CN104141478A - 一种三元复合驱采出井结垢卡泵监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三元复合驱采出井结垢卡泵监测系统，该系统能够监测电机运行参数和悬绳器异常分离的装置，建立单井结垢周期模型，通过对电机运行参数和抽油杆异常抖动、分离参数的监测，通过电流检测模块、智能检测控制器、电流分析模块、数据存储传输模块、设限报警分析、报警信号中转发射机(一次发射电路)，变压器平台上的远传发射机所够成的监测系统，实现短期报警、中期预警和长期预测的功能，结构合理、可靠，同时也解决了三元复合驱过程中机采井卡泵的问题。

Description

一种三元复合驱采出井结垢卡泵监测系统

技术领域

本发明涉及一种卡泵检测技术领域，特别涉及一种三元复合驱对出井结垢卡泵的监测系统。

背景技术

三元复合驱，即利用聚合物、表面活性剂、碱的协同作用提高水驱效率的三次采油手段，是近年维持原油采收率的重要手段之一，具有多种优势，越来越受到人们的重视。然而，由于三元复合驱中碱(NaOH)的使用会引起地层黏土分散和运移,导致地层渗透率下降。碱也会与油层流体及岩石矿物，如高岭石、长石、蒙脱石等发生反应，使所含的硅、铝等元素从固相转入地层水中。随着液体的不断采出及所处环境的不断变化，在近井地带、井筒、管路等处形成含沙的沉积碱垢，对地层造成伤害，严重降低产量并影响油井正常生产。随着生产的不断推进，三元复合驱区块三元体系见效后,采出井的井筒及近井地带产生严重垢堵，这通常会导致抽油机井频繁卡泵、螺杆泵井频繁断杆，造成检泵周期短，开井率(即采油井开井数与采油井总井数之比)大幅度下降，而且卡泵情况还呈现快速上升和扩大趋势，进而影响油井的正常生产作业及综合经济效益。

对于抽油机井的结垢卡泵预防及解决目前国内外已经取得了一些成果，对结垢机理及规律的认识已经有了足够的认识。人们通常所接受的结垢对卡泵的影响主要有以下三种，即抽吸卡泵、停机卡泵和热洗卡泵。针对这些技术难题，科技人员研发出了化学防垢技术(如将液体防垢剂下入井中)、长柱塞短泵筒防垢泵、物理防垢、小过盈螺杆泵等方法，有效延长了检泵周期。然而每种方法都有自身存在的一些缺点，如化学方法存在随作业一次性下井的材料量受限、对厚度大、强度高的垢难以清除、清垢后的废液清理不净易卡泵、污染环境等问题，长柱塞在工作行程中未入柱塞部分易结垢等。因此，最理想的解决办法就是能够提前预测结垢卡泵的发生，掌握结垢卡泵的规律，实时调整措施，及时补救。

针对以上的讨论，我们可以看到能够掌握卡泵规律、提前预测就能够有效地减少卡泵发生的几率和清泵次数，并实时地指导调整热洗或加药周期，确保泵况稳定。鉴于此，本专利设计了一个能够监测电机运行参数和悬绳器异常分离的装置，建立单井结垢周期模型，进行卡泵长期预测、中期预警及短期报警技术，对提高三元复合驱运行效能及延长检泵周期具有重要意义。

发明内容

本专利旨在对三元复合驱过程中采出井结垢卡泵提出预防措施，通过监测电机运行参数(如电压、电流)和悬绳器异常分离信号来摸索卡泵周期规律，实现卡泵前报警、建立单井动态数据库，并指导调整热洗或加药周期，确保泵况稳定。

为实现三元复合驱体系生产井结垢卡泵防控，需要采取三种防控方式，即(1)长期预测，(2)中期预警和(3)短期报警。三种防控方式目的是：

(1)长期预测：通过对抽油机长期运行电流连续自动采集的办法，建立连续监测数据库，通过分析设备运行电流与井下负载和结垢卡泵形成的过程，摸索卡泵周期规律，建立单井动态数据库，并指导调整热洗或加药周期，确保泵况稳定；

