潜油电泵井下流量计量系统

2023-02-24李维维

设备管理与维修 2023年2期

李维维，傅鹏，黄波

（渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

井下流量的计量是电泵一项非常重要的工作，目前基本上是通过对油管排出液进行计量，进而得到电泵的排量。如果出液不正常，就只能通过经验来判断，可能存在不确定性。如果井内的液体回注到套管而未回到地面，就不知道电泵的具体出液量，那么就无法知道电泵的运行状态。出液量的计量有利于分析电泵的运行状态，可根据出液量进行调节生产制度，保障电泵的长期运行，延长检泵周期，在异常状态下容易明确是泵的故障还是其他故障（如油管漏失、管线堵塞等）。为此，根据泵的性能曲线及现有的技术手段，拟合排量压力曲线、给出拟合方程，可以根据方程求解泵的瞬时排量、计量泵的井下流量。

1 电泵模型

正常电泵管柱上，在潜油电机的尾部加装一台井下传感器，传感器尾部加装扶正器，从传感器头部引出一根不锈钢管（图1）。在离心泵出口上安装引压接头，接头上方连接油管至井口。不锈钢管与引压接头相连，将泵出口的压力传到井下传感器。钢管上、下均要做好密封，密封压力大于40 MPa。通过井下通信模块，将传感器采集的压力、温度、振动、流量等参数信号通过电机尾部星点，电磁线、动力电缆传至地面，然后通过地面解调模块读出参数数据，进而进行数据操作与分析。

图1 电泵管柱

2 算例分析

2.1 泵性能曲线

国内生产的潜油电泵机组都遵循GB/T 16750—2015《潜油电泵机组》，出厂的时候都会进行泵性能测试，绘制泵性能曲线，也就是泵扬程、排量、泵效、轴功率曲线[1]。国标要求至少采集13 个点，即在不同排量下的压力、泵效、功率数据，来给定泵的有效高效区间，用以指导用户生产。图2 为50 Hz 工频运行的数据曲线，给定的高效区为40～150 m3/d。

图2 400 系列多级叶导轮泵性能曲线（50 Hz）

根据采液要求，目前很多油井采用变频生产的方式控制地产，因此对变频数据的采集、提高变频数据精度具有实际意义。

2.2 曲线的拟合

泵性能曲线，即是测出不同排量下的扬程、电流、轴功率等数据，用以判定电泵是否符合GB/T 16750—2015《潜油电泵机组》的要求。由于泵性能曲线是在地面完成的，测出的试验数据实际就是泵出口在不同排量下的压力数据。如果在油井井下端测出泵出口压力、吸入口压力，就可以近似得出在一定压力下的排量数据，实验井50 Hz 工频的排量压力曲线如图3 所示。

图3 泵的扬程—排量曲线（50 Hz）

2.2.1 工频实验数据拟合

用采集的13 点数据，取扬程、排量数据，根据其线性特征，用WPS、Office 或Matlab 拟合成一个二项式，使其更接近真实的数据。拟合的公式如下：

用测得的泵出口压力值与吸入口压力的差值，带入公式，即可得到相应的泵出口排量值。

2.2.2 变频实验数据拟合

依据变频排量公式[2]：

式中 x——工频扬程，MPa

x1——变频扬程，MPa

f——设定频率，Hz

y——工频排量，m3/d

y1——变频排量，m3/d

在给定f 下，测得泵出口压力与吸入口的压力差值x0（此时油管摩阻忽略不计），将x0带入，计算得到此时的排量值y0（y0可理解为工频下的排量），再通过变频公式计算得出此时瞬时排量y1。

实际上，采油厂更关心的是一天的产量，瞬时产量只是作为一个参考。如果要计算累计流量，直接对变频公式进行积分即可：

其中a、b 为时间段，可结合采油厂设置时间段设置起始点。

2.3 控制系统

（1）主线路由断路器、快熔、电抗器等组成，经由变频器、正弦滤波器、升压变压器作用于井下电机。辅助回路包括加热器与柜风机控制，工控机的供电及照明灯的开启。

（2）谐波控制。功率开关器件的导通瞬间会产生谐波电流。当开关器件以很高的频率通断时，将会产生脉冲电流，电机绕组绝缘将反复承受峰值很高的脉冲电流，如此长期下去将会加剧绝缘老化过程。输出谐波对电机的影响主要有：引起电机附加发热，导致电机的额外温升升高，由于输出波形失真，增加了电机的重复峰值电压，影响电机和电缆绝缘，谐波还会引起电机转矩脉动，使噪声增加。谐波电流流过电机定子、转子绕组时产生的附加损耗，该损耗将导致电机温升增加，同时将使得电机效率下降。为了抑制变频器输入、输出侧谐波对电网和电机的影响，延长机组的使用寿命，在变频器的设计选型方面，设置输入滤波器，将变频器输出的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）波形转变成驱动电动机的理想波形——正弦波。这样电缆上传输的是正弦波，与传统的电动机工作方式一样，无论电缆多长都不会产生过冲电压。

（3）宽频变压器。变压器位于变频器输出端，用于提升电压给井下电泵供电，需要配套宽频变压器。如果配套普通的电力变压器，其频率变化范围为50 Hz±10%，超出频率运行的情况下会出现磁饱和，导致变压器出现过热、提前老化。宽频变压器设计的磁密度小，频率适应范围为30～70 Hz，与潜油电泵生产运行的频率范围（30～60 Hz）一致，更贴合变频情况下的生产需要。

（4）控制系统。数据的采集通过井下传感器将井下数据，如泵入口压力、出口压力、电机温度、X 方向振动、Z 方向振动、泄漏电流等，通过地面调制解调装置剥离出来，与地面传感器将采集到的油压、套压、井口温度、流量等数据一起以信息帧格式发送给上位机。同理，进线出线电力表与地面流量计及阀门的数据发送给上位机，上位机通过对寄存器的读取与修改实现对气体流量、液体流量、阀门温度、阀门开度等参数的显示与控制。上位机作为控制系统的核心，以Modbus-RTU 通信协议与井下传感器控制器、进线与出线电力仪表、地面流量计与阀门进行数据交换，以Profinet 通信协议与1200CPU 进行数据交换。1200CPU 通过Modbus-RTU 通信与变频器进行数据交换，通过变频器的状态字获取当前电机的运行频率、出线电流电压等，通过更改控制字实现电机频率的给定，控制电机正反转，激活摆频功能等。

（5）智能调参。以采集的数据作为调参依据，实现智能自动化调参。不同的油井生产使用不同的控制方式。例如采用泵出口流量作为依据，流量低于设定限值，自动降低频率以恢复液量；流量超过限值，自动提频增加液量。也可采用泵入口压力设置限值，入口压力低于限值时自动降频，压力恢复自动升频，来寻求更合适的生产频率。

2.4 实际案列

在中石化某气田采用此种方式计量泵的出口流量，通过数据测算泵出口瞬时流量116 m3/d。该井为同井采注气井，也就是液体不出井口，直接进行回注，地面无法进行计量。但是在生产初期，需要排放一段时间井内的杂质，然后才开始回注，地面配有标准流量计（此时计量111 m3/d）。考虑到地层的吸收因素，精度<4.5%，满足现场使用需求。