周明高

(中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201)

0 引 言

寬頻調(diào)速是地層測(cè)試類(lèi)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)稠油、出砂、低孔滲等復(fù)雜儲(chǔ)層測(cè)壓取樣時(shí)因稠油流度性差、出砂堵塞管道、憋泵等原因需要精準(zhǔn)控制低的泵速；而對(duì)高孔滲、漏失層等儲(chǔ)層，因?yàn)V液滲透較深，附近污染帶補(bǔ)充快，則需要高的泵速，將濾液盡快排出，且往往同一口井作業(yè)同時(shí)面臨這兩種情況[1-3]。國(guó)外服務(wù)公司憑借對(duì)泵抽速度的精確控制及寬廣的調(diào)速能力，主導(dǎo)著復(fù)雜儲(chǔ)層的測(cè)壓取樣市場(chǎng)。斯倫貝謝公司(Schlumberger，簡(jiǎn)稱(chēng)SLB)在低速端研制了蝸牛泵,能在0.07～0.84 mL/s范圍內(nèi)調(diào)速,后經(jīng)改良,調(diào)速范圍調(diào)整至0.2～2.1 mL/s；在高速端研制了高速泵，泵速為3～14 mL/s，每次下井需要下兩套泵抽系統(tǒng)[4]。貝克休斯公司(Baker Hughes，簡(jiǎn)稱(chēng)BHI)研制了調(diào)速液壓動(dòng)力系統(tǒng)，它通過(guò)調(diào)節(jié)低壓直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制泵抽速度，該系統(tǒng)能在0.6～13 mL/s比較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速，但控制精度不高，尤其是在低速端[5]。在國(guó)內(nèi)，具有代表性的是由中海油田服務(wù)股份有限公司研制的鉆井中途油氣層測(cè)試儀(Enhanced Formation Dynamic Tester，簡(jiǎn)稱(chēng)EFDT)，為第三代地層測(cè)試儀，自2010年推出以來(lái)，一直在國(guó)內(nèi)外各個(gè)油田服務(wù)，累計(jì)完成300余口井的作業(yè)任務(wù)，為油氣田勘探開(kāi)發(fā)做出了重要貢獻(xiàn)[6]。但是其在泵速控制能力方面略顯不足，目前的調(diào)速能力是3～12 mL/s，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確控制。

隨著勘探的不斷深入，疑難層測(cè)壓取樣作業(yè)也隨之增多，國(guó)產(chǎn)儀器在泵速控制領(lǐng)域作業(yè)能力欠缺是造成測(cè)壓取樣市場(chǎng)流失，分包給國(guó)外測(cè)井公司的最主要原因。如渤海某區(qū)塊，其出砂生產(chǎn)壓力差大概在100 psi(1 psi=0.006 9 MPa)左右，國(guó)產(chǎn)儀器EFDT因無(wú)法降低泵速,其生產(chǎn)壓差最低在400 psi左右，導(dǎo)致該區(qū)塊的地層測(cè)試作業(yè)分包給SLB和BHI。迫切需要研制一種新的泵抽系統(tǒng)，精確控制泵抽速度，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。本文結(jié)合EFDT的特點(diǎn)，介紹了寬頻調(diào)速系統(tǒng)的原理、關(guān)鍵技術(shù)、室內(nèi)、實(shí)驗(yàn)井及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

1 特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原理

寬頻調(diào)速模塊為EFDT的模塊之一，由平衡體、液壓動(dòng)力及控制電路等三部分組成，具有以下特點(diǎn)：

1)基于EFDT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能與EFDT其它模塊無(wú)縫對(duì)接；

2)采用高壓直流無(wú)刷潛油電動(dòng)機(jī)，兼容現(xiàn)有電路控制；

3)使用PWM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)100～4 000 r/min電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定調(diào)速；

4)采用雙泵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)0.1～15.5 mL/s范圍內(nèi)泵抽速度控制，滿(mǎn)足各種地層需要。

