摘要:潛油電泵井下流量計(jì)量對(duì)于電泵系統(tǒng)的運(yùn)行重要,可以清楚地反映電泵的運(yùn)行狀態(tài)和油藏狀態(tài),但目前尚無(wú)計(jì)量潛油電泵井下流量的裝置。通過(guò)采集相關(guān)數(shù)據(jù),結(jié)合泵的性能曲線(xiàn),擬合出泵的揚(yáng)程排量曲線(xiàn),進(jìn)而通過(guò)壓力就可得出瞬時(shí)排量,再通過(guò)積分的方式實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量的計(jì)量。
0引言
井下流量的計(jì)量是電泵一項(xiàng)工作，目前基本上是通過(guò)對(duì)油管排出液進(jìn)行計(jì)量,進(jìn)而得到電泵的排量。如果出液不正常,就只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷,可能存在不確定性。如果井內(nèi)的液體回注到套管而未回到地面,就不知道電泵的具體出液量,那么就無(wú)法知道電泵的運(yùn)行狀態(tài)。出液量的計(jì)量有利于分析電泵的運(yùn)行狀態(tài),可根據(jù)出液量進(jìn)行調(diào)節(jié)生產(chǎn)制度,保障電泵的長(zhǎng)期運(yùn)行，延長(zhǎng)檢泵周期,在異常狀態(tài)下容易明確是泵的故障還是其他故障(如油管漏失管線(xiàn)堵塞等)。為此,根據(jù)泵的性能曲線(xiàn)及現(xiàn)有的技術(shù)手段,擬合排量壓力曲線(xiàn)、給出擬合方程,可以根據(jù)方程求解泵的瞬時(shí)排量、計(jì)量泵的井下流量。
1電泵模型
正常電泵管柱上，在潛油電機(jī)的尾部加裝一臺(tái)井下傳感器,傳感器尾部加裝扶正器,從傳感器頭部引出一根1/4"不銹鋼管(圖1)。在離心泵出口上安裝引壓接頭,接頭上方連接油管至井口。1/4"不銹鋼管與引壓接頭相連,將泵出口的壓力傳到井下傳感器。鋼管上、下均要做好密封,密封壓力大于40MPa。通過(guò)井下通信模塊,將傳感器采集的壓力、溫度、振動(dòng)、流量等參數(shù)信號(hào)通過(guò)電機(jī)尾部星點(diǎn),電磁線(xiàn)、動(dòng)力電纜傳至地面,然后通過(guò)地面解調(diào)模塊讀出參數(shù)數(shù)據(jù),進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)操作與分析。
2算例分析
2.1泵性能曲線(xiàn)
潛油電泵機(jī)組都遵循GB/T16750--2015《潛油電泵機(jī)組》,出庫(kù)的時(shí)候都會(huì)進(jìn)行泵性能測(cè)試，繪制泵性能曲線(xiàn),也就是泵揚(yáng)程、排量、泵效、軸功率曲線(xiàn)”。要求至少采集13個(gè)點(diǎn),即在不同排量下的壓力、泵效、功率數(shù)據(jù),來(lái)給定泵的有效高效區(qū)間,用以指導(dǎo).用戶(hù)生產(chǎn)。圖2為50Hz工頻運(yùn)行的數(shù)據(jù)曲線(xiàn),給定的高效區(qū)為40~150m3/d。
根據(jù)采液要求，目前很多油井采用變頻的方式控制地產(chǎn),因此對(duì)變頻數(shù)據(jù)的采集、提高變頻數(shù)據(jù)精度具有實(shí)際意義。
2.2曲線(xiàn)的擬合
泵性能曲線(xiàn)，即是測(cè)出不同排量下的揚(yáng)程、電流、軸功率等數(shù)據(jù),用以判定電泵是否符合GB/T16750--2015《潛油電泵機(jī)組》的要求。由于泵性能曲線(xiàn)是在地面完成的，測(cè)出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)際就是泵出口在不同排量下的壓力數(shù)據(jù)。如果在油井井下端測(cè)出泵出口壓力、吸人口壓力,就可以近似得出在一定壓力下的排量數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)井50Hz工頻的排量壓力曲線(xiàn)如圖3所示。
2.2.1工頻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合
用采集的13點(diǎn)數(shù)據(jù),取揚(yáng)程、排量數(shù)據(jù),根據(jù)其線(xiàn)性特征,用WPS.ffice或Matlab擬合成一個(gè)二項(xiàng)式,使其更接近真實(shí)的數(shù)據(jù)。擬合的公式如下:.
y=8x10-10x5-4x10-7x4+9x10-5-0.0098x2+0.215x+39.504
用測(cè)得的泵出口壓力值與吸人口壓力的差值,帶人公式,即可得到相應(yīng)的泵出口排量值。
2.2.2變頻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合
依據(jù)變頻排量公式p:
y1=(ƒ/50)xy
式中
x一工頻揚(yáng)程,MPa.