(2)中期预警：通过抽油机运行异常电流参数分析监测以及各种原因的停机监测，防止停机时间过长而造成的卡泵情况；

(3)短期报警：建立抽油杆异常分离和抖动的同步监测，实现卡泵前报警。

其中：

抽油杆异常分析检测信号：该信号来源于抽油杆前端传感器，对于抽油杆出现卡泵、抖动等异常现象进行传输信号。

计次逻辑分析电路：当传感器每检测一次异常信号后，该分析电路进行正常加1计数。

电流异常采集电路：对电机工作时的异常(比如电流或电压突然变大)，进行采集。

电流异常数据分析模型电路：对来自电流异常采集电路中的电流进行分析，如果超过设限制会进行报警，形成第二路报警信号。

异常停机等直观故障信号：由于卡泵或其他原因而导致电机突然停止工作，通过智能检测器的监测而形成第三路报警信号。

报警信号中转发射机：对来自设限报警分析模块的输出的报警信号经过短程传输至无线远程传输发射机上。

无线远程传输发射机：远程发射机位于变压器平台上，接收来自中转发射机的信号，并将报警信号传输至远处值班室，通知后线值班人员去现场落实处理问题。

无线远程报警接收机：接收来自无线远程传输发射机发来的报警信号，并通过发出警报声音的手段来提醒值班人员进行现场处理。

数据存储电路：对形成异常电流信号的数据，按照时间轴进行存储。

蓝牙测控采集器：通过该采集器对异常信号进行采集，该采集器主要为电流异常采集电路服务。

为达到上述报警、预警、预测的目的，其工作流程为抽油杆异常分离检测信号传输至计次逻辑分析电路，并由智能检测控制器采集，形成第一路报警信号。电流信号采集电路通过电流异常数据分析模型电路筛选，并由智能检测控制器采集，形成第二路报警信号；智能检测控制器对异常停机等直观故障信号的检测形成第三路报警信号。上述三路报警信号形成无差别报警，通过报警信号中转发射机传输至位于变压器平台无线远程传输发射机，并由无线远程报警接收机(该接收机位于值班室)接收处理。电流采集电路通过数据存储电路将电流信号按照时间轴记录，并形成定时的数据包存储；通过蓝牙测控采集器采集存储数据包并转移至PC机内；通过建立数据库和分析软件进行数据分析并形成区域或单井结垢周期模型。

该监测系统由位于抽油机前端井口上方安装的悬绳器/抽油杆分离检测传感器、抽油机配电箱内的代保护器(电流检测系统)、智能检测控制器、电流分析系统、数据存储传输部分、设限报警分析、报警信号中转发射机(一次发射电路)，变压器平台上的无线远程传输发射机等构成。

各部分的工作原理如下：

(1)  电流监测/分析模块：安装在抽油机配电箱内，直接监测分析电机运行的电流数据，同时具备电机保护器等功能；支持无线数据传输，提供电流数据整理记录和传输；根据可编程控制器指令，任意修改设置报警信号过滤检测条件；可将相关数据以及停机参数提供给检测控制器，提供中期预警分析，该模块根据可编程控制器指令来控制预警条件。

(2)  悬绳器/抽油杆异步监测传感器：根据二者之间出现的异常分离情况确定即将出现的结垢卡泵情况，并发出远程报警，通知人员紧急采取措施处置。传感器的保护壳体焊接在悬绳器侧翼上，传感器检测端向上且与悬绳器上沿平齐，在抽油杆上吊卡对应位置处有长度保留余量的金属条，与传感器检测端水平靠近，用于监测二者的分离情况，以确定出现卡泵前的负载脱离。

(3)  智能检测控制器：采用可编程控制器构架，功能包括：

1)悬绳器/抽油杆异步监测数据分析和报警；

2)电流数据有条件计数整理分析；

3)停机情况分析智能判断并控制自启、故障情况报警和记录。

智能监测控制箱的作用是通过连接抽油杆异常分离检测传感器和抽油机测控采集系统，并取得报警信号分析确认后，通过一次无线报警传输线路报警给两次远程中转发射机，两次远程中转发射机发送报警信号给后线报警接收机，通知后线值班人员去现场落实处理问题。

智能检测控制器，通过预先设定好各种情况下的预警条件来进行检测。

(4)  接警模块：建立接收主机对单井达到报警条件的报警信息进行接收报警，含报警信息或数据，该模块为信号接收系统。

(5)  数据存储传输模块：用于现场电流数据遥测及非接触式无线提取，使用手持蓝牙提取电流监测数据并将数据保存在手持蓝牙测控采集器内，实现无线数据井场近程交换功能，将接警系统的信号进行存储并传至设限报警分析模块。

