張 穎，張 藝，陳 迪，何驍勇，劉 東

（1.中海油研究總院，北京100028；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

蒸汽吞吐方法是目前稠油開(kāi)采中最常用的方法之一。隨著稠油井中高壓干汽的注入，套管、水泥管及稠油地層全部被加熱，使得套管及地層溫度升高而發(fā)生熱膨脹，產(chǎn)生了熱應(yīng)力，形成套管軸向伸長(zhǎng)和徑向形變，套管端部產(chǎn)生軸向位移，出現(xiàn)采油樹(shù)抬升現(xiàn)象[1]。旅大5-2北、南堡等油田在熱采注熱期間，隨著井內(nèi)溫度和壓力的升高，均出現(xiàn)了采油樹(shù)抬升的安全隱患[2]。

采油樹(shù)抬升會(huì)影響油井正常生產(chǎn)壽命和產(chǎn)量，并導(dǎo)致生產(chǎn)管線(xiàn)、彎頭出現(xiàn)形變，引起安全隱患，給井口操作及施工帶來(lái)困難。嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)管線(xiàn)斷裂，引發(fā)安全事故[3]。因此，注汽采油樹(shù)的抬升應(yīng)限定在一定范圍內(nèi)，避免抬升過(guò)高。

目前采油樹(shù)抬升位移測(cè)量主要采用定期巡檢，人工測(cè)量的方法。該方法測(cè)量精度較低，且不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)法及時(shí)處理安全隱患。為了保證采油樹(shù)抬升位移測(cè)量的實(shí)時(shí)性，擬采用1套采油樹(shù)抬升位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)注汽采油樹(shù)抬升位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控，并將位移信號(hào)傳入中控系統(tǒng)，在超出抬升范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警，及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免安全事故的發(fā)生。該系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)即為位移測(cè)量，其準(zhǔn)確度關(guān)系到整套系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。本文研究了目前較精準(zhǔn)的位移測(cè)量方法，并進(jìn)行了適用性分析，主要有電子式測(cè)位移法、磁致伸縮法、激光法、拉繩法和電渦流測(cè)位移法。

圖1 采油樹(shù)抬升位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1 位移測(cè)量方法介紹

1.1 電子式測(cè)位移法

電子式測(cè)位移法主要有電阻式、電容式、電感式等。以電阻式為例，通過(guò)目標(biāo)物帶動(dòng)滑片在可變電阻上移動(dòng)來(lái)改變電阻大小，將直線(xiàn)機(jī)械位移量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。電阻式測(cè)位移法原理如圖2所示，傳感器（可變電阻）滑軌連接直流電源U，滑片到固定端的電壓Ui與滑片的位移Li成正比，如式（1）所示，因而可將位移的測(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓的測(cè)量。電子式測(cè)位移法裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，適用于幾毫米到幾百毫米的位移測(cè)量。目前采用線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器的位移傳感器精度較高，一般可達(dá)到0.05%～0.02%[4]。缺點(diǎn)是大多數(shù)產(chǎn)品無(wú)防爆認(rèn)證，且使用電阻式測(cè)位移法要注意防止靜電干擾和調(diào)頻干擾。

式中：L——磁鐵的位置。

圖2 電阻式測(cè)位移法原理示意

1.2 磁致伸縮測(cè)位移法

磁致伸縮測(cè)位移法利用兩個(gè)不同的磁場(chǎng)相交時(shí)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)算該信號(hào)被探測(cè)的時(shí)間周期，換算出活動(dòng)磁鐵的準(zhǔn)確位置[5]。磁致伸縮測(cè)位移法原理如圖3所示，這2個(gè)磁場(chǎng)一個(gè)來(lái)自激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生激勵(lì)脈沖，經(jīng)放大電路后施加給導(dǎo)波絲而產(chǎn)生的一個(gè)圍繞導(dǎo)波絲的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，另一個(gè)來(lái)自活動(dòng)磁鐵產(chǎn)生的固定磁場(chǎng)。當(dāng)2個(gè)磁場(chǎng)相交時(shí)，波導(dǎo)絲產(chǎn)生磁致伸縮現(xiàn)象，產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖。應(yīng)變脈沖沿導(dǎo)波絲向兩邊傳播，當(dāng)傳到一端的阻尼器時(shí)，該脈沖信號(hào)被減弱吸收；當(dāng)該脈沖傳到導(dǎo)波絲另一端時(shí)，被感測(cè)電路探測(cè)到。通過(guò)時(shí)間測(cè)量電路測(cè)得激勵(lì)脈沖和接受感應(yīng)脈沖的時(shí)間間隔，乘以應(yīng)變脈沖傳播的速度，便能準(zhǔn)確地計(jì)算出磁鐵的位置L。由于該過(guò)程是連續(xù)不斷的，每當(dāng)活動(dòng)磁鐵被帶動(dòng)時(shí)，新的位置就會(huì)被很快地探測(cè)出來(lái)?；顒?dòng)磁鐵可與導(dǎo)波絲有一定距離間隔，最長(zhǎng)不超過(guò)20 c m。

在測(cè)量采油樹(shù)抬升位移時(shí)，將活動(dòng)磁鐵固定在采油樹(shù)上，采油樹(shù)抬升帶動(dòng)活動(dòng)磁鐵上下移動(dòng)，從而測(cè)量出采油樹(shù)位移。由于海上平臺(tái)濕氣較大，且渤海海域冬季溫度較低，為防止活動(dòng)磁鐵與導(dǎo)波桿結(jié)露導(dǎo)致活動(dòng)磁鐵移動(dòng)受阻，可將活動(dòng)磁鐵與導(dǎo)波桿分開(kāi)一定間隔測(cè)量。

