井下泵工況監測的便攜式控制箱設計淺析★

丁 鵬， 苗 杰， 陳 露， 石平太

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司， 天津 300452）

引言

泵工況全稱為電潛泵工況監測系統，主要由地面操作控制箱、高壓扼流器、井下檢測儀構成。泵工況號稱井下電泵機組的“千里眼”，其能夠將電泵機組運行的溫度、壓力、振動等參數實時實施傳輸至地面，為生產管理人員診斷、調整油井的生產參數提供依據，對油井的生產管理具有重要意義，泵工況監測系統的控制邏輯圖示見圖1。其中泵工況儀安置在機組的最下方，機組上方安置有泵出口傳壓短節，短節通過壓力管線與泵工況儀相連接，通過泵工況儀監測泵出口壓力，在陸地則是由高壓線與扼流器連接，扼流器分別通過升壓變壓器與低壓變頻器相連，通過線纜與地面控制箱連接。

在2018 年之前，泵工況產品的生產供應和相關技術長期被國外公司壟斷，國內機采井使用的大多數是國外進口的泵工況產品，存在供貨周期長，供貨不穩定，產品種類單一等問題，同時屬于影響海洋油田生產監測的“卡脖子”技術。

2016 年，立項電泵工況監測系統國產化研究，中海油歷時兩年完成該項目，并實現自主化設計和生產，自主化泵工況命名為海龍DS1 型泵工況監測系統，作為海龍系列人工舉升產品之一，截止至2021年，海龍泵工況已經有20 井次成功應用于現場，并且研制出環型泵工況，業內首次解決了投撈泵無泵工況可用的局面。

近年來，如圖2 所示，隨著油田數字化的發展，泵工況的應用逐漸在油田普及，2020 年機采公司簽署的渤海油田電泵工況監測裝置采購協議涉及未來1 500套泵工況的應用，因此泵工況自主化生產產能必須能夠滿足未來市場需求。因此，本論文討論的主要內容是研制一套可用于井下泵工況監測的便攜式控制箱，從而提高泵工況作業和調試的時效。

1 泵工況調試過程存在的問題

通過對2020 年泵工況現場作業調研，每次下井作業時，需要將地面控制箱與現場井下測試儀直接連接，用于監測井下數據參數變化情況，每次都需要將固定的地面站箱拆卸搬運到現場進行連接，需要現場臨時接電以及設備重新接線，同時在戶外低溫環境下，地面控制箱數據讀取和人機界面操作存在卡頓現象。考慮到地面設備和井下儀器的現場作業屬于成熟作業，因此課題組將方向放在了提高泵工況現場作業和調試時效方面。

通過對現場作業人員和甲方單位調研，在泵工況下井作業和生產調試過程中，地面控制箱現場作業存在著前期準備時間長、設備易損和低溫環境面板卡頓等問題（見圖3）。

1.1 準備時間長

泵工況日常使用過程中，地面控制箱通過電纜固定在安全防爆區域，在下井作業時需要將地面控制箱拆卸搬運至現場與井下測試儀相連，造成設備的頻繁拆裝搬運和接線，同時作業現場需要臨時接電，需要現在作業開臨時用電單，增加了前期準備工作。

1.2 設備易損

戶外作業現場環境復雜，下井作業需要打開箱體內使電路板與電纜相連，電路板直接裸露在戶外環境，容易造成電路板受潮損壞。

1.3 環境適應性較差

現有的地面控制箱觸摸屏正常工作溫度是在0 ℃以上，在寒冷的冬天戶外環境下，容易造成觸摸屏出現卡頓，人機界面操作卡頓、數據讀取延遲的情況。

本次課題針對現場作業存在著前期準備時間長、設備易損和低溫環境面板卡頓等問題，主要借鑒了便攜式移動式基站（如圖4 所示）的結構和供電設計，可針對現場作業情況復雜和前期準備工作時間長情況，可以達到快速響應目的。

為了解決泵工況下井作業和調試存在的上述問題，研制一套提高作業和調試時效工裝，并進行了相關的調研和論證工作，最終確定研制一套用于泵工況作業和調試作業的結構簡單、環境適應性強，快速的實現井下數據的監測工具。

2 電氣設計方案

在原地面控制箱內部增加伴熱或加熱器，在原地面控制箱基礎上采用耐低溫觸摸屏，設計通用便攜式箱體，采用耐低溫觸摸屏，增加電池設計，采用快速插接接線。

通過采用便攜式箱體，箱體采用PP 塑料，密封性好，重量輕；通過在測試箱內部安置移動式便攜電源，節省內部空間，可用空間富裕，在現場不具備接線條件時，能夠提供短時間的供電,實現箱體外置電源與內置電源的切換，無需拆卸充電。

2.1 電源設計

1）實現內置電源與外接直流電源切換,充放電安全可靠；

2）輸出電壓滿足電路板和觸摸屏的供電需求；

3）供電電源可保證設備連續工作時間不小于8 h。

2.2 電路及控制系統設計方案

1）鋰電池+電源保護板+DC 充電頭：實現外接直流電源和內置電源的切換。

2）鋰電池：選用6S 5300 mAH 鋰電池，輸出電壓25.2 V。

3）電源保護板：輸入端與DC 充電頭和鋰電池連接，具有充電均衡和充放電保護功能，輸出端與地面電路板和觸摸屏相連。

4）箱體選型：選用材質PP 塑料的航空箱作為便攜式箱的主體，防護等級IP66。

5）觸摸屏選型：選用耐低溫觸摸屏，可在-40 ℃環境下正常使用。

6）觸摸屏通過RS485 接口與地面電路板相連。

7）觸摸屏將顯示井下傳感器的數據參數。

8）觸摸屏可生成井下數據監測報告。

2.3 設備連接設計

箱體內設備間使用導線連接，通過壓接和焊接的方式將導線固定在設備上，實現控制、通信和供電等功能。電源配有開關，配有電量顯示器，可用于電源和狀態顯示。

3 結構設計方案

通過將觸摸屏、主控電路板、通信口集成安裝到防護箱內，方便攜帶，同時箱體內置設備供電電源。如圖5 和圖6 所示，碳纖維板作為儀器設備面板，對碳板進行切割加工，預留觸摸屏開孔（192 mm×138 mm）、電量顯示器安裝孔（43.5 mm×20 mm）、3 個通信接口安裝孔，分別是USB 口、以太網口、插線端子口、電源開關安裝孔以及2.1DC 接口。

泵工況便攜式控制箱在下井作業和地面調試作業中較之前工作效率提高了13 倍，省去作業現場箱體拆裝和臨時接電環節，完全規避了人員接線失誤風險。后期將計劃通過技術改進，提高泵工況數據的采集效率，全方位推動泵工況產業的發展。

4 結語

本論文討論的主要內容是研制一套可用于井下泵工況監測的便攜式控制箱，從而提高泵工況作業和調試的時效。通過采用便攜式箱體，箱體采用PP 塑料，密封性好，重量輕；通過在測試箱內部安置移動式便攜電源，節省內部空間，可用空間富裕，在現場不具備接線條件時，能夠提供短時間的供電,實現箱體外置電源與內置電源的切換，無需拆卸充電。