海上平台采油树抬升位移测量方法研究

张 颖，张 艺，陈 迪，何骁勇，刘 东

（1.中海油研究总院，北京100028；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300461）

蒸汽吞吐方法是目前稠油开采中最常用的方法之一。随着稠油井中高压干汽的注入，套管、水泥管及稠油地层全部被加热，使得套管及地层温度升高而发生热膨胀，产生了热应力，形成套管轴向伸长和径向形变，套管端部产生轴向位移，出现采油树抬升现象[1]。旅大5-2北、南堡等油田在热采注热期间，随着井内温度和压力的升高，均出现了采油树抬升的安全隐患[2]。

采油树抬升会影响油井正常生产寿命和产量，并导致生产管线、弯头出现形变，引起安全隐患，给井口操作及施工带来困难。严重时会出现管线断裂，引发安全事故[3]。因此，注汽采油树的抬升应限定在一定范围内，避免抬升过高。

目前采油树抬升位移测量主要采用定期巡检，人工测量的方法。该方法测量精度较低，且不能实时监测，无法及时处理安全隐患。为了保证采油树抬升位移测量的实时性，拟采用1套采油树抬升位移实时监测报警系统，系统结构如图1所示，对注汽采油树抬升位移进行实时测量监控，并将位移信号传入中控系统，在超出抬升范围时进行报警，及时采取相应措施，避免安全事故的发生。该系统中最为关键的环节即为位移测量，其准确度关系到整套系统的准确度。本文研究了目前较精准的位移测量方法，并进行了适用性分析，主要有电子式测位移法、磁致伸缩法、激光法、拉绳法和电涡流测位移法。

图1 采油树抬升位移实时监测报警系统结构示意

1 位移测量方法介绍

1.1 电子式测位移法

电子式测位移法主要有电阻式、电容式、电感式等。以电阻式为例，通过目标物带动滑片在可变电阻上移动来改变电阻大小，将直线机械位移量转化为电信号输出。电阻式测位移法原理如图2所示，传感器（可变电阻）滑轨连接直流电源U，滑片到固定端的电压Ui与滑片的位移Li成正比，如式（1）所示，因而可将位移的测量转换为电压的测量。电子式测位移法装置结构简单，价格便宜，适用于几毫米到几百毫米的位移测量。目前采用线性可变差动变压器的位移传感器精度较高，一般可达到0.05%～0.02%[4]。缺点是大多数产品无防爆认证，且使用电阻式测位移法要注意防止静电干扰和调频干扰。

式中：L——磁铁的位置。

图2 电阻式测位移法原理示意

1.2 磁致伸缩测位移法

磁致伸缩测位移法利用两个不同的磁场相交时产生一个应变脉冲信号，通过计算该信号被探测的时间周期，换算出活动磁铁的准确位置[5]。磁致伸缩测位移法原理如图3所示，这2个磁场一个来自激励信号发生电路产生激励脉冲，经放大电路后施加给导波丝而产生的一个围绕导波丝的旋转磁场，另一个来自活动磁铁产生的固定磁场。当2个磁场相交时，波导丝产生磁致伸缩现象，产生一个应变脉冲。应变脉冲沿导波丝向两边传播，当传到一端的阻尼器时，该脉冲信号被减弱吸收；当该脉冲传到导波丝另一端时，被感测电路探测到。通过时间测量电路测得激励脉冲和接受感应脉冲的时间间隔，乘以应变脉冲传播的速度，便能准确地计算出磁铁的位置L。由于该过程是连续不断的，每当活动磁铁被带动时，新的位置就会被很快地探测出来。活动磁铁可与导波丝有一定距离间隔，最长不超过20 c m。

在测量采油树抬升位移时，将活动磁铁固定在采油树上，采油树抬升带动活动磁铁上下移动，从而测量出采油树位移。由于海上平台湿气较大，且渤海海域冬季温度较低，为防止活动磁铁与导波杆结露导致活动磁铁移动受阻，可将活动磁铁与导波杆分开一定间隔测量。