模塊設(shè)計(jì)采用在基體上加工超細(xì)深孔形成內(nèi)部管線的設(shè)計(jì)思路，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，能在177 ℃、140 MPa的惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

EFDT泵抽缸采用的是流體混合柱塞泵[7]。EFDT泵抽缸示意圖如圖1所示。泵抽缸左端2個(gè)缸體為液壓缸，通過(guò)活塞兩端液壓油的壓差帶動(dòng)活塞左右移動(dòng)。右端兩個(gè)缸為流體缸，分別與樣品管線的入口及出口相連，通過(guò)液壓缸帶動(dòng)形成對(duì)樣品的抽吸與排出。通過(guò)液壓控制實(shí)現(xiàn)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 EFDT泵抽缸示意圖

為追求高精度的速度和位置控制，EFDT泵抽模塊采用了先進(jìn)的電液控制技術(shù)，即在流體柱塞泵活塞上安裝線性位移傳感器(LMP)，通過(guò)傳感器檢測(cè)活塞的速度和行程，將此信號(hào)送到電子控制線路短節(jié)，與設(shè)定的位置不斷進(jìn)行比較，將誤差經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理，再輸出控制調(diào)節(jié)信號(hào)，控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，從而控制流量變化，達(dá)到控制活塞運(yùn)行位置從而精確控制抽吸流體體積的目的。

進(jìn)入液壓缸與流體缸流量的關(guān)系式：

(1)

(2)

因兩缸活塞位移量變化相同，則有：

(3)

從式(3)可知，泵抽速度與q1及A1，A2比相關(guān)，A1、A2為定值，因此，q1控制的精準(zhǔn)程度決定了泵抽速度的精度與范圍?；谠撛?，設(shè)計(jì)了寬頻調(diào)速模塊。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 一機(jī)雙泵技術(shù)

EFDT作業(yè)過(guò)程中，一次下井往往面臨不同類(lèi)別的儲(chǔ)層，對(duì)泵速的要求也各不相同，且跨度非常大(0.2～12 mL/s)，單泵無(wú)法滿(mǎn)足需求；在該模塊中采用一臺(tái)電機(jī)帶兩臺(tái)排量不同的泵，分段進(jìn)行控制，既能保證全覆蓋，又能節(jié)省空間，簡(jiǎn)單可靠。

電機(jī)帶雙泵示意圖如圖2所示，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制兩臺(tái)高壓泵的工況，利用液壓集成技術(shù)控制流體的方向，始終保證一臺(tái)高壓泵穩(wěn)定工作。

圖2 電機(jī)帶雙泵示意圖

2.2 高壓電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)

2.2.1 DSP硬件控制電路

本控制系統(tǒng)要求電機(jī)在100～4 000 r/min范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)速要求，并對(duì)電機(jī)工作環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)能夠準(zhǔn)確地接收和上傳電機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度以及運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，所以本控制電路選用數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為主控制芯片進(jìn)行控制。在電路中，通過(guò)上位機(jī)發(fā)送的通訊協(xié)議控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、起停和給定轉(zhuǎn)速以及相應(yīng)數(shù)據(jù)的上傳。另外，增加了DSP的復(fù)位指令，能夠清除某些軟件方面故障，確保程序不會(huì)陷入到死循環(huán)中。為提高系統(tǒng)的可靠性，附加了硬件復(fù)位電路。

電機(jī)方面，采用的位置傳感器為旋轉(zhuǎn)變壓器，它能夠根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的變化，輸出相應(yīng)的正余弦模擬信號(hào)，通過(guò)軸角變換電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行解碼，并通過(guò)SPI(Serial Peripheral Interface 串行通訊接口)串行通訊的方式將數(shù)字信號(hào)輸入到DSP中，之后DSP再對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而輸出六路PWM信號(hào)控制功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷，最終改變電機(jī)的換相順序[8]。

