張志堅(jiān)，趙倩倩，顏井波

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠(黑龍江大慶163513)

一種抽油機(jī)井井下功圖測試儀的研制與應(yīng)用

張志堅(jiān)，趙倩倩，顏井波

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠(黑龍江大慶163513)

有桿泵抽油系統(tǒng)是油氣田開發(fā)中占主導(dǎo)地位的采油設(shè)備，而泵功圖的確定對于判斷油井的工作狀態(tài)具有重要意義。針對常規(guī)光桿示功圖受到制造質(zhì)量以及砂、蠟、含水、稠油和油井見聚等因素的影響，不能準(zhǔn)確的反映泵實(shí)際工作狀況問題，提出了對井下泵功圖測試儀的研制思路，并通過載荷、位移傳感器及電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對泵示功圖的采集，試驗(yàn)現(xiàn)場應(yīng)用表明:研制的泵功圖測試儀實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)井下示功圖的采集與解釋，一次下井測功圖150張以上，單張采點(diǎn)數(shù)100點(diǎn)以上。

測試儀;泵功圖;載荷;位移;電路

目前，抽油機(jī)井泵況診斷常用地面診斷方法，即懸點(diǎn)載荷同懸點(diǎn)位移之間的關(guān)系曲線圖，它直接反映的是光桿工作情況，因此又稱為光桿示功圖。抽油井的情況較為復(fù)雜，在生產(chǎn)過程中，深井泵由于受到制造質(zhì)量以及砂、蠟、含水、稠油和油井見聚等因素的影響，和井下抽油泵的實(shí)際工作狀況相比，有很大差別，給泵況診斷帶來很大困難。

某油田開發(fā)進(jìn)入高含水后期，截止到2007年底，抽油機(jī)井共有3 000余口，綜合含水90%以上，隨著含水的升高，桿管摩擦、液柱載荷、震動(dòng)載荷等影響因素逐漸加大，通過幾年來實(shí)測功圖和檢泵結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)，抽油機(jī)井采用常規(guī)方法進(jìn)行診斷，誤差較大，準(zhǔn)確率下降。為了搞清井下抽油泵的實(shí)際工作狀況，提高抽油機(jī)井的診斷符合率，減少井下維護(hù)性工作量，開展了特高含水期抽油機(jī)井井下泵功圖測試儀的研制，研制成功后實(shí)現(xiàn)了直接測得抽油泵井下實(shí)際工作狀況的目標(biāo)，為深井泵的診斷分析提供了可靠資料。

1 井下泵功圖測試儀結(jié)構(gòu)原理

井下泵功圖測試儀由井下檢測系統(tǒng)(包括載荷傳感器、位移傳感器、存儲(chǔ)器、放大器、信號處理器、大容量鋰電池、電磁互感系統(tǒng)以及各種開關(guān)芯片)、地面回放系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)處理程序、功圖繪制程序、抽油機(jī)井泵功圖仿真軟件)組成。該技術(shù)主要原理是井下泵功圖測試儀內(nèi)安裝載荷傳感器和霍爾元件(位移傳感器)，直接與抽油桿相連［1-3］，與井下泵功圖測試儀對應(yīng)的油管上安裝交互式磁感應(yīng)系統(tǒng)，抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)承受的載荷和產(chǎn)生的位移，分別由載荷、位移傳感器測得，并將測得的數(shù)據(jù)經(jīng)放大器與比較器處理后傳至井下處理器，最終一一對應(yīng)后存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，繪出示功圖并得到井下任意時(shí)刻泵的受力狀況。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 井下泵功圖測試儀設(shè)計(jì)

2.1 載荷傳感器設(shè)計(jì)

載荷傳感器原理圖如圖2所示，在滿足下井尺寸要求的前提下，根據(jù)測量載荷的最大值，選擇適當(dāng)?shù)膹椥泽w材料，在彈性體外表面上以合理方式粘貼應(yīng)變片，構(gòu)成電橋，再將電橋輸出的電壓信號經(jīng)過適當(dāng)處理后接至單片機(jī)［4］，最終達(dá)到對載荷信號記錄的目的。

