潛油螺桿泵井下多參數智能監測技術研究與應用

韓 濤，韓岐清，周俊杰，金立川，馬曉燕，李華晶，孫 娉

（1.中國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）

電動潛油螺桿泵無桿采油技術經過近幾年的快速發展，通過理論研究與現場實踐的不斷優化完善，基本形成了較為成熟的工藝配套技術，已在大港、勝利、新疆、長慶等國內多個油田規模應用600 口井以上，大港油田針對井叢場大斜度井優化配套、高黏稠油電加熱井工藝替代、高濃度見聚短周期井舉升方式轉換等方面開展試驗應用，取得了“增油提效、降本降耗”的突出成效。但在生產運行過程中，存在對動液面監測誤差大、監測數據滯后以及稠油井無法測取動液面，不能有效指導工作參數調整，僅依靠運行電流的變化判斷生產工況并進行工作制度調整，遠未達到對機采工藝數字化升級、智能化轉型的技術配套要求[1]。

為實現對電動潛油螺桿泵運行工況的實時監測，形成信號反向控制功能，提升系統智能化配套水平，開發研制了井下多參數監測裝置，通過結構及電路設計優化，實現對井下泵入口壓力、溫度、X 軸方向振動、Y軸方向振動和Z 軸方向振動等多個參數的實時監測，并在現場成功應用210 口井，形成了恒動液面變轉速生產、低產液智能間抽、防干抽自動調參等多種反向控制模式，實現了電動潛油螺桿泵自診斷自調節智能化管控[2]，大幅度提升潛油螺桿泵智能化管理水平，并為大型叢式井采油平臺智能群控及無人值守提供了有力支撐。

1 井下多參數智能監測技術研究

1.1 整體系統設計

地面人造星點和井下電機的星點將潛油電纜的三根動力線UVW 組合成一根通信線，然后和鎧皮組成回路，構成了通信的物理通道[3]，實現方法（見圖1）。

圖1 系統原理圖

井下電路包含電源、MCU、時鐘、壓力傳感器、溫度傳感器、振動傳感器，井上電路包含電源、MCU、時鐘、顯示屏。井上電源功能一是為井上電路提供工作電壓，二是給井下提供80 V 直流電。MCU 采集壓力傳感器、溫度傳感器、振動傳感器的數值，轉化成含有數字量信息的電壓信號[4]，用電壓信號控制Q1 的開關，從而改變電路上電流大小，使電壓信號轉換成電流信號；井上電路通過采樣電阻將電流信號轉化成電壓信號，送給MCU 識別，通過預先約定的規則，識別電壓信號中的數字量信息，最終得到井下的壓力、溫度、振動的數值。井下電路處于高溫高壓工作環境，對結構承壓及耐溫要求較高[5]。

1.2 結構設計

監測系統密封于抗壓性特高的鋼制殼體中（見圖2），監測裝置供電通過電纜穿越插針[6]與潛油電機的星點連接并為井下提供穩定的直流電壓。配套設備主要包括壓力傳感器、溫度傳感器、振動傳感器、電源電路、MCU、時鐘等電路。

圖2 監測裝置結構與實物圖

監測參數主要包括：泵入口壓力、溫度、X 軸方向振動、Y 軸方向振動和Z 軸方向振動等。

1.3 電路設計

監測設備設計耐溫120 ℃，選擇內部元器件耐溫級均等于或高于125 ℃。

1.3.1 電源電路 電源轉換電路使用SEMTECH 的SC4812 芯片，芯片輸入在12～90 V，工作溫度在-40～150 ℃，頻率260 kHz?？蓾M足井下電路輸入80 V，輸出15 V[7]的工作需求。

1.3.2 井下泵入口壓力測量電路 井下泵入口壓力測量選用高溫壓力變送器，壓力測量范圍在0～40 MPa，信號輸出在4～20 mA[8]。

1.3.3 井下泵入口溫度測量電路 井下泵入口溫度測量采用PT100 鉑電阻[9]，電阻對溫度敏感性較好[10-11]，通過內置MCU 可實現-40～125 ℃的高精度測量。

1.3.4 井下振動測量電路 井下振動測量采用Analog Devices 公司生產的ADXL357，可同時測量XYZ 三軸的振動，最大可測振動±40.96 g，溫度范圍-40～125 ℃，采用2.25～3.6 V 單電源供電，內部集成AD 采樣電路，振動數據采用SPI 方式傳輸給MCU[12]，電路圖（見圖3）。

圖3 振動測量電氣原理圖

1.3.5 MCU MCU 選用Microchip Technology 生產的16 位芯片PIC24HJ128GP506A-I/MR，該芯片工作電壓在3.0～3.6 V，工作溫度在-40～150 ℃，含12 位ADC，可滿足精度和高溫環境要求[13]。

2 技術參數及適應條件

2.1 技術參數（見表1）

表1 井下多參數智能監測裝置技術參數

2.2 適應條件

下入深度：≤2 500 m；套管內徑：≥φ121.4 mm；適應大斜度井、水平井，泵掛處全角變化率：≤5°/30m；泵掛處井溫：≤120 ℃。

3 現場試驗應用

2018-2021 年現場累計應用210 口井，實現對潛油螺桿泵吸入口壓力、溫度、電機溫度以及機組振動的實時檢測，數據傳輸通訊頻率可達到1 次/5 秒。依托采集的泵入口壓力、溫度，結合運行電流、轉速以及油井產液量、含水、油套壓等生產參數，實現了對油井工況的實時診斷，并通過設定閾值，實現工作制度的自主調整，創新形成了恒動液面變轉速生產、低產液智能間抽等方向控制模式，電動潛油螺桿泵智能診斷、自主管控能力大幅度提升[14-15]。

西4-X1 井生產后期日產液低于3.2 m3，平均動液面不足120 m，通過沉沒壓力閾值設定在1.3～2.5 MPa，該井實現了在沉沒壓力達到2.5 MPa 時機組自動啟動生產，當沉沒壓力低于1.3 MPa 時，機組自動停機[16]。實現了間抽井無人值守，自主管控。

劉2-X 井投產后產液量短期內快速下降，動液面波動明顯，工作制度調整頻繁，依托井下多參數監測裝置，實時獲得沉沒壓力數據，采用設定沉沒壓力數據1.4 MPa 作為動液面恒定值，機組運行轉速以設定的動液面恒定值自動調整，實現非人工干預自動調整工作制度。

井下多參數智能監測技術的規模應用，使油田人工舉升智能化配套水平快速提升，同時大幅度減少人工巡井、人工調整工作制度等維護工作量，安全生產、高效管理的綜合優勢突出，也為電動潛油螺桿泵的工業化應用提供了有效的技術支持[17]。

4 結論

（1）圍繞電動潛油螺桿泵生產應用中面臨的技術需求，開發研制了井下多參數監測裝置，完成了裝置結構及各功能電路設計，實現了對泵入口壓力、溫度、X軸方向振動、Y 軸方向振動和Z 軸方向振動等多個參數的實時監測，并實現了規模應用。

（2）生產過程中針對不同井況，創新形成了恒動液面變轉速生產、低產液智能間抽、防干抽自動調參等多種反向控制模式，電動潛油螺桿泵工況自主診斷自主調節智能化控制水平大幅度提升。

（3）井下多參數智能監測技術依托井下潛油螺桿泵供電便利，實現了對井下數據的實時采集，并形成了閉環控制，快速促進了油田人工舉升智能化配套及智能管控水平，使得該項技術具有廣泛的應用及推廣前景。