2.2.2 軟件控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

軟件控制系統(tǒng)主要包括以下模塊：主程序DSP初始化模塊和主中斷速度閉環(huán)模塊。主中斷主要負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)工作溫度采樣；處理位置信號(hào)，進(jìn)行速度閉環(huán)控制并輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；通信接收中斷主要完成接收、響應(yīng)上位機(jī)的指令以及根據(jù)指令對(duì)電機(jī)運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的主要原理是將電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速Speed與給定的參考值SpeedRef進(jìn)行比較，將它們的差值經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，最后將計(jì)算的結(jié)果給到DSP中的寄存器EvxRegs.CMPRx中，從而改變輸出PWM信號(hào)的占空比，最終改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,保證電機(jī)在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)的運(yùn)行。

3 室內(nèi)與實(shí)驗(yàn)井測(cè)試

為檢驗(yàn)寬頻調(diào)速模塊的調(diào)速能力，進(jìn)行了室內(nèi)寬頻調(diào)速模塊及泵抽吸速度功能測(cè)試。設(shè)備包括寬頻調(diào)速模塊+EFDT系統(tǒng)(含傳輸模塊、能譜模塊、電源模塊、電子線路模塊、傳感器模塊及常規(guī)泵抽模塊)。測(cè)試分為兩部分，首先測(cè)試了寬頻調(diào)速模塊各項(xiàng)功能，主要是測(cè)試兩組泵的工作狀態(tài)。測(cè)試表明：寬頻調(diào)速模塊各項(xiàng)功能正常。其次測(cè)試了寬頻調(diào)速模塊的調(diào)速能力，因其與泵抽模塊密切相關(guān)，泵抽模塊泵抽體積是確定，主要測(cè)試不同泵，在不同轉(zhuǎn)速條件下泵抽前進(jìn)/后退所花費(fèi)的時(shí)間，以此確定該轉(zhuǎn)速條件下的泵抽速度。大泵工作，小泵停止工作，泵抽速度測(cè)試值見(jiàn)表1；小泵工作，大泵停止工作，泵抽速度測(cè)試值見(jiàn)表2。測(cè)試表明，寬頻調(diào)速系統(tǒng)能在0.075～15.5 mL/s范圍內(nèi)精確調(diào)速。

為檢驗(yàn)寬頻調(diào)速模塊現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)能力，新研制的2支寬頻調(diào)速模塊掛接在EFDT系統(tǒng)上，在中海油服實(shí)驗(yàn)井進(jìn)行了作業(yè)模擬測(cè)試。主要測(cè)試與EFDT其它模塊掛接，寬頻調(diào)速模塊調(diào)速能力，軟件掛接及數(shù)據(jù)處理等。24 h連續(xù)測(cè)試表明：模塊與EFDT儀器無(wú)縫對(duì)接，調(diào)速能力為0.1～15.5 mL/s，精確可調(diào)，達(dá)到了海上試作業(yè)條件。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

寬頻調(diào)速模塊至目前為止，已完成7口井作業(yè)，在稠油出砂、低孔滲、漏失層等復(fù)雜儲(chǔ)層中獲取13個(gè)原狀地層流體，效果得到了高度認(rèn)可。為說(shuō)明應(yīng)用效果,從中挑選了了兩口具有代表性的井,其中在渤海某井應(yīng)用寬頻調(diào)速模塊低速端,在南海東部某井應(yīng)用高速端。

表1 大泵工作，泵抽速度測(cè)試值

表2 小泵工作，泵抽速度測(cè)試值

4.1 渤海某井

2018年6月,寬頻調(diào)速模塊首次在渤海某井作業(yè),該井深1 850 m，井溫76.5 ℃，井徑9.5 in(1 in=25.4 mm)。鄰井資料顯示：目標(biāo)層位為稠油，且易出砂。設(shè)計(jì)了3個(gè)層位取樣，分別在1 451、1 473.5、1 707.5 m 3個(gè)深度進(jìn)行作業(yè)。根據(jù)常規(guī)測(cè)井資料，獲得3個(gè)層位的出砂生產(chǎn)壓差分別為553.9、267.9及933.8 psi。從鄰井作業(yè)來(lái)看，若采用常規(guī)泵抽，其壓降在670 psi左右，即對(duì)1 451 m及1 473.5 m用常規(guī)泵作業(yè)肯定會(huì)出現(xiàn)因出砂堵塞管道，導(dǎo)致作業(yè)失敗。為此，采用寬頻調(diào)速模塊進(jìn)行取樣作業(yè)。

