李維維，傅 鵬，黃 波

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

井下流量的計(jì)量是電泵一項(xiàng)非常重要的工作，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、管線堵塞等）。為此，根據(jù)泵的性能曲線及現(xiàn)有的技術(shù)手段，擬合排量壓力曲線、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。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40 MPa。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、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。

圖1 電泵管柱

2 算例分析

2.1 泵性能曲線

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的潛油電泵機(jī)組都遵循GB/T 16750—2015《潛油電泵機(jī)組》，出廠的時(shí)候都會(huì)進(jìn)行泵性能測(cè)試，繪制泵性能曲線，也就是泵揚(yáng)程、排量、泵效、軸功率曲線[1]。國(guó)標(biāo)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50 Hz 工頻運(yùn)行的數(shù)據(jù)曲線，給定的高效區(qū)為40～150 m3/d。

圖2 400 系列多級(jí)葉導(dǎo)輪泵性能曲線（50 Hz）

根據(jù)采液要求，目前很多油井采用變頻生產(chǎn)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 曲線的擬合

泵性能曲線，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/T 16750—2015《潛油電泵機(jī)組》的要求。由于泵性能曲線是在地面完成的，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、吸入口壓力，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50 Hz 工頻的排量壓力曲線如圖3 所示。

圖3 泵的揚(yáng)程—排量曲線（50 Hz）

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)其線性特征，用WPS、Office 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：

用測(cè)得的泵出口壓力值與吸入口壓力的差值，帶入公式，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[2]：

式中 x——工頻揚(yáng)程，MPa

x1——變頻揚(yáng)程，MPa

f——設(shè)定頻率，Hz

y——工頻排量，m3/d

y1——變頻排量，m3/d

在給定f 下，測(cè)得泵出口壓力與吸入口的壓力差值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。

實(shí)際上，采油廠更關(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)合采油廠設(shè)置時(shí)間段設(shè)置起始點(diǎn)。

2.3 控制系統(tǒng)

（1）主線路由斷路器、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。為了抑制變頻器輸入、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)置輸入濾波器，將變頻器輸出的PWM（Pulse Width Modulation，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——正弦波。這樣電纜上傳輸?shù)氖钦也ǎc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50 Hz±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30～70 Hz，與潛油電泵生產(chǎn)運(yùn)行的頻率范圍（30～60 Hz）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)，如泵入口壓力、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?、套壓、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)線出線電力表與地面流量計(jì)及閥門(mén)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)線與出線電力儀表、地面流量計(jì)與閥門(mén)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。也可采用泵入口壓力設(shè)置限值，入口壓力低于限值時(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

在中石化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116 m3/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111 m3/d）?？紤]到地層的吸收因素，精度<4.5%，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。

表1 運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）在使用數(shù)據(jù)擬合時(shí)，可在出廠試驗(yàn)時(shí)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，在設(shè)計(jì)算法時(shí)直接引用曲線數(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（Remote Terminal Unit）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。