸的是(shì)正弦波,與(yǔ)傳統(tǒng)的電動機工作方式(shì)一樣(yàng),無論(lùn)電纜多長(zhǎng)都不(bú)會産(chǎn)生過沖(chòng)電(diàn)壓。
(3)寬頻變(biàn)壓器。變壓(yā)器(qì)位于變(biàn)頻器(qì)輸(shū)出端,用(yòng)于提升電(diàn)壓給(gěi)井下電泵供電(diàn),需要配套寬頻(pín)變壓器。如果配套普通的電力變壓(yā)器,其頻率(lǜ)變化範(fàn)圍爲(wèi)50hz±10%，超出頻(pín)率運行的情況下會出現(xiàn)磁飽和，導緻變(biàn)壓器(qì)出現過熱(rè)、提前(qián)老化。寬頻變壓器設計的(de)磁密度小(xiǎo),頻率(lǜ)适應(yīng)範圍爲30~70hz,與潛油電泵生産(chǎn)運行的頻率範(fàn)圍(30~60hz)一(yī)緻,更(gèng)貼合(hé)變頻情(qíng)況(kuàng)下的(de)生産需要(yào)。
(4)控制(zhì)系統(tǒng)。數據(jù)的采(cǎi)集通過井下傳感器将井下數(shù)據,如泵(bèng)人口壓力、出(chū)口壓力、電(diàn)機(jī)溫(wēn)度、x方向振動、z方向振動、洩(xiè)漏電流等,通過(guò)地面(miàn)調制解調(diào)裝置剝(bāo)離(lí)出來(lái),與地(dì)面(miàn)傳感器(qì)将采集到(dào)的油(yóu)壓、套壓、井口溫(wēn)度、流量等數據(jù)一起(qǐ)以信息幀(zhēn)格(gé)式發送(sòng)給上(shàng)位機(jī)。同理,進(jìn)線(xiàn)出線電力(lì)表與(yǔ)地面流(liú)量計及閥廣(guǎng)]的數(shù)據發(fā)送給(gěi)上位機，上(shàng)位機通(tōng)過(guò)對(duì)寄(jì)存器的讀(dú)取與(yǔ)修改實(shí)現(xiàn)對氣體流量液體流(liú)量(liàng)、閥門溫度、閥(fá)門開(kāi)度等參數的顯示與控制(zhì)。上位機作爲控(kòng)制系統的核心，以modbus--rtu通(tōng)信協議與(yǔ)井下傳感(gǎn)器控制器、進線(xiàn)與出(chū)線電力儀表、地(dì)面流(liú)量計與閥(fá)廣]進行數據交換,以(yǐ)profinet通信(xìn)協議(yì)與1200cpu進(jìn)行數(shù)據交(jiāo)換。1200cpu通過modbus--rtu通(tōng)信與(yǔ)變頻器進(jìn)行數(shù)據交換(huàn)，通過變(biàn)頻器的狀态字獲取當前電機(jī)的運行(háng)頻率、出(chū)線電流(liú)電壓等(děng),通過更改控制(zhì)字實現電機頻(pín)率的給定,控制電機(jī)正反轉,激(jī)活擺頻(pín)功能等。
(5)智能調參。以采(cǎi)集的(de)數據作爲調參(cān)依(yī)據(jù),實現(xiàn)智能(néng)自(zì)動(dòng)化調參。不同的油井(jǐng)生産(chǎn)使用不同(tóng)的控制(zhì)方式。例(lì)如采用泵(bèng)出口流量作(zuò)爲依據(jù),流量(liàng)低于(yú)設定(dìng)限值，自動(dòng)降低(dī)頻率以恢(huī)複液(yè)量;流(liú)量(liàng)超過限(xiàn)值，自動(dòng)提(tí)頻增(zēng)加液量。也可采(cǎi)用泵人口壓力(lì)設置(zhì)限值(zhí),人口壓力低于限值時自(zì)動(dòng)降頻,壓(yā)力恢(huī)複自動升(shēng)頻,來尋(xún)求更合(hé)适的生(shēng)産頻(pín)率(lǜ)。
2.4實際(jì)案列(liè)
　　在某(mǒu)氣田采用此種(zhǒng)方式(shì)計(jì)量泵的(de)出口(kǒu)流量,通過數據(jù)測(cè)算泵出(chū)口瞬時(shí)流量116m3/d。該(gāi)井爲(wèi)同井采注(zhù)氣井(jǐng),也就是液(yè)體不出(chū)井口，直(zhí)接進行(háng)回(huí)注,地面無法進行計(jì)量。但是在(zài)生産初期(qī),需要排放(fàng)一段時間(jiān)井内(nèi)的雜質,然後才(cái)開始回注(zhù),地面(miàn)配有标準流量計(此時計量111m3/d)。考(kǎo)慮到地(dì)層的吸(xī)收因(yīn)素,精度(dù)<4.5%,滿足現(xiàn)場使用需(xū)求。
 
3結(jié)論(lùn)
(1)在(zài)使用(yòng)數據拟合時，可在多(duō)測數(shù)據點，以提高數據拟(nǐ)合精(jīng)度(dù)。
(2)在使用(yòng)變頻(pín)時,可考慮(lǜ)出廠進行(háng)變頻(pín)試驗,在每個頻(pín)率點(diǎn)下進行(háng)數(shù)據采集,數(shù)據拟(nǐ)合成多條變頻(pín)曲線,在設(shè)計算(suàn)法時直接引用(yòng)曲線數據(jù),數據(jù)精度(dù)會大幅提高。
(3)如果(guǒ)有遠程傳輸(shū)的需(xū)求,可(kě)在控制櫃(guì)上增(zēng)加rtu(re-moteterminalunit)通信模塊,實(shí)現數(shù)據的遠程監控,爲自(zì)動化(huà)控制(zhì)提供數據(jù)支撐(chēng)。

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