一种抽油机井井下功图测试仪的研制与应用

张志坚，赵倩倩，颜井波

中国石油大庆油田有限责任公司第五采油厂(黑龙江大庆163513)

一种抽油机井井下功图测试仪的研制与应用

张志坚，赵倩倩，颜井波

中国石油大庆油田有限责任公司第五采油厂(黑龙江大庆163513)

有杆泵抽油系统是油气田开发中占主导地位的采油设备，而泵功图的确定对于判断油井的工作状态具有重要意义。针对常规光杆示功图受到制造质量以及砂、蜡、含水、稠油和油井见聚等因素的影响，不能准确的反映泵实际工作状况问题，提出了对井下泵功图测试仪的研制思路，并通过载荷、位移传感器及电路系统的设计，实现了对泵示功图的采集，试验现场应用表明:研制的泵功图测试仪实现了抽油机井下示功图的采集与解释，一次下井测功图150张以上，单张采点数100点以上。

测试仪;泵功图;载荷;位移;电路

目前，抽油机井泵况诊断常用地面诊断方法，即悬点载荷同悬点位移之间的关系曲线图，它直接反映的是光杆工作情况，因此又称为光杆示功图。抽油井的情况较为复杂，在生产过程中，深井泵由于受到制造质量以及砂、蜡、含水、稠油和油井见聚等因素的影响，和井下抽油泵的实际工作状况相比，有很大差别，给泵况诊断带来很大困难。

某油田开发进入高含水后期，截止到2007年底，抽油机井共有3 000余口，综合含水90%以上，随着含水的升高，杆管摩擦、液柱载荷、震动载荷等影响因素逐渐加大，通过几年来实测功图和检泵结果对比分析发现，抽油机井采用常规方法进行诊断，误差较大，准确率下降。为了搞清井下抽油泵的实际工作状况，提高抽油机井的诊断符合率，减少井下维护性工作量，开展了特高含水期抽油机井井下泵功图测试仪的研制，研制成功后实现了直接测得抽油泵井下实际工作状况的目标，为深井泵的诊断分析提供了可靠资料。

1 井下泵功图测试仪结构原理

井下泵功图测试仪由井下检测系统(包括载荷传感器、位移传感器、存储器、放大器、信号处理器、大容量锂电池、电磁互感系统以及各种开关芯片)、地面回放系统(包括数据处理程序、功图绘制程序、抽油机井泵功图仿真软件)组成。该技术主要原理是井下泵功图测试仪内安装载荷传感器和霍尔元件(位移传感器)，直接与抽油杆相连［1-3］，与井下泵功图测试仪对应的油管上安装交互式磁感应系统，抽油杆上下往复运动承受的载荷和产生的位移，分别由载荷、位移传感器测得，并将测得的数据经放大器与比较器处理后传至井下处理器，最终一一对应后存储到存储器中，绘出示功图并得到井下任意时刻泵的受力状况。整个系统框图如图1所示。

2 井下泵功图测试仪设计

2.1 载荷传感器设计

载荷传感器原理图如图2所示，在满足下井尺寸要求的前提下，根据测量载荷的最大值，选择适当的弹性体材料，在弹性体外表面上以合理方式粘贴应变片，构成电桥，再将电桥输出的电压信号经过适当处理后接至单片机［4］，最终达到对载荷信号记录的目的。

图1 井下泵功图测试仪系统框图

图2 井下泵功图测试仪载荷传感器

因为载荷最大值为60kN，则选择弹性范围为100kN的弹性材料构成弹性体，以保证在载荷测量范围内弹性体不发生塑性应变。

2.2 位移传感器设计

2.2.1 霍尔效应

将长×宽×厚为l×b×d的导体或半导体薄片置于均匀磁场B中，沿薄片长度方向l通入控制电流I时，将在宽度方向b上产生一个强度为EH横向电场，称作霍尔电场，相应的产生的电势UH为霍尔电势，这种现象为霍尔效应，其示意图如图3所示。产生的感应电动势为:

式中:kH为霍尔常数，m3/C;B为磁感应强度，KGs;I为霍尔元件中通过的电流值，A。

图3 霍尔效应示意图

当磁感应强度B变化时，感应电动势UH将随之发生变化，霍尔元件不在磁场之中时，则没有霍尔电动势产生。

位移传感器示意图如图4所示，其工作原理如下:

当铁磁材料以适当的距离放在磁场中，它能够改变磁场的分布，即铁磁材料能够吸引更多的磁力线通过霍尔元件，而非铁磁材料则不具备这一特性，当铁磁材料和非铁磁材料按所要求的距离间隔布置时，霍尔元件检测铁磁材料和非铁磁材料的位置，经处理后得到一系列方波脉冲，用计数器读取脉冲的个数便能得到霍尔的行程位移，累加可测量抽油杆的行程位移［5］。