(6)  设限报警分析模块：对来自数据存储传输模块的数据按照预先设定好的报警程序条件进行筛选，将达到报警条件的信号传至报警信号中转发射机。

(7)  数据分析模块：将手持蓝牙测控采集器采集的单井电流数据转移至PC机，建立区域或单井历史数据库，电流数据采集全过程均由数字设备自动采集，避免人为因素影响，提高资料准确度。根据数据库动态数据建立电流曲线分析系统，结合生产稳定状态、检泵作业后、正常洗井周期、卡泵多发井、各类实施防垢、除垢措施阶段井等事件的时间轴为过程，分析卡泵形成过程及电流变化情况，找出规律并根据软件分析结果调整热洗和其它措施周期，确定和预防卡泵的发生，该分析模块全程由PC机进行操作。

3、发明的有益效果

本方案最大的特点是通过对电机运行参数和抽油杆异常抖动、分离参数的监测，通过电流检测系统、智能检测控制器、电流分析系统、数据存储传输部分、设限报警分析、报警信号中转发射机(一次发射电路)，变压器平台上的无线远程传输发射机所够成的监测系统，实现短期报警、中期预警和长期预测的功能，结构合理、可靠，同时也解决了三元复合驱过程中机采井卡泵的问题。该检测装置具备极大的应用空间，目前已经于大庆油田完成了20口井的安装试验，并结合三元体系实施效果的评价，取得了可靠的实际效果，检泵周期平均延长150天。

1、实现三级结垢卡泵预警体制(晚期报警、中期控制和早期预测)：

(1)通过监测悬绳器和抽油杆之间不同步信号获得卡泵短期报警，实施卡前应急处置；

(2)通过对电流异常或各类故障停机状态监测分析报警转人工干预处理等方式实现中期预警控制；

(3)通过采集并分析电流历史数据，建立早期结垢阶段预警模式，通过调整日常单井热洗周期和相应除垢措施来延长检泵周期。

卡泵预警技术措施的研究能够解决特殊体系下卡泵预防问题，对提高三元复合驱运行效能具有重要意义，同时为今后大规模工业化开发获取可推广的技术和措施参考。

2、能够实现检测技术的后续发展。设置报警检测条件可根据需要调整：

(1)对抽油杆分离检测的设置条件，剔除偶然分离现象或根据时间冲次设置累计检测报警等；

(2)对设备运行电流设置异常上限瞬时电流计次报警，单位时间内发生若干次，即视为井下泵阻异常实施报警；

(3)可做适当修改后监测螺杆泵运行；

(4)实现对其它新增的检测技术、设备和要求进行匹配的能力；

3、解决大量常规应用技术问题：

(1)建立连续单井数据采集模式；

(2)采用新的多功能合一的智能保护器及控制线路接线方式，适用多种结构的配电箱和电机，由于取消了交流接触器辅助触点自锁接线方式，大量简化配电线路，使故障检修时间大幅缩短；

(3)解决抽油机设备上的传输电缆安装问题：

a)  使用耐冻耐折的多芯塑胶线用于线路传输；

b)  检测电缆与钢丝绳连接采用安全型的半周卡子，钢丝绳打扭或事故脱落时，半周卡子可自行串动或脱落，避免检测电缆损坏。

c)  检测电缆跨越中轴的保护措施：在遇到卡泵及抽油杆上顶的情况时，检测电缆具备应力自脱落措施。具体办法是驴头顶部的电缆连接区加应力自脱落插头，外部套热缩管密封防水，电缆牵拉力度达到一定值时，热缩管破裂插头即实现分离。

附图说明

图1三元复合驱采出井结垢卡泵监测系统的三种防控方式

图2三元复合驱采出井结垢卡泵监测系统功能示意图

图3单井设备检测点分布结构图

图4电流监测/分析系统监测原理图

图5传感器安装结构

图6悬绳器/抽油杆异步监测系统原理图

图7安全型半周自脱落卡子结构图

图8智能检测控制器控制原理图

图9三元复合驱采出井结垢卡泵监测系统结构图

具体实施方式

为实现三元复合驱体系生产井结垢卡泵防控，需要采取三种防控方式，即(1)长期预测，(2)中期预警和(3)短期报警(见附图1)。三种防控方式目的是：

(1)长期预测：通过对抽油机长期运行电流连续自动采集的办法，建立连续监测数据库，通过分析设备运行电流与井下负载和结垢卡泵形成的过程，摸索卡泵周期规律，建立单井动态数据库，并指导调整热洗或加药周期，确保泵况稳定；

