摘要:潛(qian)油電泵井(jing)下流量計(ji) 量對于電(dian)泵系統的(de)運行重要(yao),可以清楚(chu)地反映電(dian)泵的運行(hang)狀👌态和油(you)藏狀态,但(dan)目前尚無(wu)計量潛油(you)電泵井下(xia)👄流量的裝(zhuang)置。通過采(cai)集相關數(shu)據,結合泵(beng)的性能曲(qu)線,拟✍️合出(chu)泵的揚程(cheng)排量曲線(xian),進而通過(guo)壓力就可(ke)得出瞬時(shi)排量,再通(tong)過積分的(de)方式實現(xian)瞬時流量(liang)的計量。
0引(yin)言
　　井下流(liu)量的計量(liang)是電泵一(yi)項工作，目(mu)前基本上(shang)是通過對(dui)油管排出(chu)液進行計(ji)量,進而得(de)到電泵的(de)排👌量。如果(guo)出液不正(zheng)常,就隻能(neng)通過經驗(yan)來判斷,可(ke)能存在不(bu)确定性。如(ru)果井内的(de)液☁️體回注(zhu)到套管而(er)未回到地(di)面,就不知(zhi)道電泵的(de)具體出液(ye)量,那麽就(jiu)無法知道(dao)電泵的運(yun)行狀态。出(chu)液量的計(ji)量有利于(yu)分♻️析電泵(beng)的運行狀(zhuang)态,可根據(ju)出液量進(jin)行調節🙇🏻生(sheng)産制度,保(bao)障電泵的(de)長期運㊙️行(hang)，延長檢泵(beng)周期,在異(yi)常狀态下(xia)容易明确(que)是🏃🏻泵的故(gu)障還是其(qi)他故障(如(ru)油管漏失(shi)管線堵塞(sai)等)。爲此,根(gen)據泵的性(xing)能曲線及(ji)現有的技(ji)術手段,拟(ni)合排量♊壓(ya)力曲線、給(gei)出🌂拟合方(fang)程☀️,可以根(gen)據方❄️程求(qiu)解泵的🧡瞬(shun)時排量、計(ji)量泵的井(jing)下💰流量。
1電(dian)泵模型
　　正(zheng)常電泵管(guan)柱上，在潛(qian)油電機的(de)尾部加裝(zhuang)一台井下(xia)傳感器,傳(chuan)感器尾部(bu)加裝扶正(zheng)器,從傳感(gan)器頭部引(yin)出💋一根🏃‍♀️1/4"不(bu)鏽鋼管(圖(tu)1)。在🔴離心泵(beng)出口上安(an)裝引壓接(jie)頭,接頭上(shang)方連接油(you)管至井口(kou)。1/4"不鏽鋼管(guan)與引壓接(jie)頭相連,将(jiang)泵出口的(de)壓力傳到(dao)井下傳感(gan)器。鋼管上(shang)、下均要做(zuo)好密封,密(mi)封壓力大(da)于40MPa。通🤩過井(jing)下通信模(mo)塊,将傳感(gan)器采集的(de)壓力、溫度(du)、振動、流量(liang)等參數信(xin)号通過電(dian)機尾部星(xing)點,電磁線(xian)、動力電纜(lan)傳至地面(mian),然後通過(guo)地面解調(diao)模塊讀出(chu)參數數據(ju),進而進行(hang)數據操作(zuo)與分析。
 
2算(suan)例分析
2.1泵(beng)性能曲線(xian)
　　潛油電泵(beng)機組都遵(zun)循GB/T16750--2015《潛油電(dian)泵機組》,出(chu)庫的時候(hou)都會進‼️行(hang)泵性能測(ce)試，繪制泵(beng)性能曲線(xian),也就是泵(beng)揚程、排量(liang)👣、泵效💁、軸功(gong)率曲線”。要(yao)求至少采(cai)集13個點,即(ji)在不同排(pai)量下的壓(ya)力、泵效、功(gong)率數據,來(lai)給定泵的(de)有效高效(xiao)區間,用以(yi)指導.用戶(hu)生産。圖2爲(wei)🐉50Hz工頻運行(hang)🔴的數據曲(qu)線,給定的(de)高效📧區爲(wei)40~150m3/d。
 
　　根據采液(ye)要求，目前(qian)很多油井(jing)采用變頻(pin)的方式控(kong)制地産,因(yin)此對變頻(pin)數據的采(cai)集、提高變(bian)頻數據精(jing)度具有實(shi)際意義。
2.2曲(qu)線的拟合(he)
　　泵性能曲(qu)線，即是測(ce)出不同排(pai)量下的揚(yang)程、電流、軸(zhou)功率等數(shu)❗據,用以判(pan)定電泵是(shi)否符合GB/T16750--2015《潛(qian)油電泵機(ji)⁉️組》的☂️要求(qiu)。由于泵性(xing)能曲線是(shi)在地面完(wan)成的，測出(chu)的試驗🏃‍♀️數(shu)據實✔️際就(jiu)是💜泵出口(kou)在不同排(pai)量下的壓(ya)力數據。如(ru)果在油井(jing)井下端測(ce)出泵出口(kou)壓力、吸人(ren)♉口壓力,就(jiu)可以近似(si)得出在一(yi)定壓力😘下(xia)的排量數(shu)🥰據,實驗井(jing)50Hz工✊頻的排(pai)量壓力曲(qu)線如圖3所(suo)示。
 
