田旭陽，齊 康，路志斌，苗 杰

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

在潛油電泵或地面礦場的工程應(yīng)用中，由于井下高溫、高壓、振動、腐蝕，工作環(huán)境惡劣，部分潛油電泵壽命較短，在潛油電泵出現(xiàn)故障后，往往需要提井后拆檢，才能鎖定故障原因，并提出后續(xù)對策。

基于該情況，2005 年，創(chuàng)新性地將電子測壓技術(shù)和毛細(xì)管測壓技術(shù)引入潛油電泵或地面礦場應(yīng)用中，能夠檢測工作時的環(huán)境壓力，從原來潛油電泵工況的“一抹黑”到“睜開眼”監(jiān)測井下單參數(shù)工況。

在2010 年，通過利用光纖傳輸?shù)奶攸c，利用SiO2的耐高溫特性，引入光纖測壓技術(shù)，其能夠檢測潛油電泵或地面礦場工作時的環(huán)境壓力及外部溫度。

2015 年，對潛油電泵或地面礦場監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，通過耐高溫壓力傳感器、J 型熱電耦、振動芯片，以及工作筒密封防腐防護(hù)技術(shù)，設(shè)計完成礦場“聽診器”泵工況系統(tǒng)，能夠測量三個參數(shù)[1-2]，在三個參數(shù)的監(jiān)控下，及時調(diào)整潛油電泵參數(shù)和相關(guān)對策，使?jié)撚碗姳脡勖岣?80%，壽命由500 d 提升到1400 d。

1 潛油電泵井故障統(tǒng)計

對公司2021—2022 年潛油電泵井故障情況進(jìn)行統(tǒng)計（見圖1）。

圖1 潛油電泵井故障統(tǒng)計

通過對潛油電泵井進(jìn)行實時監(jiān)測，并及時根據(jù)井況、機(jī)組運行情況提出解決方案，能夠解決53%電泵井的故障因素，對不同的惡劣井況及時提出修正方案，調(diào)節(jié)地面控制設(shè)備參數(shù)，并通過井下監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)作業(yè)過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，在正式投產(chǎn)前及時起井，重新下入潛油電泵。

2 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 毛細(xì)鋼管測壓系統(tǒng)（井下單參數(shù)監(jiān)測）

通過將毛細(xì)鋼管和氮氣組成整體測壓系統(tǒng)，利用高精度壓力變送器和數(shù)據(jù)采集器，設(shè)計完成集群式毛細(xì)管測壓系統(tǒng)，能夠通過一臺數(shù)據(jù)處理工業(yè)計算機(jī)，同時檢測10 余個礦井的井下壓力數(shù)據(jù)，應(yīng)用到的TRIZ 創(chuàng)新原理（見圖2）有：抽取法，從物體中抽取必要的部分或?qū)傩?，通過毛細(xì)鋼管定向采集井下的壓力數(shù)據(jù)；組合法，在空間上將相同或相近的物體或操作加以組合，通過將10 余口礦井的井下壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，統(tǒng)一在一臺計算機(jī)上進(jìn)行處理；借助中介物法，利用中介物實現(xiàn)所需動作，通過將氮氣作為傳遞壓力變化的中介物，價格低廉，壓力變化響應(yīng)速度快；氣體或液壓結(jié)構(gòu)法，將物體的固體部分用氣體或流體代替，通過利用氮氣傳導(dǎo)的壓力來代替井下設(shè)備實際受到的外部壓力，來監(jiān)測井下壓力參數(shù)。

圖2 集群式毛細(xì)管測壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

毛細(xì)鋼管測壓系統(tǒng)主要適用于高溫高壓井、熱采井、疑難氣井等，能長期置于井下。毛細(xì)管測壓裝置是利用“U”形管原理，通過毛細(xì)鋼管內(nèi)氮氣傳遞壓力以測量井底壓力的一種測試方式。

毛細(xì)管測壓系統(tǒng)是一種機(jī)械式的測壓系統(tǒng)，整套系統(tǒng)精度高、使用壽命很長，同時井下毛細(xì)管系統(tǒng)可重復(fù)利用。