(2)中期预警：通过抽油机运行异常电流参数分析监测以及各种原因的停机监测，防止停机时间过长而造成的卡泵情况；

(3)短期报警：建立抽油杆异常分离和抖动的同步监测，实现卡泵前报警。

该监测系统由位于抽油机前端井口上方安装的悬绳器/抽油杆分离检测传感器、抽油机配电箱内的代保护器(电流检测系统)、智能检测控制器、电流分析系统、数据存储传输部分、设限报警分析、报警信号中转发射机(一次发射电路)，变压器平台上的远传发射机等构成。

为达到上述目的，监测装置设计要求具备功能见附图2。抽油杆异常分离检测信号传输至计次逻辑分析电路形成第一路报警信号。电流信号采集电路通过电流异常数据分析模型电路筛选形成第二路报警信号；异常停机等直观故障信号形成第三路报警信号。上述三路报警信号形成无差别报警，通过一次无线报警信号发射电路传输至位于变压器平台的二次无线远程传输发射机，并由远程无线报警接收机接收处理。电流采集电路通过数据存储电路将电流信号按照时间轴记录，并形成定时的数据包存储；通过蓝牙测控采集器采集存储数据包并转移至PC机内；通过建立数据库和分析软件进行数据分析并形成区域或单井结垢周期模型。

单井设备检测点分布结构图见附图3。系统由位于抽油机前端的井口上方安装的悬绳器/抽油杆分离检测传感器、抽油机配电箱内的代保护器(电流检测系统)、智能检测控制器、电流分析系统、数据存储传输部分、设限报警分析、报警信号中转发射机(一次发射电路)，变压器平台上的远传发射机等构成。各部分的工作原理如下：

(1)电流监测/分析部分：安装在抽油机配电箱内，直接监测分析运行电流数据，同时具备电机保护器等功能；支持无线数据传输，提供电流数据整理记录和传输；根据可编程控制器指令，任意修改设置报警信号过滤检测条件；可将相关数据以及停机参数提供给检测控制器，提供中期预警分析。

系统监测原理见附图4。电机保护器通过串联在电缆导线外的闭合线圈获得比例电流检测，实施正常的运行监测保护，同时提供三相电流数据给测控系统监测电路，监测系统根据预设预警电流上限值和报警条件，对超限电流峰值自动跟踪和计数。例如，在20分钟内超过保护器保护电流120％峰值电流，并且累积3次，视为负载异常，实施报警。此部分分析电路采用可擦写存储芯片保存设置条件和监测程序，并且可根据需要进行临时修改条件。

(2)悬绳器/抽油杆异步监测传感器：根据二者之间出现的异常分离情况确定即将出现的结垢卡泵情况，并发出远程报警，通知人员紧急采取措施处置。传感器安装结构见附图5。传感器的保护壳体焊接在悬绳器侧翼上，传感器检测端向上且与悬绳器上沿平齐，在抽油杆上吊卡对应位置处有长度保留余量的金属条，与传感器检测端水平靠近，用于监测二者的分离情况，以确定出现卡泵前的负载脱离。

系统原理图见附图6。构成前端分离检测的传感器为感应式接近开关。由检测元件、检波单元、放大单元、整型单元和输出单元等组成。这种传感器内部安装的检测元件是由检测线圈和高频振荡器组成。加电后检测线圈产生一个交变的电磁场，当金属物体接近电磁场时，金属表面的磁通密度发生变化而产生感应电流——涡流，涡流产生的磁通总是与检测线圈的磁通方向相反。由于涡流的作用，使检测线圈能耗增加，品质系数下降，振幅降低，以至振荡器停振。反之，当金属物件远离这个作用区时，振荡器又开始振荡。检测电路检测到振幅器的状态变化后，转换为一个开关量讯号。在传统的接近开关构造基础上，我们在其利用环氧树脂灌封的内部加装了电阻加热电路。其目的是提高系统的低温工作可靠性，1/2W加热电阻与热敏电阻配套，在环境温度低于-5℃时，电阻通电加热，提高传感器内的温度，温度升至15℃时，热敏电阻阻抗加大，加热电路停止工作。由于传感器本身的环境温度下限为-25℃，采用此加热电路后，可确保其应用环境温度下限提高到-35℃—-40℃以上，解决了在寒带地区冬季室外工作的稳定性，且节约能源。

