摘要:潛(qian)油電泵井下流量(liang)計 量對于電泵系(xì)統的運行重要,可(ke)以清楚地反映電(dian)泵的運行狀态和(hé)油藏狀态,但目前(qián)尚無計量潛油電(dian)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(beng)的揚程排量曲線(xiàn),進而通過壓力就(jiù)可得出瞬時排量(liàng),再通過積分的方(fāng)式實現♉瞬時流量(liàng)的計量。
0引言
　　井下(xià)流量的計量是電(dian)泵一項工作，目前(qian)基本上是通過⁉️對(duì)油管✏️排出液進行(hang)計量,進而得到電(dian)泵的排量。如果出(chū)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(er)未回到地面🐆,就不(bu)知道電泵的具體(ti)出液量,那麽就無(wu)💯法知道電泵的運(yùn)行狀态。出液量的(de)計🔱量有利于分析(xi)電泵的運行狀态(tai),可根據出液量進(jin)行調節㊙️生産❗制度(du),保障❌電泵的長期(qi)運行，延長檢泵周(zhōu)期,在異常狀态下(xia)容易明确是⚽泵的(de)故障還是其他🚶‍♀️故(gù)障(如油💋管漏失管(guan)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(li)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(zheng)常電泵管柱上，在(zai)潛油電機的尾部(bù)加裝一台井💯下傳(chuán)感㊙️器,傳⭕感器尾部(bù)加裝扶正器,從傳(chuan)感器頭部🚶‍♀️引出一(yī)根1/4"不鏽🌈鋼管(圖1)。在(zài)離心泵出口上安(an)裝引壓接頭,接頭(tou)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(chuan)到井下傳感器。鋼(gang)管📐上、下均要做🐉好(hǎo)密封,密封壓力大(da)于40MPa。通👉過井下通信(xin)模塊,将傳感🛀器采(cǎi)集的壓力、溫度、振(zhèn)動、流量等🔴參數信(xin)号通過電機尾部(bu)星點,電磁線、動力(lì)電纜傳至地面,然(rán)後通過地面解調(diào)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(dōu)會進行泵性能測(ce)試，繪制泵性能曲(qǔ)線,也就是泵揚程(chéng)、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(beng)效、功率數據,來給(gěi)定泵的有效高效(xiao)區間,用以指導.用(yong)戶生産。圖2爲50Hz工頻(pín)運行的數據曲線(xian),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(yòng)變頻的方式控制(zhi)地産,因此對變頻(pín)數據的采集、提高(gao)變頻數據精度具(jù)有實📐際意義。
2.2曲線(xian)的拟合
　　泵性能曲(qǔ)線，即是測出不同(tong)排量下的揚程、電(diàn)流、軸功㊙️率⁉️等數據(jù),用以判定電泵是(shì)否符合GB/T16750--2015《潛油電泵(bèng)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(bú)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(ya)力,就可🐇以近似得(de)出💔在一定壓力下(xia)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(ni)合
　　用采集的13點數(shu)據,取揚程、排量數(shu)據,根據其線性特(te)征,用WPS.ffice或Matlab拟合成一(yī)個二項式,使其更(gèng)接近真實的數🔴據(ju)。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(kou)壓力值與吸人口(kǒu)壓力的差值,帶人(rén)公式,即🌂可得到相(xiang)應的泵出口排量(liang)值。
2.2.2變頻實驗數據(ju)拟合
依據變頻排(pai)量公式p:
y1=(ƒ/50)xy
式中
x一工(gong)頻揚程,MPa.
