摘要:潛油電泵井下流量計量對于電泵系統的運行重要,可以清楚地反映電泵的運行狀態和油藏狀態,但目前尚無計量潛油電泵井下流量的裝置。通過采集相關數據,結合泵的性能曲線,擬合出泵的揚程排量曲線,進而通過壓力就可得出瞬時排量,再通過積分的方式實現瞬時流量的計量。
0引言
井下流量的計量是電泵一項工作，目前基本上是通過對油管排出液進行計量,進而得到電泵的排量。如果出液不正常,就只能通過經驗來判斷,可能存在不確定性。如果井內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,那么就無法知道電泵的運行狀態。出液量的計量有利于分析電泵的運行狀態,可根據出液量進行調節生產制度,保障電泵的長期運行，延長檢泵周期,在異常狀態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,根據泵的性能曲線及現有的技術手段,擬合排量壓力曲線、給出擬合方程,可以根據方程求解泵的瞬時排量、計量泵的井下流量。
1電泵模型
正常電泵管柱上，在潛油電機的尾部加裝一臺井下傳感器,傳感器尾部加裝扶正器,從傳感器頭部引出一根1/4"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。1/4"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40MPa。通過井下通信模塊,將傳感器采集的壓力、溫度、振動、流量等參數信號通過電機尾部星點,電磁線、動力電纜傳至地面,然后通過地面解調模塊讀出參數數據,進而進行數據操作與分析。
2算例分析
2.1泵性能曲線
潛油電泵機組都遵循GB/T16750--2015《潛油電泵機組》,出庫的時候都會進行泵性能測試，繪制泵性能曲線,也就是泵揚程、排量、泵效、軸功率曲線”。要求至少采集13個點,即在不同排量下的壓力、泵效、功率數據,來給定泵的有效高效區間,用以指導.用戶生產。圖2為50Hz工頻運行的數據曲線,給定的高效區為40~150m3/d。
根據采液要求，目前很多油井采用變頻的方式控制地產,因此對變頻數據的采集、提高變頻數據精度具有實際意義。
2.2曲線的擬合
泵性能曲線，即是測出不同排量下的揚程、電流、軸功率等數據,用以判定電泵是否符合GB/T16750--2015《潛油電泵機組》的要求。由于泵性能曲線是在地面完成的，測出的試驗數據實際就是泵出口在不同排量下的壓力數據。如果在油井井下端測出泵出口壓力、吸人口壓力,就可以近似得出在一定壓力下的排量數據,實驗井50Hz工頻的排量壓力曲線如圖3所示。
2.2.1工頻實驗數據擬合
用采集的13點數據,取揚程、排量數據,根據其線性特征,用WPS.ffice或Matlab擬合成一個二項式,使其更接近真實的數據。擬合的公式如下:.
y=8x10-10x5-4x10-7x4+9x10-5-0.0098x2+0.215x+39.504
用測得的泵出口壓力值與吸人口壓力的差值,帶人公式,即可得到相應的泵出口排量值。
2.2.2變頻實驗數據擬合
依據變頻排量公式p:
y1=(ƒ/50)xy
式中
x一工頻揚程,MPa.
X1一變頻揚程,MPa
ƒ一設定頻率,Hz
y一工頻排量,m2/d
Y1一變頻排量,m2/d
在給定ƒ下,測得泵出口壓力與吸人口的壓力差值x0(此時油管摩阻忽略不計)，將x0帶入，計算得到此時的排量值y0(y0可理解為工頻下的排量),再通過變頻公式計算得出此時瞬時排量Y1.
