龐妍

(大慶油田第四采油廠 第一油礦，黑龍江 大慶 163000)

20世紀(jì)80年代初，由于電力電子、測(cè)量通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電氣產(chǎn)品才開(kāi)始在石油人工舉升設(shè)備上得到配套使用。至今，電氣和儀表配套產(chǎn)品已成為人工舉升設(shè)備必不可少的重要組成部分。本文簡(jiǎn)要說(shuō)明了人工舉升地面變頻系統(tǒng)、井下傳感器、集中監(jiān)測(cè)等設(shè)備的核心技術(shù)及其對(duì)優(yōu)化舉升設(shè)備和油田開(kāi)采的重要性。

1 變頻技術(shù)

1.1 技術(shù)現(xiàn)狀

變頻器在石油人工舉升設(shè)備尤其是機(jī)械采油設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，其中在潛油電泵上的應(yīng)用最為典型，也最為復(fù)雜。由于早期變頻技術(shù)處于發(fā)展階段，變頻系統(tǒng)應(yīng)用成本昂貴，大部分機(jī)組只能采用定頻控制。隨著變頻技術(shù)的日漸成熟，變頻系統(tǒng)在潛油電泵上的應(yīng)用成本越來(lái)越低，現(xiàn)已成為潛油電泵的標(biāo)準(zhǔn)配套裝置。

目前應(yīng)用在潛油電泵地面變頻系統(tǒng)的電壓級(jí)別可分為低壓和中壓兩類。400 V低壓變頻器目前在國(guó)外市場(chǎng)仍占據(jù)主流地位，產(chǎn)品通常采用兩電平結(jié)構(gòu)，由于技術(shù)成熟，維修配件成本低廉，且可直接由發(fā)電機(jī)供電。低壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用示意

中壓變頻器一般采用三電平逆變結(jié)構(gòu)，對(duì)于一般中小功率且泵掛較淺的潛油電泵，不需要配置正弦波濾波器。中壓變頻器由于輸出電壓通過(guò)參數(shù)設(shè)置可滿足機(jī)組所需電壓，無(wú)需再配套變壓器。中壓變頻不但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且較低壓變頻相比還可以節(jié)省1臺(tái)濾波器和1臺(tái)變壓器的成本。中壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 中壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用示意

中壓變頻器應(yīng)用在電潛泵上除了成本低廉外，在技術(shù)方面也具有較好的優(yōu)勢(shì)，由于中壓變頻器逆變一般采用三電平或多電平結(jié)構(gòu)，三電平逆變輸出的波形相比于低壓兩電平輸出的波形更接近正弦波，而且電流畸變小，更適用于潛油電泵長(zhǎng)電纜的傳輸。中壓和低壓兩種逆變輸出電平的電壓波形對(duì)比如圖3所示。

圖3 低壓兩電平與中壓三電平逆變輸出電壓波形對(duì)比

1.2 核心技術(shù)

變頻器應(yīng)用在潛油電泵上雖然具有降低作業(yè)成本、延長(zhǎng)機(jī)組壽命的優(yōu)勢(shì)，但由于行業(yè)應(yīng)用的特殊性，也需要解決好以下幾方面的技術(shù)難題：

1)變頻器輸出側(cè)接長(zhǎng)電纜。目前使用的最長(zhǎng)電纜為5 km，一般電纜的長(zhǎng)度介于0.5～2 km。對(duì)于PWM變頻器，如此長(zhǎng)的電纜容易導(dǎo)致PWM波在長(zhǎng)電纜中造成反射，形成電壓疊加，如果不采取措施，會(huì)導(dǎo)致電纜和電機(jī)絕緣被擊穿。

針對(duì)擊穿問(wèn)題，變頻器應(yīng)選擇適合的逆變控制方式，通常有多電平PWM控制、PWM輸出加正弦波濾波控制等，以此保證變頻器輸出波不會(huì)對(duì)潛油電纜和電機(jī)造成絕緣和高頻加熱損害。

2)中壓變頻系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)諧波需滿足油田的限制要求。油田一般采用電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)2種供電方式，無(wú)論哪種方式，油田對(duì)變頻器產(chǎn)生的諧波污染控制比較嚴(yán)格，尤其是海外油田用戶要求變頻器輸入側(cè)的諧波電壓和電流必須滿足IEEE 519—1992 IEEERecommendedPracticesandRequirementsforHarmonicControlinElectricalPowerSystems中的5%標(biāo)準(zhǔn)值。