由于传感器安装在抽油机前端的动态区域及悬绳器和抽油杆吊卡之间，且传输电缆安装与悬绳器钢缆并列，钢缆经常会发生应力扭转情况，会将信号传输电缆挤坏，钢缆内侧与抽油机驴头有会发生往复接触，不能安装连接附件。我们采用如图7所示的安全型半周自脱落卡子解决此问题。检测电缆与钢丝绳之间采用半周卡子，钢丝绳一旦发生扭转或事故脱落时，半周卡子可自行串动或脱落，避免检测电缆损坏。

(3)智能检测控制器：采用可编程控制器构架，功能包括：

悬绳器/抽油杆异步监测数据分析和报警；

电流数据有条件计数整理分析；

停机情况分析智能判断并控制自启、故障情况报警和记录。

检测流程见附图8。智能监测控制箱的作用是通过连接抽油杆异常分离检测传感器和抽油机测控采集系统，并取得报警信号分析确认后，通过一次无线报警传输线路报警给两次远程中转发射机，两次远程中转发射机发送报警信号给后线报警接收机，通知后线值班人员去现场落实处理问题。

(4)现场电流数据遥测及非接触式无线提取：无线数据井场近程交换功能，使用手持蓝牙提取电流监测数据(含历史数据和即时数据等)并将数据保存在手持蓝牙测控采集器内。

(5)接警系统：建立接收主机对单井达到报警条件的报警信息进行接收报警，含报警信息或数据。

(6)数据分析系统：将手持蓝牙测控采集器采集的单井电流数据转移至PC机，建立区域或单井历史数据库，电流数据采集全过程均由数字设备自动采集，避免人为因素影响，提高资料准确度。根据数据库动态数据建立电流曲线分析系统，结合生产稳定状态、检泵作业后、正常洗井周期、卡泵多发井、各类实施防垢、除垢措施阶段井等事件的时间轴为过程，分析卡泵形成过程及电流变化情况，找出规律并根据软件分析结果调整热洗和其它措施周期，确定和预防卡泵的发生。

根据上述技术组合构成系统监测结构图见附图9。整个系统由电机运行参数监测包括电机电流和电压检测、分析以及电机的异常停机和悬绳器异常分离监测(实质为悬绳器/抽油杆异步监测)二大部分组成，电机运行参数监测包括三相运行电流和单项电压检测，数据经过软件整理，由中央处理器CPU分析，指令控制单元，分别控制交流接触器1、2启动和分断，同时提供监测数据的LED显示和临时干预指令的操作；整理的电流数据进入存储单元按照时间轴数据包保存，提供给蓝牙无线数据传输单元，该数据支持中间体的移动蓝牙数据测控采集终端进行数据转移，传输至数据采集PC，并建立数据库和分析软件体系；中央处理器CPU根据预置电流监测报警条件设置报警传输连接，提供至智能检测控制箱内的PLC(可编程控制器)，提供对照监测报警参数条件；悬绳器分离监测单元提供抽油杆和悬绳器不同步分离监测信号，经过计数器电路计算，传输至匹配PLC对照监测报警参数条件，合并电流监测体系报警参数提供下步报警确认，并通过显示/控制单元限制条件后，由报警信号中转发射机进行一次报警信号无线传输，无线远程传输发射机接到报警信号后经过延时判定，对报警信号进行异频远传至后端无线报警接收机，实现最终报警目的。

Claims (2)

1.一种三元复合驱采出井结垢卡泵监测系统，其特征在于，该监测系统主要由电流监测/分析模块、悬绳器/抽油杆异步检测传感器、智能检测控制器、接警模块、数据分析模块、数据存储传输模块、设限报警分析模块、报警信号中转发射机以及无线远程传输发射机构成；