X1一變頻揚(yáng)程,MPa
ƒ一設(shè)定頻率,Hz
y一工頻排量,m2/d
Y1一變頻排量,m2/d
在給定ƒ下,測(cè)得泵出口壓力與吸人口的壓力差值x0(此時(shí)油管摩阻忽略不計(jì))，將x0帶入，計(jì)算得到此時(shí)的排量值y0(y0可理解為工頻下的排量),再通過(guò)變頻公式計(jì)算得出此時(shí)瞬時(shí)排量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(chǎng)更關(guān)心的是一天的產(chǎn)量,瞬時(shí)產(chǎn)量只是作為一個(gè)參考。如果要計(jì)算累計(jì)流量,直接對(duì)變頻公式進(jìn)行積分即可:
其中a、b為時(shí)間段,可結(jié)合采油廠(chǎng)設(shè)置時(shí)間段設(shè)置起始點(diǎn)。
2.3控制系統(tǒng)
(1)主線(xiàn)路由斷路器、快熔、電抗器等組成，經(jīng)由變頻器、正弦濾波器、升壓變壓器作用于井下電機(jī)。輔助回路包括加熱器與柜風(fēng)機(jī)控制,工控機(jī)的供電及照明燈的開(kāi)啟。
(2)諧波控制。功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通瞬間會(huì)產(chǎn)生諧波電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)器件以很高的頻率通斷時(shí),將會(huì)產(chǎn)生脈沖電流,電機(jī)繞組絕緣將反復(fù)承受峰值很高的脈沖電流，如此長(zhǎng)期下去將會(huì)加劇絕緣老化過(guò)程。輸出諧波對(duì)電機(jī)的影響主要有:引起電機(jī)附加發(fā)熱,導(dǎo)致電機(jī)的額外溫升升高,由于輸出波形失真,增加了電機(jī)的重復(fù)峰值電壓,影響電機(jī)和電纜絕緣,諧波還會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),使噪聲增加。諧波電流流過(guò)電機(jī)定子轉(zhuǎn)子繞組時(shí)產(chǎn)生的附加損耗,該損耗將導(dǎo)致電機(jī)溫升增加，同時(shí)將使得電機(jī)效率下降。為了抑制變頻器輸人、輸出側(cè)諧波對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)的影響，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命，在變頻器的設(shè)計(jì)選型方面，設(shè)置輸人濾波器,將變頻器輸出的PWM(PulseWidthModulation,脈沖寬度調(diào)制)波形轉(zhuǎn)變成驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的理想波形一正弦波。這樣電纜上傳輸?shù)氖钦也?與傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)工作方式一樣,無(wú)論電纜多長(zhǎng)都不會(huì)產(chǎn)生過(guò)沖電壓。
(3)寬頻變壓器。變壓器位于變頻器輸出端,用于提升電壓給井下電泵供電,需要配套寬頻變壓器。如果配套普通的電力變壓器,其頻率變化范圍為50Hz±10%，超出頻率運(yùn)行的情況下會(huì)出現(xiàn)磁飽和，導(dǎo)致變壓器出現(xiàn)過(guò)熱、提前老化。寬頻變壓器設(shè)計(jì)的磁密度小,頻率適應(yīng)范圍為30~70Hz,與潛油電泵生產(chǎn)運(yùn)行的頻率范圍(30~60Hz)一致,更貼合變頻情況下的生產(chǎn)需要。
(4)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的采集通過(guò)井下傳感器將井下數(shù)據(jù),如泵人口壓力、出口壓力、電機(jī)溫度、X方向振動(dòng)、Z方向振動(dòng)、泄漏電流等,通過(guò)地面調(diào)制解調(diào)裝置剝離出來(lái),與地面?zhèn)鞲衅鲗⒉杉降挠蛪骸⑻讐�、井口溫度、流量等�?shù)據(jù)一起以信息幀格式發(fā)送給上位機(jī)。同理,進(jìn)線(xiàn)出線(xiàn)電力表與地面流量計(jì)及閥廣]的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)對(duì)寄存器的讀取與修改實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體流量液體流量、閥門(mén)溫度、閥門(mén)開(kāi)度等參數(shù)的顯示與控制。上位機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，以Modbus--RTU通信協(xié)議與井下傳感器控制器、進(jìn)線(xiàn)與出線(xiàn)電力儀表、地面流量計(jì)與閥廣]進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,以Profinet通信協(xié)議與1200CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。1200CPU通過(guò)Modbus--RTU通信與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)變頻器的狀態(tài)字獲取當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行頻率、出線(xiàn)電流電壓等,通過(guò)更改控制字實(shí)現(xiàn)電機(jī)頻率的給定,控制電機(jī)正反轉(zhuǎn),激活擺頻功能等。
(5)智能調(diào)參。以采集的數(shù)據(jù)作為調(diào)參依據(jù),實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化調(diào)參。不同的油井生產(chǎn)使用不同的控制方式。例如采用泵出口流量作為依據(jù),流量低于設(shè)定限值，自動(dòng)降低頻率以恢復(fù)液量;流量超過(guò)限值，自動(dòng)提頻增加液量。也可采用泵人口壓力設(shè)置限值,人口壓力低于限值時(shí)自動(dòng)降頻,壓力恢復(fù)自動(dòng)升頻,來(lái)尋求更合適的生產(chǎn)頻率。
2.4實(shí)際案列
在某氣田采用此種方式計(jì)量泵的出口流量,通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)算泵出口瞬時(shí)流量116m3/d。該井為同井采注氣井,也就是液體不出井口，直接進(jìn)行回注,地面無(wú)法進(jìn)行計(jì)量。但是在生產(chǎn)初期,需要排放一段時(shí)間井內(nèi)的雜質(zhì),然后才開(kāi)始回注,地面配有標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)(此時(shí)計(jì)量111m3/d)。考慮到地層的吸收因素,精度<4.5%,滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。
3結(jié)論
(1)在使用數(shù)據(jù)擬合時(shí)，可在多測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以提高數(shù)據(jù)擬合精度。
(2)在使用變頻時(shí),可考慮出廠(chǎng)進(jìn)行變頻試驗(yàn),在每個(gè)頻率點(diǎn)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)擬合成多條變頻曲線(xiàn),在設(shè)計(jì)算法時(shí)直接引用曲線(xiàn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)精度會(huì)大幅提高。
(3)如果有遠(yuǎn)程傳輸?shù)男枨?可在控制柜上增加RTU(Re-moteTerminalUnit)通信模塊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控,為自動(dòng)化控制提供數(shù)據(jù)支撐。
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