圖3 磁致伸縮測(cè)位移法原理示意

磁致伸縮測(cè)位移法環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，具有高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性和高重復(fù)性等特點(diǎn)。

1.3 激光測(cè)位移法

激光測(cè)位移法利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，是一種新型的測(cè)量方式，能夠精確、非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置及位移變化。最常用的激光檢測(cè)法為三角測(cè)量法[6]，它由激光發(fā)射器、激光接收檢測(cè)器和處理器組成[7]，激光測(cè)位移法原理如圖4所示。

激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將激光光束射向被測(cè)物體表面，激光經(jīng)物體表面反射后，通過(guò)接收器鏡頭，被內(nèi)部的激光接收器接收。被測(cè)物體位置不同，則接收器接收反射激光角度不同。數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)接收角度計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。

圖4 激光測(cè)位移法原理示意

采取三角測(cè)量法的激光位移傳感器復(fù)現(xiàn)性好，精度可達(dá)到±0.02%。分辨率高，線(xiàn)性度高，響應(yīng)速度快，并且可適應(yīng)惡劣環(huán)境。

1.4 拉繩式測(cè)位移法

拉繩式測(cè)位移法可以把拉繩的移動(dòng)距離轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。拉繩式測(cè)位移法原理如圖5所示，拉繩式位移傳感器由可以拉伸的鋼絲繩均勻纏繞在滾輪上，滾輪與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器連接在一起。滾輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，輸出與拉繩移動(dòng)距離成比例的電信號(hào)。測(cè)量時(shí)拉繩式傳感器繩索一端固定在采油樹(shù)的測(cè)量標(biāo)塊上，當(dāng)采油樹(shù)抬升時(shí)，繩索長(zhǎng)度逐漸拉長(zhǎng)，滾輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)感應(yīng)器輸出成比例的電信號(hào)，得出采油樹(shù)抬升位移量[8]。

拉繩式位移傳感器測(cè)量范圍可達(dá)到50～10 000 mm，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)量精度高，并且價(jià)格便宜。

圖5 拉繩測(cè)位移法原理示意

1.5 電渦流測(cè)位移法

電渦流測(cè)位移法能非接觸測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體距探頭表面的距離和相對(duì)位移變化。測(cè)量主要依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，如圖6所示。電渦流位移傳感器探頭線(xiàn)圈中通入高頻振蕩電流時(shí)，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)金屬導(dǎo)體靠近該磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。該感應(yīng)電流同時(shí)會(huì)產(chǎn)生與探頭線(xiàn)圈方向相反的交變磁場(chǎng)，反作用于探頭線(xiàn)圈，使線(xiàn)圈電流的相位與幅度發(fā)生改變。當(dāng)其他參數(shù)確定時(shí)，金屬導(dǎo)體距探頭距離的變化與線(xiàn)圈電流變化有對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，通過(guò)測(cè)量探頭線(xiàn)圈電流變化即可得出金屬導(dǎo)體位移參數(shù)x[9]。

電渦流測(cè)位移法的可靠性、靈敏度、線(xiàn)性度、分辨率均較高，廣泛用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)。但由于受到測(cè)量原理限制，量程一般較小，通常為幾毫米到幾十毫米。

圖6 電渦流測(cè)位移法原理

2 測(cè)量方案比較

通常情況下，采油樹(shù)隨著溫度抬升，位移在幾毫米到幾十厘米之間。位移過(guò)大，則會(huì)影響油井正常生產(chǎn)壽命和產(chǎn)量，并引起安全隱患。因此，采用的位移傳感器要求測(cè)量范圍能覆蓋0～700 mm。由于位移測(cè)量位于井口區(qū)，屬于1區(qū)危險(xiǎn)區(qū)[10]，需滿(mǎn)足相應(yīng)的防爆及防護(hù)要求[11]。以上幾種位移測(cè)量方法的比較見(jiàn)表1所列。

電渦流法測(cè)量精度高，但量程小，適合小量程精密測(cè)量，不滿(mǎn)足采油樹(shù)抬升位移測(cè)量范圍要求。電阻法測(cè)量位移價(jià)格便宜，精度滿(mǎn)足要求，但多數(shù)產(chǎn)品不滿(mǎn)足防爆要求，而滿(mǎn)足防爆要求的產(chǎn)品量程較小，一般不超過(guò)300 mm，且該方法測(cè)量過(guò)程存在摩擦，鹽霧環(huán)境對(duì)產(chǎn)品絕緣和壽命會(huì)有一定影響，因而不推薦選用。磁致伸縮、激光和拉繩法量程、精度和防爆基本都滿(mǎn)足要求，但激光法價(jià)格較高，因而推薦選用磁致伸縮法和拉繩法，激光法備選。

3 結(jié) 論

采油樹(shù)位移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注汽采油樹(shù)抬升位移，超出安全范圍后可及時(shí)報(bào)警并采取措施，避免了安全事故的發(fā)生。根據(jù)目前對(duì)位移測(cè)量方法的研究，考慮量程、精度、防爆、防護(hù)等各方面要求，推薦選用磁致伸縮和拉繩法測(cè)量采油樹(shù)抬升位移，激光測(cè)位移法備選。

表1 位移測(cè)量方法比較