油田项目可行性报告(共20页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上油井电机扭矩监测技术试验应用项目可行性研究报告专心-专注-专业目 录1 编制依据和原则1.1 编制依据1.1.1 节能降耗、控制成本随着国民经济的不断发展，消费规模不断扩大，能源问题已经成为制约经济和社会发展的重要因素。为解决我国能源紧张问题，国家提出了坚持开发与节约并举、节约优先的方针，大力推进节能降耗，提高能源利用效率。油气勘探开发行业是我国主要的能源生产行业之一，也是能源消耗的大户。在为国家生产更多油气资源的同时，节能降耗也是油气勘探开发行业主要任务之一。胜利油田自60年代初期开发至今，经多年的生产开发建设，油田产液含水率逐渐上升，原油产量逐渐递减，油田生产进入

2、高含水的生产阶段；为了降低开发成本，减缓油田的递减趋势，确保胜利油田的持续稳产高产，需要引入新思想、新观念、新技术、新工艺，才能实现节能降耗、成本控制。目前，有杆泵(包括抽油机和螺杆泵)井占采油厂生产井的90%以上，采油厂的电量绝大部分都消耗在有杆泵采油上，电量的使用是采油厂的一大成本。如河口采油厂目前日用电量140多万千瓦，如果能实时监控有杆泵的工况，对运行不平常的有杆泵电机进行调整，对电能的节约将是非常可观的。因此通过实时监测电机(包括异步和同步电机)的工作情况或供电情况，实现对电机的预知性维修，避免意外损失（如不必要的临时维修和意外人员伤亡等），也可避免电机在低效率或不正常情况（电机故障

3、或供电异常）下长期工作，实现节能降耗、成本控制。本项目根据抽油电机的特性、结构、额定参数和实际工作环境等特点，采用电动机的无速度传感器速度检测方式，再进一步获得其他关键电机运行参数，根据电机运行参数进一步获取整个抽油系统的工况，为掌握抽油电机的运行情况、节约电能、提高采油效率和增加经济效益奠定基础。1.1.2 实时跟踪、方便快捷目前，油田上分析抽油机井深井泵工况时，广泛采用实测示功图分析方法。实测示功图可以反映出深井泵在井下工作中的异常现象，可结合地质情况和利用生产数据、仪器工作状况，来分析解释抽油机的工作制度是否合理，机、杆、泵、参数组合是否与油井相适应。实测示功图经过诊断技术处理，可以找出

4、影响油井泵效或不出油的原因，然后根据本油田采油工艺技术的配套措施来解决生产问题。由于油田油井数量多且分布范围由几十至上百平方公里，分布比较零散，且油区道路交通不是很好。人工每日定时检查设备运行情况并记录采油数据，用动力仪完成示功图的绘制，但只能是一次测一口井，测量时需要停机安装动力仪，结果往往使得实测示功图不能很好地反映深井泵的实际工况，而且费时费力，影响抽油机井的产量,并且动力仪是机械式的,存在测量偏移,测量结果不准确,而且每一个冲程周期只采集一百多个点,很多微小的变化没有在示功图上反应出来。这种方式不但受天气和距离的限制，也必然增加工人劳动强度，并且影响了设备监控与采油数据的实时性，甚至准

5、确性。当抽油机深井泵出现故障时不能及时发现，得不到有效检测、防患和控制。本课题通过直接测量电机的电流、电压、功率等参数，计算出电机的输出扭矩，然后根据电机的输出扭矩推出抽油机减速箱的扭矩，然后利用预先计算好的扭矩因数推出悬点载荷，间接获得抽油机井的示功图，从而可以使用目前比较成熟的示功图分析和诊断技术对抽油机井的工况进行分析，并且通过对输出扭矩曲线进行频谱分析可以发现一些细节变化，这些细节是通过示功图所不能发现的，而这些细节暗示着抽油机井的某种工况。通过GPRS远程传输所测量电机的电参数，控制中心足不出户就可以获得抽油机井的实时动态工况，远程控制抽油机井。1.2 编制原则一、采用新产品、新工艺

6、、新技术，及时掌握油区有杆泵电机的运行情况，提高油区的采油效率和增加经济效益。二、采用可靠而且先进的技术，充分利用原有设备和设施，以节约工程投资。三、在满足生产的前提下，做到方便施工，易于维护，环保节能。2.研究范围2.1电机参数在线检测技术电机参数在线检测技术是通过测量异步电动机三相电压、电流，获得电机的有功功率、无功功率和功率因数，并且实现对电机定子磁链和电磁转矩以及电机转速的准确计算，同时可计算得到电机输出功率和输出转矩以及电机的运行效率等。通过在线检测抽油机的电参数实时监测抽油异步电动机的工作状况和供电情况，对典型的电机故障进行示警。2.2扭矩载荷推算技术抽油机工作时，由悬点载荷及平衡

7、重在曲柄轴（减速箱输出轴）上造成的扭矩与电动机输给曲柄的扭矩相平衡。一定型号的抽油机所配减速箱都有允许的最大扭矩。在一定条件下它既限制着油井生产时所采用的最大抽汲参数，同时又限制着为了保证大参数生产所需要的电动机功率。因此，扭矩曲线除了用来确定最大扭矩和检查是否超扭矩之外，还可以检查抽油机的平衡状况和进行平衡计算，确定电动机输出的功率，检查功率利用情况及利用均方根扭矩选择电动机功率。根据所测得的电机电磁扭矩曲线推算出减速箱输出轴扭矩曲线，然后利用预先计算好的扭矩因数推出悬点载荷，进而得到该井的示功图并自动分析该井的工作状态。2.3 数据远程传送技术GPRS通讯方式建设依赖移动通讯公司庞大的GP

