摘要:潛(qián)油電泵井下流量(liang)計 量對于電泵系(xì)統的運行重要,可(kě)以清楚地反映電(diàn)泵的📐運行狀态和(he)油藏狀态,但目前(qian)尚無計量潛油電(diàn)泵井下❗流量✌️的裝(zhuang)置。通過采集相關(guan)數據,結合泵的性(xìng)能🌈曲線,拟🈲合出泵(bèng)的揚程排量曲線(xiàn),進而通過㊙️壓力就(jiu)可得出瞬時排量(liàng),再通過積分的方(fang)式實現瞬時流量(liang)的🆚計量。
0引言
　　井下(xià)流量的計量是電(diàn)泵一項工作，目前(qián)基本上是通過對(dui)油🔴管排出液進行(hang)計量,進而得到電(diàn)泵的排量。如果出(chu)液不正常♻️,就隻能(néng)通過經驗來判斷(duàn),可能存在不确定(ding)性。如果井内的液(yè)體回注到套管而(ér)未回到地面,就不(bú)知道電泵的具體(tǐ)出液量,那麽就無(wú)法知道電泵🏒的運(yun)行狀态。出液量的(de)計量有利于分🈲析(xī)電泵的運行狀态(tai),可根據出液量進(jìn)行調節生産制度(dù),保障電泵的長期(qī)運行，延長檢🚶泵周(zhou)期,在異常狀态下(xià)容易明确是泵的(de)故障還是其☎️他故(gù)障(如油管漏失管(guǎn)線堵塞等)。爲⭕此,根(gen)據泵的性能曲線(xiàn)及現有的技術手(shǒu)段,拟合排量🥵壓力(lì)曲線、給出拟合方(fang)程❄️,可以根據方程(cheng)求解泵的瞬時排(pai)量、計量泵的井下(xia)流量。
1電泵模型
　　正(zhèng)常電泵管柱上，在(zai)潛油電機的尾部(bu)加裝一台井下傳(chuan)感器,傳感器尾部(bù)加裝扶正器,從傳(chuan)感器頭部引出一(yi)根1/4"不鏽鋼管(圖1)。在(zài)離心泵出口上安(ān)裝引壓接頭,接頭(tóu)上方連接油管至(zhi)井⁉️口。1/4"不鏽鋼管與(yǔ)引壓㊙️接頭相連,将(jiāng)泵出口的壓力傳(chuán)到井下傳🔆感器。鋼(gāng)管上、下均要做好(hao)密封,密封壓力大(da)于40MPa。通過井下通信(xìn)🐅模塊,将傳感💛器采(cai)集的壓力、溫度、振(zhèn)動、流量等參數信(xin)号通過電機尾部(bù)星點,電磁線、動力(lì)電纜傳至地面,然(rán)後通過地面解✨調(diao)模塊讀出參數數(shù)據,進而進行數據(ju)操作與分析。
 
2算例(lì)分析
2.1泵性能曲線(xiàn)
　　潛油電泵機組都(dou)遵循GB/T16750--2015《潛油電泵機(jī)組》,出庫的時候都(dou)🥵會進行♌泵🏃🏻性能測(ce)試，繪制泵性能曲(qǔ)線,也就是泵揚程(cheng)、排量、泵效、軸功率(lü)曲線”。要求至少采(cǎi)集13個點,即在不同(tong)排量下的壓力、泵(bèng)效、功🤩率數據,來給(gěi)定泵的有效高效(xiào)區間,用以指導.用(yong)戶生産。圖2爲50Hz工頻(pin)運行的數據曲線(xiàn),給定的高效區爲(wei)40~150m3/d。
 
　　根據采液要求，目(mu)前很多油井采用(yong)變頻的方式控制(zhì)地🍉産,因此對變頻(pin)數據的采集、提高(gāo)變頻數據精度具(ju)有實際意義。
2.2曲線(xiàn)的拟合
　　泵性能曲(qǔ)線，即是測出不同(tóng)排量下的揚程、電(diàn)流、軸功率等數據(ju),用以判定電泵是(shi)否符合GB/T16750--2015《潛油電泵(beng)機組》的♌要求。由于(yu)⛷️泵性能曲線是在(zài)地面完成的，測出(chu)的試驗數據實際(jì)就是泵出口❓在不(bu)同🤞排量下的壓力(lì)數據。如果在油井(jǐng)井下端測出泵出(chū)口壓力、吸人👣口壓(yā)力,就可以近似得(de)出在一定壓力下(xià)的排量數據,實驗(yàn)井50Hz工🌈頻的排量壓(ya)力曲線如圖3所示(shì)。
 