X1一變頻揚(yáng)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(zu)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(wei)工頻下的排量),再(zài)通過變頻公式計(ji)算得🍉出此時瞬時(shi)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(yi)天的産量,瞬時産(chan)量隻是作爲一個(gè)參考。如果要計算(suàn)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(shí)間段,可結合采油(you)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(lù)器、快熔、電抗器等(deng)組成，經由變頻器(qì)、正❤️弦濾‼️波器、升壓(yā)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(ji)的供電及照明燈(deng)的開啓。
(2)諧波控制(zhi)。功率開關器件的(de)導通瞬間會産生(sheng)諧波電流。當開關(guān)✊器件以很高的頻(pin)率通斷時,将會産(chǎn)生🔞脈沖電流❤️,電機(jī)繞組絕緣将反複(fú)承受峰值很高的(de)脈沖電流，如此💘長(zhang)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(qǐ)電機附加發熱,導(dao)緻電機的額外溫(wēn)升升高,由于輸出(chu)波形失真,增加了(le)電機的重複峰值(zhí)電壓,影響電機和(hé)電纜絕緣,諧波還(hái)📐會引起電機轉矩(jǔ)脈動,使噪聲增加(jiā)。諧波電流流過電(dian)機定子📱轉子繞組(zǔ)時産生的附加損(sǔn)耗,該損耗将導緻(zhì)電機溫升增加，同(tong)時将使得電💋機效(xiào)率下降。爲了抑制(zhì)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(pín)器輸出的PWM(PulseWidthModulation,脈沖寬(kuan)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(chuan)輸的是‼️正弦波,與(yǔ)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(qì)位于變頻器輸出(chu)端,用于提升電壓(ya)給井下電泵供電(dian),需要配套寬頻變(bian)壓器。如果🤞配套普(pǔ)通🌈的電力變壓器(qi),其頻率變化範圍(wéi)爲50Hz±10%，超出頻率運行(hang)的情況下會☀️出現(xiàn)磁飽和，導緻變壓(yā)器出現過熱、提㊙️前(qián)老化。寬💯頻變壓器(qì)設計的磁密度小(xiǎo),頻❌率适應範圍爲(wèi)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(xu)要。
(4)控制系統。數據(jù)的采集通過井下(xià)傳感器将井下數(shu)據,如泵👌人🔞口壓力(lì)、出口壓力、電機溫(wen)度、X方向振動、Z方🐆向(xiang)振動、洩漏電🌍流等(deng),通過🔞地面調制解(jiě)調裝置剝離出來(lai),與地面傳感器将(jiang)采集到❓的油壓、套(tào)壓、井口溫度、流量(liang)等☁️數據一起👉以信(xin)息幀格式發送給(gei)上位機。同理,進線(xian)出線電力表與地(dì)面流量計及閥廣(guang)]的數據發送給上(shàng)位機，上位機通過(guo)對寄存器的讀取(qu)與修改實現對氣(qi)體流量液體流量(liàng)、閥⛱️門溫度、閥門開(kāi)度等參數的顯示(shì)與👨‍❤️‍👨控制。上位機作(zuò)爲控制系統的核(he)心，以Modbus--RTU通信協議與(yǔ)井👉下傳感器控制(zhi)器、進線與出線電(dian)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(biàn)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(zheng)反💰轉,激活擺頻👈功(gōng)🚶能等。
(5)智能調參。以(yǐ)采集的數據作爲(wèi)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(fang)式。例🐇如采用泵☁️出(chu)口流量🐇作爲依據(ju),流量低于設定㊙️限(xiàn)值，自動降低頻率(lǜ)以☎️恢複液量;流量(liang)🏃🏻超過限值，自🚶動提(tí)頻增加液量。也可(kě)采用泵人口壓力(li)設置限值🍓,人口壓(ya)力低于限值時自(zì)動降頻,壓力恢複(fu)自動升頻,來尋求(qiú)更合适的生産頻(pin)率。
2.4實際案列
　　在某(mǒu)氣田采用此種方(fang)式計量泵的出口(kǒu)流量,通過數據測(ce)🌂算泵出口瞬時流(liu)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(wú)法進行計量。但是(shì)在生産初期,需要(yào)排放一段時間井(jǐng)内的雜質,然🔴後才(cai)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(yòng)需求。
 
3結論
(1)在使用(yòng)數據拟合時，可在(zai)多測數據點，以提(ti)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(ju)采集,數據拟合成(chéng)多條變頻曲線,在(zài)設計算法時直接(jiē)引用曲線數據,數(shù)據精度會大幅提(ti)高。
(3)如果有遠程傳(chuán)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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