毛細(xì)管測壓系統(tǒng)由地面和井下兩部分組成。井下系統(tǒng)包括壓力傳壓筒和毛細(xì)管，傳壓筒下入測試層，毛細(xì)管附著在外壁，連接傳壓筒到地面；地面系統(tǒng)包括壓力傳感器、數(shù)據(jù)盒、電源盒以及控制柜。井下傳壓筒感應(yīng)到的壓力數(shù)據(jù)通過毛細(xì)管中的氮氣或氦氣傳到地面，在壓力傳感器處將壓力信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)盒，在液晶顯示屏上即時顯示數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在地面通過計算機(jī)程序進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置和壓力偏差的修正，方便及時。

技術(shù)特點如下：變送器和井一一對應(yīng)，操作方便，不用倒閥門，不產(chǎn)生數(shù)據(jù)混亂，不會產(chǎn)生兩口井之間的串氣；變送器之間為并聯(lián)方式，變送器之間相互獨立，地址唯一，一個變送器出現(xiàn)故障對其他井的測試無影響；數(shù)據(jù)容量大，數(shù)據(jù)采集周期為2 s，能同時存儲16 口井的數(shù)據(jù)達(dá)3 年以上，不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失問題；系統(tǒng)集成度高，整套裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，相同體積的井口設(shè)備箱現(xiàn)可安裝下16 口井的全部測試設(shè)備，節(jié)約平臺的空間。

應(yīng)用范圍如下：壓力恢復(fù)測試功能，數(shù)據(jù)采集周期為2 s，在停泵時可自動進(jìn)入壓力恢復(fù)測試，不用專門設(shè)置；實時監(jiān)測功能，能實時監(jiān)測16 口井的壓力，并能顯示3 年以上任意時段的壓力曲線和數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲功能，所測得的壓力數(shù)據(jù)可分井存放，供用戶隨時查詢和調(diào)用，更利于生產(chǎn)管理；數(shù)據(jù)輸出功能，可利用EXCELL 報表對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、轉(zhuǎn)存、打印、輸出。

2.2 永久式電子壓力-溫度計/光纖壓力-溫度計（井下雙參數(shù)監(jiān)測）

2.2.1 永久式電子壓力-溫度計

對毛細(xì)管壓力測試系統(tǒng)進(jìn)行升級優(yōu)化，由單參數(shù)監(jiān)測升級為井下雙參數(shù)監(jiān)測，同時監(jiān)測設(shè)備的壓力與溫度參數(shù)，該系統(tǒng)應(yīng)用到的TRIZ 創(chuàng)新原理有：多用性，使物體具有復(fù)合功能以替代其他物體的功能：通過將電子壓力計和電氣溫度計組合，同時下入井口，一個工作筒監(jiān)測兩個參數(shù)；永久井下壓力監(jiān)測系統(tǒng)是一種新的“數(shù)控可視化”的井下壓力監(jiān)測設(shè)備。整套系統(tǒng)采用了先進(jìn)的壓力傳感器和電子芯片，其最大的特點是具有長期的工作穩(wěn)定性。

系統(tǒng)主要由井下和地面兩部分組成，井下部分由電子壓力計、特殊電纜、電纜保護(hù)器組成。井下部分隨生產(chǎn)管柱一起下入生產(chǎn)井中，通過壓力計中高精度的傳感器感應(yīng)井下的壓力和溫度，其主要功能是密封穿出井口的電纜。

系統(tǒng)的基本構(gòu)成有：井下部分為永久壓力-溫度計、托筒（或懸掛器）；電纜部分為電纜頭、專用電纜、電纜保護(hù)器、電纜支撐架；井口部分為電纜穿透密封裝置；地面部分為地面接口箱、計算機(jī)采集系統(tǒng)。

2.2.2 光纖壓力-溫度計

在永久式電子壓力-溫度計監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)光纖通信SiO2耐高溫、高壓的特性，檢測光纖在不同溫度、壓強(qiáng)下的微小形變，設(shè)計完成了光纖壓力-溫度計，能夠?qū)崟r、高精度和長期穩(wěn)定地監(jiān)測井底壓力和溫度，是新一代測井傳感器。光纖壓力-溫度計系統(tǒng)能夠?qū)γ棵坠饫w的壓力、溫度進(jìn)行測量，支持同時監(jiān)測同一口井的多個層位，在地面采用光纖解調(diào)儀對信號進(jìn)行解析。