图4 位移传感器示意图

2.2.2 处理器控制电路

处理器:MEGA16型单片机。

存储器:FLASH存储器，AT24C1024两片，共256Byte可以提供足够的存储空间，另外接口接线比较简单，提高了可靠性。

放大器:仪表放大器，INA114，尺寸小、精度高，只需一个外部电阻即可设置1至10 000之间的任意增益值。

D触发器:MAX9318，美信低能耗D触发器，用于判断抽油杆上下运动死点位置。

比较器:MAX9019，美信低能耗比较器，用于脉冲整形。

以及其他用于稳定电路的开关芯片。

2.3 电源系统设计

2.3.1 电池设计

为实现平均工作时间180d以上，选用大容量锂电池并采用多节电池并联以提高电源系统容量。

锂电池具有以下特点:①具有更高的重量能量比、体积能量比;②电压高，单节锂电池电压为3.7～4.2V，等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压;③自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性;④可以随意并联使用。

2.3.2 电路设计

为了节约电能，研制了相关的电源管理电路，在采集数据时，将载荷和位移传感器电源打开，其余时间将电源系统关闭，以此来延长设备的使用时间。

2.4 位移-载荷数据采集系统工作原理

在自制油管中点处安装外径76mm，内径68mm，高度10mm的标志环，且标志环中嵌入6块尺寸为10mm×5mm×3mm的高温磁铁，磁铁均为N极朝里，S极朝外。

经过测量霍尔传感器经过尼龙环时的输出电压为3.53V，经过钢环时输出电压为3.64V，二者差距较小，而当霍尔传感器经过该标志环时，输出电压急剧下降至2.5V以下，通过检测霍尔输出电压即可判断是否到达标志环。

判向算法:霍尔判向示意图如图5所示，假设当处理器开始采集数据时抽油杆正向下运动，当其第一次经过标志环时(即A点处)，处理器开始记录经过的钢环个数，并记录下相应的载荷值，如A1、A2、A3……Am-1、Am，第二次经过标志环时，则开始第二组计数，如B1、B2、B3……Bm-1、Bm，A、A……Am、……B1、B2、……B为上(或下)冲程，B、B…….An、……A1、A2、……A为下(或上)冲程。

图5 霍尔判向示意图

3 井下泵功图测试仪应用

A井上进行了井下泵功图测试仪地面和地下实验，井下泵功图测试仪下在距井口10m处，通过测试，地面测试仪测试数据为冲程3.63m，冲次5.14次/min，最大最小载荷分别为48.31kN和15.78kN;井下泵功图测试仪测试数据未冲程3.64m，冲次5.13次/min，最大最小载荷分别为48.10kN和16.41kN。

以上结果表明井下泵功图和地面功图测试结果符合较好，满足测试精度要求(图6、图7)。

图6 地面测试仪测试结果

图7 井下泵功图测试仪测试结果

4 结论及认识

1)泵功图测试仪能实现载荷、位移的监测及功图的绘制，比光杆示功图测试结果准确率高。

2)通过室内实验和现场试验表明，井下泵功图测试仪可以实现井下泵端载荷的直接录取，可实现一次下井测功图150张以上，单张采点数100点以上。

3)通过地下功图测试，可以得到不同深度抽油杆的受力状况，为悬点载荷变化规律分析和解决杆管偏磨提供依据。

［1］万仁溥.采油工程手册［M］.北京:石油工业出版社，2000.

［2］崔振华.有杆抽油泵［M］.北京:石油工业出版社，1994.

［3］王天柱，史建山，李丹.利用泵示功图的井口产液量计算［J］.中国西部科技，2012，11(5):21-23.

［4］余金泽，彭永刚，关成尧，等.“功图量油”技术的发展［J］.中国石油和化工，2009(4):51-54.

［5］刘顺华，刘军民，董星龙，等.电磁波屏蔽及吸波材料［M］.北京:化学工业出版社，2006.

Sucker rod pumping system is a main oil production equipment in oil fields，and its indicator diagram is very important to the judgment of the conditions of oil wells.The indicator diagrams of conventional polish rod pumping systems do not accurately reflect the actual work conditions of oil pumps because they are influenced by the manufacture quality of the polish rods and sand，wax，water and oil well polymer breakthrough.For this reason，a downwell indicator diagram tester is developed，and the accurate indicator diagram can be obtained using it.Field tests show that the downwell indicator diagram tester can gather above 150 diagrams，and the data points of each diagram are above 100.

tester;indicator diagram;load;displacement;circuit

学敏

2014-07-20

张志坚(1983-)，男，主要从事采油管理工作。