潜油螺杆泵井下多参数智能监测技术研究与应用

韩 涛，韩岐清，周俊杰，金立川，马晓燕，李华晶，孙 娉

（1.中国石油大港油田分公司，天津 300280；2.杭州乾景科技有限公司，浙江杭州 310000）

电动潜油螺杆泵无杆采油技术经过近几年的快速发展，通过理论研究与现场实践的不断优化完善，基本形成了较为成熟的工艺配套技术，已在大港、胜利、新疆、长庆等国内多个油田规模应用600 口井以上，大港油田针对井丛场大斜度井优化配套、高黏稠油电加热井工艺替代、高浓度见聚短周期井举升方式转换等方面开展试验应用，取得了“增油提效、降本降耗”的突出成效。但在生产运行过程中，存在对动液面监测误差大、监测数据滞后以及稠油井无法测取动液面，不能有效指导工作参数调整，仅依靠运行电流的变化判断生产工况并进行工作制度调整，远未达到对机采工艺数字化升级、智能化转型的技术配套要求[1]。

为实现对电动潜油螺杆泵运行工况的实时监测，形成信号反向控制功能，提升系统智能化配套水平，开发研制了井下多参数监测装置，通过结构及电路设计优化，实现对井下泵入口压力、温度、X 轴方向振动、Y轴方向振动和Z 轴方向振动等多个参数的实时监测，并在现场成功应用210 口井，形成了恒动液面变转速生产、低产液智能间抽、防干抽自动调参等多种反向控制模式，实现了电动潜油螺杆泵自诊断自调节智能化管控[2]，大幅度提升潜油螺杆泵智能化管理水平，并为大型丛式井采油平台智能群控及无人值守提供了有力支撑。

1 井下多参数智能监测技术研究

1.1 整体系统设计

地面人造星点和井下电机的星点将潜油电缆的三根动力线UVW 组合成一根通信线，然后和铠皮组成回路，构成了通信的物理通道[3]，实现方法（见图1）。

图1 系统原理图

井下电路包含电源、MCU、时钟、压力传感器、温度传感器、振动传感器，井上电路包含电源、MCU、时钟、显示屏。井上电源功能一是为井上电路提供工作电压，二是给井下提供80 V 直流电。MCU 采集压力传感器、温度传感器、振动传感器的数值，转化成含有数字量信息的电压信号[4]，用电压信号控制Q1 的开关，从而改变电路上电流大小，使电压信号转换成电流信号；井上电路通过采样电阻将电流信号转化成电压信号，送给MCU 识别，通过预先约定的规则，识别电压信号中的数字量信息，最终得到井下的压力、温度、振动的数值。井下电路处于高温高压工作环境，对结构承压及耐温要求较高[5]。

1.2 结构设计

监测系统密封于抗压性特高的钢制壳体中（见图2），监测装置供电通过电缆穿越插针[6]与潜油电机的星点连接并为井下提供稳定的直流电压。配套设备主要包括压力传感器、温度传感器、振动传感器、电源电路、MCU、时钟等电路。

图2 监测装置结构与实物图

监测参数主要包括：泵入口压力、温度、X 轴方向振动、Y 轴方向振动和Z 轴方向振动等。

1.3 电路设计

监测设备设计耐温120 ℃，选择内部元器件耐温级均等于或高于125 ℃。

1.3.1 电源电路 电源转换电路使用SEMTECH 的SC4812 芯片，芯片输入在12～90 V，工作温度在-40～150 ℃，频率260 kHz。可满足井下电路输入80 V，输出15 V[7]的工作需求。

1.3.2 井下泵入口压力测量电路 井下泵入口压力测量选用高温压力变送器，压力测量范围在0～40 MPa，信号输出在4～20 mA[8]。

1.3.3 井下泵入口温度测量电路 井下泵入口温度测量采用PT100 铂电阻[9]，电阻对温度敏感性较好[10-11]，通过内置MCU 可实现-40～125 ℃的高精度测量。

1.3.4 井下振动测量电路 井下振动测量采用Analog Devices 公司生产的ADXL357，可同时测量XYZ 三轴的振动，最大可测振动±40.96 g，温度范围-40～125 ℃，采用2.25～3.6 V 单电源供电，内部集成AD 采样电路，振动数据采用SPI 方式传输给MCU[12]，电路图（见图3）。

图3 振动测量电气原理图

1.3.5 MCU MCU 选用Microchip Technology 生产的16 位芯片PIC24HJ128GP506A-I/MR，该芯片工作电压在3.0～3.6 V，工作温度在-40～150 ℃，含12 位ADC，可满足精度和高温环境要求[13]。

2 技术参数及适应条件

2.1 技术参数（见表1）

表1 井下多参数智能监测装置技术参数

2.2 适应条件

下入深度：≤2 500 m；套管内径：≥φ121.4 mm；适应大斜度井、水平井，泵挂处全角变化率：≤5°/30m；泵挂处井温：≤120 ℃。

3 现场试验应用

2018-2021 年现场累计应用210 口井，实现对潜油螺杆泵吸入口压力、温度、电机温度以及机组振动的实时检测，数据传输通讯频率可达到1 次/5 秒。依托采集的泵入口压力、温度，结合运行电流、转速以及油井产液量、含水、油套压等生产参数，实现了对油井工况的实时诊断，并通过设定阈值，实现工作制度的自主调整，创新形成了恒动液面变转速生产、低产液智能间抽等方向控制模式，电动潜油螺杆泵智能诊断、自主管控能力大幅度提升[14-15]。

西4-X1 井生产后期日产液低于3.2 m3，平均动液面不足120 m，通过沉没压力阈值设定在1.3～2.5 MPa，该井实现了在沉没压力达到2.5 MPa 时机组自动启动生产，当沉没压力低于1.3 MPa 时，机组自动停机[16]。实现了间抽井无人值守，自主管控。

刘2-X 井投产后产液量短期内快速下降，动液面波动明显，工作制度调整频繁，依托井下多参数监测装置，实时获得沉没压力数据，采用设定沉没压力数据1.4 MPa 作为动液面恒定值，机组运行转速以设定的动液面恒定值自动调整，实现非人工干预自动调整工作制度。

井下多参数智能监测技术的规模应用，使油田人工举升智能化配套水平快速提升，同时大幅度减少人工巡井、人工调整工作制度等维护工作量，安全生产、高效管理的综合优势突出，也为电动潜油螺杆泵的工业化应用提供了有效的技术支持[17]。

4 结论

（1）围绕电动潜油螺杆泵生产应用中面临的技术需求，开发研制了井下多参数监测装置，完成了装置结构及各功能电路设计，实现了对泵入口压力、温度、X轴方向振动、Y 轴方向振动和Z 轴方向振动等多个参数的实时监测，并实现了规模应用。

（2）生产过程中针对不同井况，创新形成了恒动液面变转速生产、低产液智能间抽、防干抽自动调参等多种反向控制模式，电动潜油螺杆泵工况自主诊断自主调节智能化控制水平大幅度提升。

（3）井下多参数智能监测技术依托井下潜油螺杆泵供电便利，实现了对井下数据的实时采集，并形成了闭环控制，快速促进了油田人工举升智能化配套及智能管控水平，使得该项技术具有广泛的应用及推广前景。