該系統(tǒng)應(yīng)用到的TRIZ 創(chuàng)新原理有：借助中介物，使用中介物實現(xiàn)所需動作，借助光纖在壓力、溫度下的微小形變，監(jiān)測井下的壓力、溫度參數(shù)；復(fù)合材料，用復(fù)合材料代替勻質(zhì)材料，采用光纖來代替原毛細(xì)鋼管測壓系統(tǒng)中的毛細(xì)鋼管+氮氣，從而擴(kuò)大監(jiān)測的溫度范圍和壓力范圍。

2.3 電泵工況監(jiān)測儀（井下三參數(shù)監(jiān)測）

2.3.1 概述

對潛油電泵監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，通過耐高溫壓力傳感器、J 型熱電耦、振動芯片，以及高溫（150 ℃）高壓（70 MPa）強(qiáng)烈振動（加速度20g）下工作筒密封防腐防護(hù)技術(shù)，設(shè)計完成井下“聽診器”泵工況系統(tǒng)，能夠測量三個參數(shù)，在三個參數(shù)的監(jiān)控下，及時調(diào)整潛油電泵參數(shù)和相關(guān)對策，潛油電泵壽命提高280%，壽命由500 d 提升到1400 d。

2.3.2 創(chuàng)新原理

1）組合：在空間上將相同或相近的物體或操作加以組合，耐高溫壓力傳感器測量井下壓力、J 型熱電耦測量井下溫升、振動芯片測量井下三軸振動情況。

2）多用性：使物體具有復(fù)合功能以替代其他物體的功能，井下“聽診器”泵工況系統(tǒng)在原來單參數(shù)、雙參數(shù)功能的基礎(chǔ)上，能夠同時測量振動、溫度和壓力三參數(shù)。

3）反饋：引入反饋，提高性能，通過將井下“聽診器”泵工況系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋到地面，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工作業(yè)方案，提高潛油電泵壽命。

4）同時針對特殊機(jī)組開發(fā)專用泵工況產(chǎn)品，采用TRIZ 創(chuàng)新原理中的嵌套原理，讓某物體穿過另一物體的空腔，泵工況安裝在電機(jī)與濕接頭之間，泵工況中間留有環(huán)形通道，動力電纜從環(huán)形通道內(nèi)將電力輸送至電機(jī)內(nèi)。

3 應(yīng)用效果

項目組進(jìn)一步開發(fā)壓力測試和故障診斷功能，提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，對重要部件選用同等性能的國產(chǎn)化器件替代，對原材料規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化，對外形外觀標(biāo)準(zhǔn)化；模塊化泵工況地面數(shù)采設(shè)備，與地面變頻器控制系統(tǒng)集成。

1）壓恢測試功能：開發(fā)壓力參數(shù)傳輸速率高于4～5 s/組的高速傳輸功能，并開發(fā)相應(yīng)的壓恢測試操作界面。

2）低絕緣監(jiān)測功能：保證在對地絕緣100 kΩ 以上情況下，穩(wěn)定傳輸信號。

3）泵工況系統(tǒng)能夠通過液壓管線和壓力傳感器，測量井下電泵或井下工作筒多個點位的壓力，同時監(jiān)測設(shè)備振動、溫度等重要參數(shù)，振動參數(shù)監(jiān)測精度可達(dá)0.05g，溫度參數(shù)監(jiān)測精度可達(dá)0.1 ℃，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在BZ3-2、SZ6-2 等油田下井超20 套，運行良好。

4 結(jié)語

本文闡述TRIZ 創(chuàng)新原理的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，對潛油電泵監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，通過對潛油電泵或地面礦場進(jìn)行實時監(jiān)測，并及時根據(jù)井況、機(jī)組運行情況提出解決方案，能夠解決53%電泵井的故障因素，對不同的惡劣井況及時提出修正方案，調(diào)節(jié)地面控制設(shè)備參數(shù)。通過耐高溫壓力傳感器、J 型熱電耦、振動芯片，設(shè)計開發(fā)泵工況系統(tǒng)的研發(fā)技術(shù)路線與設(shè)計思路，對相似井下工作筒的設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)具有借鑒意義。