2.2.1工頻實(shi)驗數據拟(ni)合
　　用采集(ji)的13點數據(ju),取揚程、排(pai)量數據,根(gen)據其線性(xing)特征,用WPS.ffice或(huo)⛹🏻‍♀️Matlab拟合成一(yi)個二項式(shi),使其更接(jie)近真實的(de)數據。拟合(he)的公式如(ru)下:.
y=8x11-27x5-4x10-7x4+9x10-5-0.0098x2+0.215x+39.504
　　用測得(de)的泵出口(kou)壓力值與(yu)吸人口壓(ya)力的差值(zhi),帶人公式(shi),即可得到(dao)相應的泵(beng)出口排量(liang)值。
2.2.2變頻實(shi)驗數據拟(ni)合
依據變(bian)頻排量公(gong)式p:
y1=(ƒ/50)xy
式中
x一(yi)工頻揚程(cheng),MPa.
X1一變頻揚(yang)程,MPa
ƒ一設定(ding)頻率,Hz
y一工(gong)頻排量,m2/d
Y1一(yi)變頻排量(liang),m2/d
　　在給定ƒ下(xia),測得泵出(chu)口壓力與(yu)吸人口的(de)壓力差值(zhi)🤞x0(此時油✉️管(guan)摩阻忽略(lue)不計)，将x0帶(dai)入，計算得(de)到此時的(de)👅排量🐉值y0(y0可(ke)理解爲工(gong)♉頻下的排(pai)量),再通過(guo)變頻公式(shi)計算得出(chu)此時瞬時(shi)排量Y1.
Y1=(ƒ/750)xy0=(8x11-27x4x10-7x4+9x10-5x3-0.0098x2+0.215x+39.504)x(ƒ/50)。
　　實際(ji)上,采油廠(chang)更關心的(de)是一天的(de)産量,瞬時(shi)産量隻🛀是(shi)作爲一個(ge)參考。如果(guo)要計算累(lei)計流量,直(zhi)接對變頻(pin)公式進行(hang)積分即可(ke):
 