Y1=(ƒ/750)xy0=(8x10-10x4x10-7x4+9x10-5x3-0.0098x2+0.215x+39.504)x(ƒ/50)。
實際上,采油廠更關心的是一天的產量,瞬時產量只是作為一個參考。如果要計算累計流量,直接對變頻公式進行積分即可:
其中a、b為時間段,可結合采油廠設置時間段設置起始點。
2.3控制系統
(1)主線路由斷路器、快熔、電抗器等組成，經由變頻器、正弦濾波器、升壓變壓器作用于井下電機。輔助回路包括加熱器與柜風機控制,工控機的供電及照明燈的開啟。
(2)諧波控制。功率開關器件的導通瞬間會產生諧波電流。當開關器件以很高的頻率通斷時,將會產生脈沖電流,電機繞組絕緣將反復承受峰值很高的脈沖電流，如此長期下去將會加劇絕緣老化過程。輸出諧波對電機的影響主要有:引起電機附加發熱,導致電機的額外溫升升高,由于輸出波形失真,增加了電機的重復峰值電壓,影響電機和電纜絕緣,諧波還會引起電機轉矩脈動,使噪聲增加。諧波電流流過電機定子轉子繞組時產生的附加損耗,該損耗將導致電機溫升增加，同時將使得電機效率下降。為了抑制變頻器輸人、輸出側諧波對電網和電機的影響，延長機組的使用壽命，在變頻器的設計選型方面，設置輸人濾波器,將變頻器輸出的PWM(PulseWidthModulation,脈沖寬度調制)波形轉變成驅動電動機的理想波形一正弦波。這樣電纜上傳輸的是正弦波,與傳統的電動機工作方式一樣,無論電纜多長都不會產生過沖電壓。
(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50Hz±10%，超出頻率運行的情況下會出現磁飽和，導致變壓器出現過熱、提前老化。寬頻變壓器設計的磁密度小,頻率適應范圍為30~70Hz,與潛油電泵生產運行的頻率范圍(30~60Hz)一致,更貼合變頻情況下的生產需要。
(4)控制系統。數據的采集通過井下傳感器將井下數據,如泵人口壓力、出口壓力、電機溫度、X方向振動、Z方向振動、泄漏電流等,通過地面調制解調裝置剝離出來,與地面傳感器將采集到的油壓、套壓、井口溫度、流量等數據一起以信息幀格式發送給上位機。同理,進線出線電力表與地面流量計及閥廣]的數據發送給上位機，上位機通過對寄存器的讀取與修改實現對氣體流量液體流量、閥門溫度、閥門開度等參數的顯示與控制。上位機作為控制系統的核心，以Modbus--RTU通信協議與井下傳感器控制器、進線與出線電力儀表、地面流量計與閥廣]進行數據交換,以Profinet通信協議與1200CPU進行數據交換。1200CPU通過Modbus--RTU通信與變頻器進行數據交換，通過變頻器的狀態字獲取當前電機的運行頻率、出線電流電壓等,通過更改控制字實現電機頻率的給定,控制電機正反轉,激活擺頻功能等。
(5)智能調參。以采集的數據作為調參依據,實現智能自動化調參。不同的油井生產使用不同的控制方式。例如采用泵出口流量作為依據,流量低于設定限值，自動降低頻率以恢復液量;流量超過限值，自動提頻增加液量。也可采用泵人口壓力設置限值,人口壓力低于限值時自動降頻,壓力恢復自動升頻,來尋求更合適的生產頻率。
2.4實際案列
在某氣田采用此種方式計量泵的出口流量,通過數據測算泵出口瞬時流量116m3/d。該井為同井采注氣井,也就是液體不出井口，直接進行回注,地面無法進行計量。但是在生產初期,需要排放一段時間井內的雜質,然后才開始回注,地面配有標準流量計(此時計量111m3/d)。考慮到地層的吸收因素,精度<4.5%,滿足現場使用需求。
3結論
(1)在使用數據擬合時，可在多測數據點，以提高數據擬合精度。
(2)在使用變頻時,可考慮出廠進行變頻試驗,在每個頻率點下進行數據采集,數據擬合成多條變頻曲線,在設計算法時直接引用曲線數據,數據精度會大幅提高。
(3)如果有遠程傳輸的需求,可在控制柜上增加RTU(Re-moteTerminalUnit)通信模塊,實現數據的遠程監控,為自動化控制提供數據支撐。
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