圖1 井下泵功圖測試儀系統(tǒng)框圖

圖2 井下泵功圖測試儀載荷傳感器

因?yàn)檩d荷最大值為60kN，則選擇彈性范圍為100kN的彈性材料構(gòu)成彈性體，以保證在載荷測量范圍內(nèi)彈性體不發(fā)生塑性應(yīng)變。

2.2 位移傳感器設(shè)計(jì)

2.2.1 霍爾效應(yīng)

將長×寬×厚為l×b×d的導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片置于均勻磁場B中，沿薄片長度方向l通入控制電流I時(shí)，將在寬度方向b上產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度為EH橫向電場，稱作霍爾電場，相應(yīng)的產(chǎn)生的電勢UH為霍爾電勢，這種現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)，其示意圖如圖3所示。產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為:

式中:kH為霍爾常數(shù)，m3/C;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，KGs;I為霍爾元件中通過的電流值，A。

圖3 霍爾效應(yīng)示意圖

當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢UH將隨之發(fā)生變化，霍爾元件不在磁場之中時(shí)，則沒有霍爾電動(dòng)勢產(chǎn)生。

位移傳感器示意圖如圖4所示，其工作原理如下:

當(dāng)鐵磁材料以適當(dāng)?shù)木嚯x放在磁場中，它能夠改變磁場的分布，即鐵磁材料能夠吸引更多的磁力線通過霍爾元件，而非鐵磁材料則不具備這一特性，當(dāng)鐵磁材料和非鐵磁材料按所要求的距離間隔布置時(shí)，霍爾元件檢測鐵磁材料和非鐵磁材料的位置，經(jīng)處理后得到一系列方波脈沖，用計(jì)數(shù)器讀取脈沖的個(gè)數(shù)便能得到霍爾的行程位移，累加可測量抽油桿的行程位移［5］。

圖4 位移傳感器示意圖

2.2.2 處理器控制電路

處理器:MEGA16型單片機(jī)。

存儲(chǔ)器:FLASH存儲(chǔ)器，AT24C1024兩片，共256Byte可以提供足夠的存儲(chǔ)空間，另外接口接線比較簡單，提高了可靠性。

放大器:儀表放大器，INA114，尺寸小、精度高，只需一個(gè)外部電阻即可設(shè)置1至10 000之間的任意增益值。

D觸發(fā)器:MAX9318，美信低能耗D觸發(fā)器，用于判斷抽油桿上下運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)位置。

比較器:MAX9019，美信低能耗比較器，用于脈沖整形。

以及其他用于穩(wěn)定電路的開關(guān)芯片。

2.3 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 電池設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)平均工作時(shí)間180d以上，選用大容量鋰電池并采用多節(jié)電池并聯(lián)以提高電源系統(tǒng)容量。

鋰電池具有以下特點(diǎn):①具有更高的重量能量比、體積能量比;②電壓高，單節(jié)鋰電池電壓為3.7～4.2V，等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓;③自放電小可長時(shí)間存放，這是該電池最突出的優(yōu)越性;④可以隨意并聯(lián)使用。

2.3.2 電路設(shè)計(jì)

為了節(jié)約電能，研制了相關(guān)的電源管理電路，在采集數(shù)據(jù)時(shí)，將載荷和位移傳感器電源打開，其余時(shí)間將電源系統(tǒng)關(guān)閉，以此來延長設(shè)備的使用時(shí)間。

2.4 位移-載荷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理

在自制油管中點(diǎn)處安裝外徑76mm，內(nèi)徑68mm，高度10mm的標(biāo)志環(huán)，且標(biāo)志環(huán)中嵌入6塊尺寸為10mm×5mm×3mm的高溫磁鐵，磁鐵均為N極朝里，S極朝外。