其中a、b爲時(shi)間段,可結(jie)合采油廠(chang)設置時間(jian)段設置起(qi)始點。
2.3控制(zhi)系統
(1)主線(xian)路由斷路(lu)器、快熔、電(dian)抗器等組(zu)成，經由變(bian)頻器、正弦(xian)👣濾波器、升(sheng)壓變壓器(qi)作用于井(jing)下電機。輔(fu)助回☁️路包(bao)括加熱器(qi)與櫃風機(ji)控制,工控(kong)機的供電(dian)及照💛明燈(deng)的開啓。
(2)諧(xie)波控制。功(gong)率開關器(qi)件的導通(tong)瞬間會産(chan)生諧波電(dian)流。當開關(guan)器件以很(hen)高的頻率(lü)通斷時,将(jiang)會産生脈(mo)沖電流,電(dian)機繞組絕(jue)緣将反複(fu)承受峰值(zhi)很高的脈(mo)沖電流，如(ru)此長期下(xia)去将會加(jia)劇絕⭐緣老(lao)化過程。輸(shu)出諧波對(dui)電機的影(ying)響主要有(you):引起電機(ji)附加發🈲熱(re),導緻電機(ji)的額外溫(wen)升升高,由(you)于輸👄出波(bo)形失真⛹🏻‍♀️,增(zeng)加了電機(ji)的重複峰(feng)值電壓,影(ying)響電機和(he)電纜絕緣(yuan),諧波還會(hui)引起電機(ji)轉矩脈動(dong),使💰噪聲增(zeng)加。諧波🔞電(dian)流流過電(dian)機定子❌轉(zhuan)子繞組時(shi)産生的附(fu)加損耗,該(gai)損耗将導(dao)緻電機溫(wen)升增加，同(tong)時将使得(de)電✊機效✌️率(lü)下降。爲了(le)抑制變頻(pin)器輸人、輸(shu)出側諧波(bo)對電網⛱️和(he)電機的影(ying)響，延長機(ji)組的💃使用(yong)壽命，在變(bian)頻器的設(she)計選型方(fang)面，設置輸(shu)人濾波器(qi),将變頻器(qi)輸出的⛱️PWM(PulseWidthModulation,脈(mo)沖寬度調(diao)制)波形轉(zhuan)變成驅動(dong)電動機的(de)理想波形(xing)一正弦波(bo)。這樣電纜(lan)上傳輸的(de)是✌️正弦波(bo),與傳統☎️的(de)電動機工(gong)作方式一(yi)樣,無論電(dian)纜多長都(dou)不會産生(sheng)過🌈沖電壓(ya)。
(3)寬頻變壓(ya)器。變壓器(qi)位于變頻(pin)器輸出端(duan),用于提升(sheng)電❓壓給井(jing)下電泵供(gong)電,需要配(pei)套寬頻變(bian)壓器。如果(guo)配套普通(tong)的電💋力變(bian)壓器,其頻(pin)率變化範(fan)圍爲50Hz±10%，超出(chu)頻率運行(hang)的情況下(xia)會出現磁(ci)飽和，導緻(zhi)變壓器出(chu)現過熱、提(ti)前老化。寬(kuan)頻變壓器(qi)設計的磁(ci)密度小,頻(pin)率适應範(fan)圍爲30~70Hz,與潛(qian)油電泵生(sheng)産運行的(de)頻率範圍(wei)(30~60Hz)一緻,更貼(tie)合變頻情(qing)況下的生(sheng)産需要。
(4)控(kong)制系統。數(shu)據的采集(ji)通過井下(xia)傳感器将(jiang)井下數據(ju),如泵人口(kou)壓力、出口(kou)壓力、電機(ji)溫度、X方向(xiang)振動、Z方向(xiang)振動、洩漏(lou)電流等,通(tong)過地面調(diao)制解調裝(zhuang)置剝離出(chu)來,與地面(mian)傳感器将(jiang)采集到的(de)油壓、套壓(ya)、井口溫度(du)、流量等數(shu)據一起以(yi)信息幀格(ge)式發送✂️給(gei)上位機。同(tong)理,進線出(chu)❄️線電力表(biao)與地面流(liu)量計🐪及閥(fa)廣]的數💰據(ju)發送給上(shang)位🐇機，上位(wei)機通過對(dui)寄存器的(de)讀取與🧑🏽‍🤝‍🧑🏻修(xiu)改實現🚶‍♀️對(dui)氣體流量(liang)液體流量(liang)、閥門溫度(du)、閥門開度(du)等參數的(de)顯示與控(kong)制。上位機(ji)作爲👅控制(zhi)系統的核(he)心，以Modbus--RTU通信(xin)協議與井(jing)♍下傳感器(qi)控制器、進(jin)線與出🈲線(xian)電力儀表(biao)、地面流量(liang)計🌏與閥廣(guang)]進行數🈲據(ju)交換,以⛱️Profinet通(tong)信協議與(yu)1200CPU進行數據(ju)交換👅。1200CPU通過(guo)Modbus--RTU通信與變(bian)頻器進🔴行(hang)數據交換(huan)，通過變頻(pin)器的狀态(tai)💔字獲取當(dang)前電機的(de)運行頻🧡率(lü)、出線電流(liu)電壓等,通(tong)過更改控(kong)制字實現(xian)電機頻率(lü)的給定,控(kong)制電機正(zheng)反轉,激活(huo)擺頻功能(neng)等。
(5)智能調(diao)參。以采集(ji)的數據作(zuo)爲調參依(yi)據,實現智(zhi)能自動化(hua)調參。不同(tong)的油井生(sheng)産使用不(bu)同的控制(zhi)方♊式。例如(ru)采☔用泵出(chu)口流量作(zuo)爲依據,流(liu)量低于設(she)定限值，自(zi)動降低頻(pin)率以恢複(fu)液量;流量(liang)超過限值(zhi)，自👈動提頻(pin)增加液量(liang)。也可采用(yong)泵人口壓(ya)力設置限(xian)值,人口壓(ya)力低💰于限(xian)值時自動(dong)降頻,壓力(li)恢複自動(dong)升頻,來尋(xun)求更合适(shi)的生産頻(pin)率。
2.4實際案(an)列
　　在某氣(qi)田采用此(ci)種方式計(ji)量泵的出(chu)口流量,通(tong)過🈲數據🧡測(ce)算泵出口(kou)瞬時流量(liang)116m3/d。該井爲同(tong)井采注氣(qi)井,也就是(shi)液😍體不出(chu)井口，直接(jie)進行回注(zhu),地面無法(fa)進行計量(liang)。但是在生(sheng)産初期,需(xu)要排放一(yi)段時間井(jing)内的雜質(zhi),然後才開(kai)始回注,地(di)面配有标(biao)準流量計(ji)(此時計量(liang)111m3/d)。考慮到地(di)層的吸收(shou)因素,精度(du)<4.5%,滿足現場(chang)使用需求(qiu)。
 
3結論
(1)在使(shi)用數據拟(ni)合時，可在(zai)多測數據(ju)點，以提高(gao)數據拟合(he)🔴精度。
(2)在使(shi)用變頻時(shi),可考慮出(chu)廠進行變(bian)頻試驗,在(zai)每個🧡頻率(lü)點下進行(hang)數據采集(ji),數據拟合(he)成多條變(bian)頻曲線,在(zai)設計算法(fa)時直接引(yin)用曲線數(shu)據,數據精(jing)度會大幅(fu)提高。
(3)如果(guo)有遠程傳(chuan)輸的需求(qiu),可在控制(zhi)櫃上增加(jia)RTU(Re-moteTerminalUnit)通信🚶‍♀️模㊙️塊(kuai),實現數據(ju)的遠程監(jian)控,爲自動(dong)化控制提(ti)供數據支(zhi)撐。

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