針對(duì)網(wǎng)側(cè)諧波抑制要求，由于潛油電泵相比于螺桿泵和抽油機(jī)配套的電機(jī)容量較大，產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)諧波污染更嚴(yán)重。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，潛油電泵驅(qū)動(dòng)裝置大部分會(huì)采用有源濾波器、無(wú)源濾波器或交流電抗器等。不同抑制措施在潛油電泵變頻中的諧波畸變率曲線對(duì)比如圖4所示。

圖4 6種諧波抑制方式隨機(jī)組頻率變化曲線

3)變頻器使用環(huán)境苛刻。油田的地理環(huán)境通常比較惡劣，多風(fēng)沙、灰塵，環(huán)境溫差大，用戶通常要求電泵機(jī)組變頻系統(tǒng)能夠在所有氣候條件下露天使用，防護(hù)等級(jí)應(yīng)達(dá)到IP56，工作環(huán)境溫度為-40～+55 ℃。因此，要解決變頻系統(tǒng)散熱與防護(hù)之間存在的矛盾，可采用獨(dú)特的柜體結(jié)構(gòu)，變頻器柜體一般設(shè)計(jì)有獨(dú)立的散熱風(fēng)道和進(jìn)出線接線盒，以此阻隔風(fēng)沙灰塵對(duì)電氣元器件的損害；在散熱方面，增大變頻器散熱片面積或采用獨(dú)特的熱管散熱，采用大風(fēng)量的軸流風(fēng)機(jī)，使變頻器即使在高達(dá)+55 ℃的環(huán)境溫度下，依然可以正常運(yùn)行。

4)地面驅(qū)動(dòng)輸入供電電源質(zhì)量差。油田供電電網(wǎng)一般為獨(dú)立電網(wǎng)，容量相對(duì)較小，易受大負(fù)載設(shè)備啟動(dòng)的沖擊，而且油田電網(wǎng)在防雷擊方面的保護(hù)措施較差，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致油田電網(wǎng)大面積癱瘓。因此，變頻器供電電源經(jīng)常會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，而用戶則要求變頻器具有較強(qiáng)的抗電網(wǎng)波動(dòng)能力，使機(jī)組能夠長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。

5)針對(duì)潛油電泵應(yīng)用所應(yīng)具備的特殊控制功能，在某些特殊應(yīng)用情況下，就需要采用恒電流控制或外部模擬量閉環(huán)控制。恒電流控制一般應(yīng)用于含氣量較高的油井，可有效防止機(jī)組因氣鎖而頻繁停機(jī)，延長(zhǎng)了機(jī)組連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間；外部模擬量閉環(huán)控制用于實(shí)現(xiàn)恒定動(dòng)液面控制，防止機(jī)組抽空。針對(duì)含砂井變頻機(jī)組啟動(dòng)困難問(wèn)題，利用變頻器正反轉(zhuǎn)沖擊啟動(dòng)功能使機(jī)組解卡，避免起井作業(yè)。

2 井下監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀

人工舉升設(shè)備井下監(jiān)測(cè)技術(shù)最早應(yīng)用于潛油電泵系統(tǒng)上，是為了監(jiān)測(cè)舉升設(shè)備井下部分的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，從最初只能監(jiān)測(cè)入口壓力和溫度到現(xiàn)在已經(jīng)可以測(cè)量多達(dá)十幾個(gè)參數(shù)，耐溫等級(jí)達(dá)到150 ℃，對(duì)判斷井下設(shè)備的運(yùn)行狀況起到了至關(guān)重要的作用。

井下監(jiān)測(cè)技術(shù)在潛油電泵系統(tǒng)上應(yīng)用最為廣泛，潛油電纜給井下機(jī)組供電的同時(shí)也提供了井下監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)傳輸通道。降低了監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用的成本，簡(jiǎn)化了作業(yè)流程。而螺桿泵和抽油機(jī)則需要采用單獨(dú)的信號(hào)電纜才能實(shí)現(xiàn)井下?tīng)顟B(tài)的監(jiān)測(cè)，增加了系統(tǒng)應(yīng)用成本，作業(yè)周期加長(zhǎng)，因此，應(yīng)用在螺桿泵和抽油機(jī)配套的井下監(jiān)測(cè)裝置規(guī)模較小。