經(jīng)過測量霍爾傳感器經(jīng)過尼龍環(huán)時(shí)的輸出電壓為3.53V，經(jīng)過鋼環(huán)時(shí)輸出電壓為3.64V，二者差距較小，而當(dāng)霍爾傳感器經(jīng)過該標(biāo)志環(huán)時(shí)，輸出電壓急劇下降至2.5V以下，通過檢測霍爾輸出電壓即可判斷是否到達(dá)標(biāo)志環(huán)。

判向算法:霍爾判向示意圖如圖5所示，假設(shè)當(dāng)處理器開始采集數(shù)據(jù)時(shí)抽油桿正向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其第一次經(jīng)過標(biāo)志環(huán)時(shí)(即A點(diǎn)處)，處理器開始記錄經(jīng)過的鋼環(huán)個(gè)數(shù)，并記錄下相應(yīng)的載荷值，如A1、A2、A3……Am-1、Am，第二次經(jīng)過標(biāo)志環(huán)時(shí)，則開始第二組計(jì)數(shù)，如B1、B2、B3……Bm-1、Bm，A、A……Am、……B1、B2、……B為上(或下)沖程，B、B…….An、……A1、A2、……A為下(或上)沖程。

圖5 霍爾判向示意圖

3 井下泵功圖測試儀應(yīng)用

A井上進(jìn)行了井下泵功圖測試儀地面和地下實(shí)驗(yàn)，井下泵功圖測試儀下在距井口10m處，通過測試，地面測試儀測試數(shù)據(jù)為沖程3.63m，沖次5.14次/min，最大最小載荷分別為48.31kN和15.78kN;井下泵功圖測試儀測試數(shù)據(jù)未沖程3.64m，沖次5.13次/min，最大最小載荷分別為48.10kN和16.41kN。

以上結(jié)果表明井下泵功圖和地面功圖測試結(jié)果符合較好，滿足測試精度要求(圖6、圖7)。

圖6 地面測試儀測試結(jié)果

圖7 井下泵功圖測試儀測試結(jié)果

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1)泵功圖測試儀能實(shí)現(xiàn)載荷、位移的監(jiān)測及功圖的繪制，比光桿示功圖測試結(jié)果準(zhǔn)確率高。

2)通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)表明，井下泵功圖測試儀可以實(shí)現(xiàn)井下泵端載荷的直接錄取，可實(shí)現(xiàn)一次下井測功圖150張以上，單張采點(diǎn)數(shù)100點(diǎn)以上。

3)通過地下功圖測試，可以得到不同深度抽油桿的受力狀況，為懸點(diǎn)載荷變化規(guī)律分析和解決桿管偏磨提供依據(jù)。

［1］萬仁溥.采油工程手冊［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2000.

［2］崔振華.有桿抽油泵［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1994.

［3］王天柱，史建山，李丹.利用泵示功圖的井口產(chǎn)液量計(jì)算［J］.中國西部科技，2012，11(5):21-23.

［4］余金澤，彭永剛，關(guān)成堯，等.“功圖量油”技術(shù)的發(fā)展［J］.中國石油和化工，2009(4):51-54.

［5］劉順華，劉軍民，董星龍，等.電磁波屏蔽及吸波材料［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Sucker rod pumping system is a main oil production equipment in oil fields，and its indicator diagram is very important to the judgment of the conditions of oil wells.The indicator diagrams of conventional polish rod pumping systems do not accurately reflect the actual work conditions of oil pumps because they are influenced by the manufacture quality of the polish rods and sand，wax，water and oil well polymer breakthrough.For this reason，a downwell indicator diagram tester is developed，and the accurate indicator diagram can be obtained using it.Field tests show that the downwell indicator diagram tester can gather above 150 diagrams，and the data points of each diagram are above 100.

tester;indicator diagram;load;displacement;circuit

學(xué)敏

2014-07-20

張志堅(jiān)(1983-)，男，主要從事采油管理工作。