图3 磁致伸缩测位移法原理示意

磁致伸缩测位移法环境适应性强，寿命长，具有高精度、高稳定性、高可靠性和高重复性等特点。

1.3 激光测位移法

激光测位移法利用激光技术进行测量，是一种新型的测量方式，能够精确、非接触测量被测物体的位置及位移变化。最常用的激光检测法为三角测量法[6]，它由激光发射器、激光接收检测器和处理器组成[7]，激光测位移法原理如图4所示。

激光发射器通过镜头将激光光束射向被测物体表面，激光经物体表面反射后，通过接收器镜头，被内部的激光接收器接收。被测物体位置不同，则接收器接收反射激光角度不同。数字信号处理器根据接收角度计算出传感器和被测物体之间的距离。

图4 激光测位移法原理示意

采取三角测量法的激光位移传感器复现性好，精度可达到±0.02%。分辨率高，线性度高，响应速度快，并且可适应恶劣环境。

1.4 拉绳式测位移法

拉绳式测位移法可以把拉绳的移动距离转换成电信号进行测量。拉绳式测位移法原理如图5所示，拉绳式位移传感器由可以拉伸的钢丝绳均匀缠绕在滚轮上，滚轮与旋转感应器连接在一起。滚轮旋转，带动感应器旋转，输出与拉绳移动距离成比例的电信号。测量时拉绳式传感器绳索一端固定在采油树的测量标块上，当采油树抬升时，绳索长度逐渐拉长，滚轮旋转带动感应器输出成比例的电信号，得出采油树抬升位移量[8]。

拉绳式位移传感器测量范围可达到50～10 000 mm，体积小，结构紧凑，测量精度高，并且价格便宜。

图5 拉绳测位移法原理示意

1.5 电涡流测位移法

电涡流测位移法能非接触测量被测金属导体距探头表面的距离和相对位移变化。测量主要依据法拉第电磁感应原理，如图6所示。电涡流位移传感器探头线圈中通入高频振荡电流时，产生交变磁场。当被测金属导体靠近该磁场时，导体内将产生感应电流。该感应电流同时会产生与探头线圈方向相反的交变磁场，反作用于探头线圈，使线圈电流的相位与幅度发生改变。当其他参数确定时，金属导体距探头距离的变化与线圈电流变化有对应关系。因此，通过测量探头线圈电流变化即可得出金属导体位移参数x[9]。

电涡流测位移法的可靠性、灵敏度、线性度、分辨率均较高，广泛用于电力、石油、化工、冶金等行业。但由于受到测量原理限制，量程一般较小，通常为几毫米到几十毫米。

图6 电涡流测位移法原理

2 测量方案比较

通常情况下，采油树随着温度抬升，位移在几毫米到几十厘米之间。位移过大，则会影响油井正常生产寿命和产量，并引起安全隐患。因此，采用的位移传感器要求测量范围能覆盖0～700 mm。由于位移测量位于井口区，属于1区危险区[10]，需满足相应的防爆及防护要求[11]。以上几种位移测量方法的比较见表1所列。

电涡流法测量精度高，但量程小，适合小量程精密测量，不满足采油树抬升位移测量范围要求。电阻法测量位移价格便宜，精度满足要求，但多数产品不满足防爆要求，而满足防爆要求的产品量程较小，一般不超过300 mm，且该方法测量过程存在摩擦，盐雾环境对产品绝缘和寿命会有一定影响，因而不推荐选用。磁致伸缩、激光和拉绳法量程、精度和防爆基本都满足要求，但激光法价格较高，因而推荐选用磁致伸缩法和拉绳法，激光法备选。

3 结 论

采油树位移实时监测报警系统能实时监测注汽采油树抬升位移，超出安全范围后可及时报警并采取措施，避免了安全事故的发生。根据目前对位移测量方法的研究，考虑量程、精度、防爆、防护等各方面要求，推荐选用磁致伸缩和拉绳法测量采油树抬升位移，激光测位移法备选。

表1 位移测量方法比较