2.2.1工頻實驗數據拟(nǐ)合
　　用采集的13點數(shu)據,取揚程、排量數(shu)據,根據其線性特(tè)💁征,用WPS.ffice或Matlab拟合成一(yi)個二項式,使其更(gèng)接近真實的數據(jù)。拟合的公式如下(xià):.
y=8x12-15x5-4x10-7x4+9x10-5-0.0098x2+0.215x+39.504
　　用測得的泵出口(kǒu)壓力值與吸人口(kou)壓力的差值,帶人(rén)公式,即可得到相(xiang)應的泵出口排量(liàng)值。
2.2.2變頻實驗數據(jù)拟合
依據變頻排(pái)量公式p:
y1=(ƒ/50)xy
式中
x一工(gong)頻揚程,MPa.
X1一變頻揚(yang)程,MPa
ƒ一設定頻率,Hz
y一(yi)工頻排量,m2/d
Y1一變頻(pín)排量,m2/d
　　在給定ƒ下,測(cè)得泵出口壓力與(yǔ)吸人口的壓力差(chà)值x0(此時油管摩⭕阻(zǔ)忽略不計)，将x0帶入(rù)，計算得到此時的(de)🈲排量值y0(y0可理解爲(wèi)工頻下的排量),再(zai)通過變頻公式計(jì)算得出此時瞬時(shí)排量Y1.
Y1=(ƒ/750)xy0=(8x12-15x4x10-7x4+9x10-5x3-0.0098x2+0.215x+39.504)x(ƒ/50)。
　　實際上,采油(you)廠更關心的是一(yī)天的産量,瞬時産(chǎn)量隻是作爲一個(ge)參考。如果要計算(suan)累計流量,直接對(duì)☂️變頻公式進行積(ji)分即可⛱️:
 