潛油電泵配套的井下?tīng)顟B(tài)監(jiān)測(cè)裝置通常安裝多個(gè)傳感器，可以測(cè)量以下幾個(gè)重要參數(shù)：

1)系統(tǒng)漏電流。監(jiān)測(cè)潛油電泵整個(gè)系統(tǒng)絕緣狀況變化，用于保護(hù)電氣系統(tǒng)不受超高泵溫的影響、電機(jī)繞組絕緣材料不被破壞以及避免出現(xiàn)相對(duì)地短路故障。

2)出口壓力。保護(hù)潛油離心泵，防止地面油嘴長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉而出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象，同時(shí)通過(guò)出口壓力變化，也可判斷離心泵是否出現(xiàn)嚴(yán)重磨損等問(wèn)題。

3)入口壓力。保護(hù)離心泵，防止液面過(guò)低抽空、泵入口被堵塞引起的停泵以及氣鎖的影響。

4)入口溫度。保護(hù)離心泵免受井下高溫影響及其造成的機(jī)組過(guò)熱。

5)機(jī)組震動(dòng)。保護(hù)機(jī)組中的泵免受強(qiáng)震動(dòng)影響，及其井下密度高的雜質(zhì)對(duì)機(jī)組造成的不可逆的機(jī)械損害。

從以上監(jiān)測(cè)功能可以看出，潛油電泵配套井下監(jiān)測(cè)裝置相當(dāng)于機(jī)組井下部分的“示波器”，能夠?qū)崟r(shí)反映機(jī)組和油井狀態(tài)的變化，并作出預(yù)警指示，可供操作人員及時(shí)采取相應(yīng)措施避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.2 核心技術(shù)

井下監(jiān)測(cè)技術(shù)采用經(jīng)典的壓控電流源電路(VCCS)，將監(jiān)測(cè)到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電流信號(hào)，再利用直流電流信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸無(wú)衰減的特性，通過(guò)潛油動(dòng)力長(zhǎng)電纜將信號(hào)傳輸?shù)降孛嫔稀Ｆ浠驹砣鐖D5所示。

圖5 潛油電泵配套井下監(jiān)測(cè)裝置原理示意

井下監(jiān)測(cè)技術(shù)所涉及的核心技術(shù)包括以下幾方面：

1)電子元器件在高溫、高壓、強(qiáng)震等極其惡劣環(huán)境下的可靠性技術(shù)。井下監(jiān)測(cè)裝置安裝在潛油電泵機(jī)組的末端，所以對(duì)于電子器件可靠性要求非常高，隨著裝置耐溫等級(jí)的提高，部分元器件只能采用軍用或航天級(jí)，才能保證運(yùn)行壽命。

2)裝置的測(cè)量校準(zhǔn)技術(shù)。因監(jiān)測(cè)裝置安裝在機(jī)組最底部，隨著井下環(huán)境溫度、壓力和震動(dòng)的變化，部分器件會(huì)出現(xiàn)老化，測(cè)量值隨溫度出現(xiàn)漂移，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大影響，因此需要在井下或地面采取適當(dāng)?shù)男?zhǔn)措施，避免其產(chǎn)生嚴(yán)重的測(cè)量偏差。

3)電流信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸調(diào)制及抗變頻干擾技術(shù)。由于井下測(cè)量所產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)需要疊加到動(dòng)力電纜上傳輸?shù)降孛嬖俜蛛x，此時(shí)變頻器產(chǎn)生的PWM波中包含的高頻諧波，會(huì)對(duì)電流信號(hào)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的干擾，導(dǎo)致在地面上無(wú)法分離出有效信號(hào)。為解決該難題，通常對(duì)信號(hào)電流采取調(diào)制技術(shù)，常用的方法包括模擬電流環(huán)技術(shù)、低頻數(shù)字調(diào)制技術(shù)、電力線載波技術(shù)。目前最常用的技術(shù)為模擬電流環(huán)技術(shù)，其典型測(cè)量時(shí)序原理如圖6所示。

圖6 模擬電流環(huán)測(cè)量時(shí)序示意

模擬電流環(huán)技術(shù)成熟，傳輸可靠性好，但其最大的缺點(diǎn)是每個(gè)參數(shù)監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，而且無(wú)法針對(duì)某個(gè)信號(hào)進(jìn)行專門測(cè)量。目前低頻數(shù)字調(diào)制技術(shù)正在發(fā)展之中，由于采用數(shù)字技術(shù)，信號(hào)的抗干擾能力和傳輸靈活性得到了進(jìn)一步的提高。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