渤海某井傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控圖如圖3所示。以1 473.5 m為例，說(shuō)明作業(yè)過(guò)程。儀器座封成功后，設(shè)定泵抽速度，觀察泵抽過(guò)程中的生產(chǎn)壓力，當(dāng)壓差在出砂生產(chǎn)壓差范圍內(nèi)或接近后確定為合適的泵抽速度。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，確定泵抽速度為1.3 mL/s時(shí)，泵抽中的生產(chǎn)壓力最大為220 psi(圖中綠色線框所示),在安全出砂范圍內(nèi)。泵抽約40 min后變化率變緩。

整個(gè)抽吸過(guò)程中伴有電導(dǎo)率向下跳尖現(xiàn)象，但頻率不大，說(shuō)明樣品含少量油，電導(dǎo)率曲線主要以水特征為主，曲線數(shù)值較為集中，無(wú)明顯上下跳躍。最終電導(dǎo)率數(shù)值穩(wěn)定在9.5～10 s/m(圖中紅色線所示)，密度數(shù)值約為1.03 g/mL(圖中灰色線所示),判斷為水樣，含有油花。其它2個(gè)層位也通過(guò)控制泵速，抑制出砂，成功獲取了用戶(hù)所需的樣品。

圖3 渤海某井傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控圖

4.2 南海東部某井

2018年12月寬頻調(diào)速液壓動(dòng)力系統(tǒng)在南海東部某井作業(yè)，該井深4 300 m，井溫159 ℃，井徑8.5 in。鄰井資料顯示：目標(biāo)層位為氣層。設(shè)計(jì)在3 925.3 m處進(jìn)行取樣作業(yè)。該井在鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)井漏，且進(jìn)行過(guò)堵漏等處理。因該處孔滲相對(duì)較好，漏失極有可能發(fā)生在此處。作業(yè)過(guò)程：儀器下放到設(shè)計(jì)深度，坐封成功后，開(kāi)始泵抽，泵抽6 h，抽取流體90 L后，流體識(shí)別傳感器電導(dǎo)率在920 s/cm上下波動(dòng)，密度在1.1 g/mL左右跳動(dòng)，與泵抽之初傳感器值基本相同，說(shuō)明抽取流體仍為泥漿濾液。加大泵抽速度，由原來(lái)的6 mL/s提升至13 mL/s，又連續(xù)抽取5 h,抽取121 L流體，流體識(shí)別傳感器電導(dǎo)率降為560 s/cm左右，密度降為1.06 g/mL左右，判斷位水樣。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控圖如圖4所示。

圖4 南海某井傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控圖

5 結(jié)束語(yǔ)

寬頻調(diào)速系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)EFDT系統(tǒng)恒速定量抽吸，能根據(jù)儲(chǔ)層特點(diǎn)任意調(diào)整抽吸速度。寬頻調(diào)速系統(tǒng)具有很寬的調(diào)速范圍，能在0.07～15.5 mL/s內(nèi)精準(zhǔn)控制，一次下井能滿(mǎn)足所有儲(chǔ)層對(duì)泵抽取樣抽吸速度要求。寬頻調(diào)速系統(tǒng)與其它模塊組合使用可實(shí)現(xiàn)稠油、出砂、低孔滲、高孔滲、漏失層等復(fù)雜儲(chǔ)層地層測(cè)壓作業(yè)，極大拓展EFDT儀器的使用范圍，具有廣闊的市場(chǎng)前景。