其中，电流监测/分析模块：安装在抽油机配电箱内，直接监测分析运行电流数据，同时具备电机保护器功能；支持无线数据传输，提供电流数据整理记录和传输；根据可编程控制器指令，任意修改设置报警信号过滤检测条件；可将相关数据以及停机参数提供给智能检测控制器，提供中期预警分析；电机保护器通过串联在电缆导线外的闭合线圈获得比例电流检测，实施正常的运行监测保护，同时提供三相电流数据给电流监测模块，电流监测模块根据预设预警电流上限值和报警条件，对超限电流峰值进行自动跟踪和计数；电流分析模块采用可擦写存储芯片保存设置条件和监测程序，并且可根据需要进行临时修改条件,该模块直接检测和分析电机运行的电流数据，并将达到预警电流上限值和报警条件的电流报告到智能检测控制器；

悬绳器/抽油杆异步检测传感器：安装于抽油机前端井口上方，能够根据电机运行参数和悬绳器之间出现的异常分离情况确定即将出现的结垢卡泵情况，将卡泵异常信号传输至智能检测控制器，随后由智能检测控制器通知人员采取紧急措施处置；检测传感器的保护壳体焊接在悬绳器侧翼上，传感器检测端向上且与悬绳器上沿平齐，在抽油杆上吊卡对应位置处有长度保留余量的金属条，与传感器检测端水平靠近，用于监测二者的分离情况，以确定出现卡泵前的负载脱离；

智能检测控制器：采用可编程控制器构架，功能包括：悬绳器/抽油杆异步监测数据分析和报警；电流数据有条件计数整理分析；停机情况分析智能判断并控制自启、故障情况报警和记录；智能检测控制器的作用是通过连接抽油杆异常分离检测传感器和抽油机测控电流采集系统，并将在取得报警信号后，将该信号传输至接警系统；

接警系统：建立接收主机对单井达到报警条件的报警信息进行接收报警，含报警信息或数据，该系统直接对智能检测控制器发来的信号进行接收；

数据存储传输模块：用于现场电流数据遥测及非接触式无线提取，使用手持蓝牙提取电流监测数据并将数据保存在手持蓝牙测控采集器内，实现无线数据井场近程交换功能，将接警系统的信号进行存储并传至设限报警分析模块；

设限报警分析模块：对来自数据存储传输模块的数据按照预先设定好的报警条件进行筛选，将达到报警条件的信号传至报警信号中转发射机；

数据分析模块：将数据传输存储模块的手持蓝牙测控采集器采集的单井电流数据转移至PC机，建立区域或单井历史数据库，电流数据采集全过程均由数字设备自动采集，避免人为因素影响，提高资料准确度；根据数据库动态数据，结合生产稳定状态、检泵作业后、正常洗井周期、卡泵多发井、各类实施防垢、除垢措施阶段井这些事件的时间轴为过程，分析卡泵形成过程及电流变化情况，找出规律并根据软件分析结果调整热洗和其它措施周期，确定和预防卡泵的发生，以达到短期报警、中期预警、长期预测的目的；

报警信号中转发射机：对来自设限报警分析模块输出的报警信号经过短程传输传送至无线远程传输发射机上；

无线远程传输发射机：位于变压器平台上，接收来自中转发射机的信号，并将报警信号传输至远处值班室，通知后线值班人员去现场落实处理问题。

2.如权利要求1所述的三元复合驱采出井结垢卡监测系统，其具体工作流程如下：

悬绳器/抽油杆异步检测传感器的信号传输至电流监测/分析模块中的计次逻辑分析电路，并由智能检测控制器采集，形成第一路报警信号；电流监测/分析模块通过对电流异常数据分析模型电路的筛选，并由智能检测控制器采集，形成第二路报警信号；智能检测控制器对异常停机直观故障信号的检测形成第三路报警信号；上述三路报警信号形成无差别报警，通过报警信号中转发射机传输至位于变压器平台的无线远程传输发射机，并由位于值班室的远程无线报警接收机接收处理；电流监测/分析模块中的电流采集电路通过数据存储传输模块中的数据存储电路将电流信号按照时间轴记录，并形成定时的数据包存储；数据分析模块通过蓝牙测控采集器采集存储数据包并转移至PC机内；通过建立数据库和分析软件进行数据分析并形成区域或单井结垢周期模型。