其中a、b爲時(shi)間段,可結合采油(yóu)廠設置時間段設(shè)置起始點。
2.3控制系(xi)統
(1)主線路由斷路(lu)器、快熔、電抗器等(deng)組成，經由變頻器(qì)、正弦濾🐪波器㊙️、升壓(ya)變壓器作用于井(jǐng)下電機。輔助回路(lu)包括加熱器🔅與櫃(guì)風機控制,工控機(jī)的供電及照明燈(dēng)的開啓。
(2)諧波控制(zhì)。功率開關器件的(de)導通瞬間會産生(shēng)諧波電流。當開關(guan)器件以很高的頻(pín)率通斷時,将會産(chǎn)生脈沖🤟電流,電機(ji)繞組絕緣将反複(fú)承受峰值很高的(de)脈沖電流，如此長(zhǎng)期下🔴去将會加劇(ju)絕💋緣老化過程。輸(shu)出諧波🤩對電機的(de)影響主要有:引起(qi)電🔞機附加發✊熱,導(dǎo)緻電機的額外溫(wen)升升高,由于輸出(chū)波形失真,增加了(le)電機👣的重複峰值(zhi)電壓,影響電機和(hé)電纜絕緣,諧波還(hai)🛀會引起電機轉🥰矩(ju)脈動,使噪聲增加(jia)。諧波電流流過電(dian)機定子轉子繞組(zu)時産生的🐉附加損(sun)耗☂️,該損耗将導緻(zhì)電機溫升增加，同(tóng)時将使得電機效(xiào)率下降。爲了抑制(zhi)👌變頻器輸人、輸出(chū)側諧波對電網和(hé)電機的影響，延長(zhang)機組的使用壽命(mìng)，在變頻器的🔞設計(ji)選型方面，設置輸(shu)人濾波器,将變頻(pin)器輸出的PWM(PulseWidthModulation,脈沖寬(kuān)度🏃🏻‍♂️調制)波形轉變(bian)成驅動電動機的(de)理想波形一正弦(xian)波。這樣電纜上傳(chuán)輸的是正弦波,與(yu)傳統的電動機工(gong)作方式一樣,無論(lùn)電纜多長都不會(huì)産✍️生過沖電壓。
(3)寬(kuan)頻變壓器。變壓器(qi)位于變頻器輸出(chū)端,用于提升電壓(ya)🔞給井下🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電泵供電(dian),需要配套寬頻變(biàn)壓器。如果配套普(pu)通的電力變壓器(qì),其頻率變化範圍(wéi)爲50Hz±10%，超出頻率運行(háng)的情況下會出現(xiàn)磁飽和，導♉緻變壓(yā)器出現過熱、提前(qian)老化。寬頻變壓器(qi)設計的磁密度小(xiao),頻📧率适應範圍爲(wei)30~70Hz,與潛油電泵生産(chan)運行的頻率範圍(wéi)🏃🏻(30~60Hz)一緻,更貼合變頻(pin)情況下的生産需(xū)要。
(4)控制系統。數據(ju)的采集通過井下(xià)傳感器将井下數(shù)♉據,如泵人🎯口⭐壓力(li)、出口壓力、電機溫(wēn)度、X方向振動、Z方向(xiang)振動、洩漏電流等(děng)🤟,通過🚶‍♀️地面調制解(jie)調裝置剝離出來(lái),與💔地面傳感器将(jiang)采集到的油壓🏃、套(tao)壓、井口溫㊙️度、流量(liang)等數據一起以信(xìn)息幀🈲格式發送給(gěi)上位機📱。同理,進線(xian)出線電力表與⭐地(di)面流量計㊙️及閥廣(guang)]的數據發送給上(shang)位機，上位機通過(guò)對寄存器的讀取(qǔ)與修改實現對氣(qì)體流量液體流量(liàng)、閥門溫度、閥門開(kāi)度等參數的顯示(shi)與🆚控制。上位機作(zuo)爲控制系統的核(hé)心，以Modbus--RTU通🙇🏻信協議與(yǔ)井下傳感器控制(zhì)器、進線與出💋線電(diàn)力儀表、地面流量(liang)計與閥廣]進行數(shù)據交換,以🔴Profinet通信協(xie)議與❓1200CPU進行數據交(jiao)換。1200CPU通過Modbus--RTU通信與變(bian)頻器進♋行數據交(jiāo)換，通過變頻器的(de)狀态字獲取當前(qian)電機的運行頻率(lü)、出線電流電壓等(děng),通過更改控制字(zi)實❤️現電機頻率的(de)給定,控制電機正(zhèng)反🚶轉,激活擺頻功(gōng)能等。
(5)智能調參。以(yi)采集的數據作爲(wei)調參依據,實現智(zhì)能自🥰動化調參。不(bú)同的油井生産使(shǐ)用不同的控制方(fāng)式。例如采用泵出(chū)口流量作爲依據(ju),流量低于設定限(xian)值，自動降低頻率(lǜ)以恢複液量;流量(liàng)超過限值，自動提(tí)頻增加液量。也可(ke)采用泵人口壓力(lì)設置限值,人口壓(ya)力低于限值時自(zi)動降頻,壓力恢複(fú)自動升頻,來尋求(qiu)更合适的生産頻(pín)率。
2.4實際案列
　　在某(mou)氣田采用此種方(fang)式計量泵的出口(kou)流量,通過❄️數㊙️據測(ce)算泵出口瞬時流(liú)量116m3/d。該井爲同井采(cai)注氣井,也就是液(yè)體不👄出井口，直接(jie)進行回注,地面無(wu)法進行計量。但是(shì)在生産初期,需要(yao)排放一✔️段時間井(jing)内的雜質,然後才(cái)開始回注,地面配(pèi)有标準流量計(此(ci)🏃時計量111m3/d)。考慮到地(dì)層的吸收因素,精(jīng)度<4.5%,滿足現場使用(yong)需求。
 
3結論
(1)在使用(yòng)數據拟合時，可在(zài)多測數據點，以提(tí)高數據拟合⭐精度(du)💞。
(2)在使用變頻時,可(kě)考慮出廠進行變(bian)頻試驗,在每個頻(pin)率點下☎️進行數據(jù)采集,數據拟合成(cheng)多條變頻曲㊙️線,在(zài)設計算法時直接(jiē)引用曲線數據,數(shu)據精度會大幅提(tí)高。
(3)如果有遠程傳(chuan)輸的需求,可在控(kong)制櫃上增加RTU(Re-moteTerminalUnit)通信(xin)模塊,實現數據的(de)遠程監控,爲自動(dong)化控制提供數據(jù)支撐。

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