六参数实时监控装置的研制及应用

王桂全

中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院 （黑龙江 大庆 163453）

利用六参数实时监控装置监测井下泵体X、Y、Z 3个方向的振动情况[1-4]，泵出口压力及沉没压力、井下温度等参数，为了解抽油泵在井下的工况提供准确度测试数据。

1　装置的主要功能

六参数实时监控装置的主要功能如下：

1）实现对柱塞抽油泵、单螺杆抽油泵等在X、Y、Z 3个方向振动实时监测。

2）实现对沉没压力和泵出口压力实时监测。

3）实现对井下温度实时监测。

4）参数设置、曲线显示及数据记录。

2　装置的组成

六参数实时监控装置主要由井上控制部分、井下采集部分和一套基于Windows的计算机控制软件组成。井上控制部分和井下采集部分通过钢管电缆连接，井上控制部分通过串口与计算机连接。井下实时监控系统通过计算机控制软件完成数据采集、传输、处理等功能，实现对井下工况的实时监控。具体组成如图1所示。

图1　六参数实时监控装置组成实物图

考虑到井下的温度较高，六参数实时监控装置采用低功耗、温度等级较高的电子元器件、单片机，使用高效温度补偿算法作井下传感器的温度补偿，使输出的测量值在整个工作温度范围内都有很高的精度[5-6]。

井下采集部分将6种传感器检测的信号进行滤波、调理和数据采集，并根据井上部分的控制命令，实现不同频率下的数据采集、编码、上传。井上控制部分根据测试需求，实现与井下采集部分通信，完成控制命令的下发、数据解码，并将解码后的数据上传计算机。计算机控制软件完成数据采集的时间、频率、循环次数等参数的设置；控制数据接收校验；压力、温度的数值显示，X轴振动、Y轴振动、Z轴振动加速度的曲线显示；数据的保存和历史数据查询等功能[7-8]。

3　现场试验

利用六参数实时监控装置分别对柱塞抽油泵和单螺杆抽油泵在油井中进行了连续测试。对井下柱塞抽油泵和单螺杆抽油泵在X、Y、Z 3个方向振动加速度进行测量，对井下套管压力和泵出口压力及对井下温度进行了测试。

AI-2在细菌对数生长早期及中晚期升高均未超过0.8，无调节细菌形成生物膜作用，AI-2变化趋势与细菌生长曲线无直接相关性，见图4。

3.1　柱塞抽油泵测试

工作参数：冲程3 m，冲次3次/min、6次/min，杆径25 mm，泵径70 mm，泵深1 000 m，液面300 m、600 m、800 m。

1）同液面不同冲次的测试（液面300 m），测试数据曲线如图2所示。

图2　柱塞抽油泵井同液面不同冲次试验曲线

振动数据分析：监控装置井下采集部分安装在抽油泵出口处，深度为990 m。由试验数据可知：泵工作时，X、Y、Z 3个方向均有加速度的变化，这是抽油泵在抽油过程中，抽油杆上下交变载荷引起的振动。X、Z 2个方向加速度基本相同，且不同冲次对其影响很小，Y方向加速度（振动）较大。由于泵工作时，抽油杆和油管纵向（Y）伸缩的影响，且不同冲次对其影响很大，冲次为6次/min时振动是3次/min的2倍左右，分析见表1。

表1　抽油泵不同冲次振动测试数据分析表

2）不同液面的压力测试试验（液面300 m和500 m），测试数据曲线如图3所示。

图3　六参数实时监控装置井下压力测试曲线

数据分析：通过液面测试仪分别测量了动液面300 m和500 m时随时间变化的参数值。由图3可知，液面300 m时，沉没（套管）压力6.8MPa左右；液面500 m时，沉没（套管）压力5MPa左右，可以看出监控装置井下采集部分测试显示的数据与液面测试仪测得的数据相符。

3.2　单螺杆抽油泵试验

工作参数为：杆径25 mm，泵型300，泵深880 m，支撑卡瓦910 m，液面300 m、600 m、800 m，转速60 r/min、90 r/min、120 r/min。

1）同液面不同转速试验（液面600 m，转速60 r/min、90 r/min、120 r/min），测试数据曲线如图4所示。

图4　单螺杆抽油泵井同液面不同转速试验曲线

数据分析：监控装置井下采集部分安装在螺杆泵出口处，深度为880 m。由图4的试验数据曲线可知，泵在相同液面深度不同转速工作时，X、Y、Z方向均有加速度的变化，其中X、Z方向加速度变化明显，随转速的升高而增大，且变化基本相同，而Y方向加速度变化很小。由于泵工作时，随转速的升高，泵出口井液离心力增加，使泵在横向振动明显增大。转速为120 r/min时的振动是60 r/min时的7倍左右，数据分析见表2。

图5　单螺杆抽油泵井同转速不同液面试验曲线

由图5试验数据曲线可知，泵在相同转速不同液面工作时，同样，X、Y、Z方向均有加速度的变化，但变化不是很明显，其中X、Z方向加速度随转速的升高而增大，且变化基本相同，而Y方向加速度变化很小。由于泵工作时，随动液面的加深，使泵的举升液体的压力上升，在横向振动增大。液面为800 m时的振动是300 m时的3倍左右，数据分析见表3。

3）安装油管扶正器试验（支撑卡瓦890 m,转速80 r/min，液面600 m）：在泵出口处安装油管扶正器并将支撑卡瓦上提至泵吸入口890 m,进行试验。测试数据曲线如图6所示。

图6　单螺杆抽油泵井安装油管扶正器试验曲线

数据分析：该条件与未安装扶正器和支撑卡瓦在910 m的试验数据相比可知：在相同的转速和液面条件下，安装油管扶正器并将支撑卡瓦上提至泵吸入口890 m时的振动情况明显降低，其中X、Z 2个方向加速度降低一半左右，Y方向基本无变化。数据分析如表4所示。

表3　单螺杆抽油泵井不同液面振动测试数据分析

表4　单螺杆抽油泵井安装扶正器前后振动测试数据分析

4　结论

通过以上现场试验说明：六参数实时监控装置可监测井筒沉没压力、泵出口压力、井筒温度、泵体在X、Y、Z 3个方向振动情况。通过此六参数监测，现场使用时具有如下作用：

1）对于柱塞抽油泵和潜油柱塞泵，通过监测Y轴方向振动情况，可明确启机和运转过程中，实际冲击力，为柔性控制程序设定，提供依据。

2）对于单螺杆抽油泵和潜油螺杆泵，通过监测泵体在X、Z方向振动情况，可明确泵体在工作中实际偏离中心情况，为配套油管扶正器、锚定工具及锚定方式提供参考，同时可考察锚定工具的效果。

3）通过沉没压力监测，为地面柔性控制柜实现闭环控制，使泵工作在合理沉没度下，达到供采平衡。通过监测泵出口压力，根据P=F/S可计算出无杆举升过程中，泵体实际举升力的大小。由公式△P=P泵出口-P油压可以计算实际工作压力及井筒压力损失，为后续调整工况参数提供依据。

参考文献：

[1]逄仁龙,迟进皓,余金泽,等.油井数据采集实时监控软件的研制及应用[J].中国石油和化工,2008(Z2)：47-49.

[2]卢俊强,鞠晓东,成向阳,等.高速高精度ADC在井下高温环境的应用研究[J].计算机测量与控制,2006,14(6):754-756.

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