3.1 技術(shù)現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，打造數(shù)字油田、實(shí)現(xiàn)人工舉升設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控是各個(gè)石油公司的首要目標(biāo)。油井遠(yuǎn)程監(jiān)控便于集中管理，控制中心可根據(jù)用戶的實(shí)際需要測(cè)量顯示各種人工舉升設(shè)備的運(yùn)行工況、運(yùn)行狀態(tài)或故障現(xiàn)象，以方便管理人員對(duì)油井的管理。目前油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所具備的基本功能如下：

1)監(jiān)控系統(tǒng)能夠控制機(jī)采設(shè)備的啟停，同時(shí)避免設(shè)備的遠(yuǎn)程啟動(dòng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員造成傷害，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備具有設(shè)備自動(dòng)啟動(dòng)語(yǔ)音提示功能。

2)監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離檢測(cè)，其中包括： 位移、井下負(fù)荷、電機(jī)的各種電參數(shù)，如果配合各種井下傳感器還可測(cè)量油井井下的多項(xiàng)參數(shù)，包括井底壓力、井底溫度、泵出口壓力、震動(dòng)等。

3)監(jiān)控系統(tǒng)能夠顯示采油設(shè)備主控面板的各項(xiàng)參數(shù)，控制中心根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

4)監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示采油樹(shù)的數(shù)據(jù)： 油壓、管壓、油溫、液量，現(xiàn)場(chǎng)可根本井況自行配置安裝。

5)監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)油井的故障預(yù)警，即在設(shè)備運(yùn)行參數(shù)接近預(yù)警值時(shí)控制中心發(fā)出警報(bào)提醒管理人員根據(jù)需要采取預(yù)防措施，保證機(jī)采設(shè)備的安全運(yùn)行。

6)為了保證設(shè)備的安全運(yùn)行，防止偷油事故的發(fā)生，監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)還可配備照明、語(yǔ)音提示和云臺(tái)攝像頭監(jiān)控，操作人員可在監(jiān)控中心控制攝像頭旋轉(zhuǎn)，以觀察井場(chǎng)不同方位是否存在可疑情況。

為實(shí)現(xiàn)人工舉升設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，舉升設(shè)備自身需具備通信功能，以實(shí)現(xiàn)單個(gè)油井與監(jiān)控中心之間的雙向遠(yuǎn)程通信；遠(yuǎn)程通信方式一般分為有線和無(wú)線兩種，其中無(wú)線通信包括： 無(wú)線數(shù)字電臺(tái)、專用高速無(wú)線網(wǎng)橋、公網(wǎng)GPRS通信以及油田小靈通網(wǎng)絡(luò)；有線通信可采用光纖連接通信。隨著公用3G/4G乃至5G等高速網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，以及LOT，ZigBee等窄帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)出現(xiàn)了兩種狀態(tài)，一種是利用高速網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)傳輸圖像、視頻等大量數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)備可以觀察其運(yùn)行情況，但成本昂貴、服務(wù)器存儲(chǔ)空間需求大；另一種是利用物聯(lián)網(wǎng)窄帶網(wǎng)絡(luò)，只傳輸與設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù)，最大限度地實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離傳輸，不斷降低監(jiān)控系統(tǒng)的成本，但傳輸數(shù)據(jù)量較小，實(shí)時(shí)性稍差。

3.2 核心技術(shù)

人工舉升監(jiān)控系統(tǒng)終端及通信相關(guān)產(chǎn)品目前已基本成熟，且隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，一些硬件技術(shù)已不再成為瓶頸。而系統(tǒng)的核心技術(shù)在于后臺(tái)監(jiān)控軟件對(duì)各項(xiàng)結(jié)果的智能分析和處理，結(jié)合采用油井模擬技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得出最終結(jié)論，并通過(guò)控制中心將信息反饋到油井現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程生產(chǎn)遙控及油井產(chǎn)量的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

油田人工舉升設(shè)備隨著相關(guān)工業(yè)技術(shù)的升級(jí)發(fā)展，各種技術(shù)將逐步實(shí)現(xiàn)高度融合，不斷提升人工舉升設(shè)備的智能化和數(shù)字化，對(duì)提高油井經(jīng)濟(jì)效益，提升油田生產(chǎn)效率，降低人力成本必將起到關(guān)鍵作用。