8、RS网络，建设成本与运行维护成本都很低，远小于自行建设独立运行的专用通讯网络(电台、有线DDN、微波等)。GPRS网络建设方便简单，使用GPRS模块及相应配件，直接与带有RS232串行口的监测设备连接，与中心数据服务器构建透明的数据传输通道。它运行可靠，数据采集实时性强，运行费用低，漏码误码极少，克服、解决了其他通信方式存在的各种问题。在保证数据传输及时、准确的前提下，将系统运行费用也降低到了极低；同时，通信链路由专业的运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同时，还需要耗费很大精力去维护通信线路的问题。3.遵循的标准、规范为确保工程技术先进合理，安全可靠，符合国家的方针、政策，符合客观实际，

9、严格执行以下的标准、规范：(1)GB/T2887-2000电子计算机场地通用规范(2)GB/T16435-1996远动设备终端通用技术条件(3)中华人民共和国安全行业管理规范(4)软件工程国家标准(5)中国电气安装工程施工及验收规范(6)GA/T75-94安全防范工程程序与要求(7)GA/T74-94安全检查防范系统通用图形符号(8)社会公共场所安全防范工种设计规范(9)GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范 (10)公安部、公安厅技防办有关文件规定。4.河口采油厂生产现状及存在问题4.1生产现状河口采油厂隶属胜利油田有限公司，地处渤海之滨黄河故道入海口处，河口因以得名。前身是

10、1972年成立的河口指挥部，1983年将钻井单位划出另编，成立河口采油指挥部，1988年更名为河口采油厂至今。目前，河口采油厂管理着渤南、呈东、义和庄、义东、义北、邵家、大王庄、大王北、罗家、飞雁滩、陈家庄、英雄滩、富台等大大小小13个油田，探明含油面积283.4平方千米，地质储量36570万吨（不含油公司的），动用含油面积242.2平方千米，动用地质储量32770万吨，可采储量7918万吨，标定采收率24.2%，累计产油6118万吨；采油厂油井每天开井一千六百多口,日产液量八万多吨,日产油量八千多吨。4.2存在问题目前常用的电机扭矩测试设备体积庞大，价格昂贵，限制了这方面技术的发展，而电机扭

11、矩又是油田现场生产用于监控电机乃至整个抽油系统生产工况的一个重要参数，由扭矩可以衍生出众多工况指标，因此低成本的电机实时测试技术、实时有杆泵工况分析技术具有广阔的应用前景。当前国内对电机本体质量是否合格的测试研究较多，而对电机自动测试系统的研究、应用则较少。因此，本项目拟采用实时性好、计算精确性高而且系统成本较低的电机自动测试系统实现对油田有杆泵电机运行工况的监测，为提高油田有杆泵电机系统运行效率，提高采油效率和经济效益奠定基础。5.河口采油厂抽油电机扭矩在线监测系统方案设计5.1系统功能及技术指标 该系统采用高性能32位ARM处理器（LPC2364）作为核心数据处理器，LPC2364基于AR

12、M7TDMI-S核，可在高达72MHz的频率下运行，其体积小、功耗低、成本低，支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，因此计算性能十分优异，其片内含有128 kB的程序存储器，8 kB静态存储空间（SRAM）和6路10位ADC，具有先进的中断控制器，支持多达32个中断向量，同时其具有丰富的串行外设接口，便于实现与上位计算机通讯。系统软件算法采用标准C语言编程，程序构架充分采用结构化和模块化方案设计，程序执行效率高，易读性强，可扩充性强，便于软件程序的进一步修改、移植及扩展等。该系统通过实时采集异步电机的三相电压和电流可实时计算电机的三相有功功率、无功功率和功率因数，根据定子三相电压

13、和电流可实时计算得到电机定子磁链的幅值和相位，结合定子电流可估算得到电机电磁转矩，利用定子电压和电流还可进一步估算定子电角频率，利用估算所得的定子磁链幅值和电磁转矩可得到转子转差电角频率，利用定子电角频率和转子转差电角频率就可计算得到转子实际转速。利用电磁转矩和同步电角速度可计算电机电磁功率，结合所估算的转差率和机械损耗可估算电机输出机械转矩，根据电机输出转矩和转速可得到电机输出机械功率以及系统的整体效率。为实现系统临时数据保存、检测系统参数保存以及系统时间实时显示，选用低成本、低功耗的日历时钟芯片，日历时钟芯片不仅可作为系统的时间基准，而且其内部的数据存储单元可实现参数的保存，同时该系统的系

14、统时间还可通过远程通讯的方式进行时间校准，其日误差小于1秒（0.5秒）。采用上位计算机系统通过RS232接口对检测系统进行参数设置和修改，另外可根据实际要求选取通信方式，若需要对某些参数进行远程修改或对检测系统实现远程监控，可采用RS422/RS485传输方式进行数据通信，还可采用无线通信方式进行监控。本系统通过连接油田企业网，所测量的数据保存到企业数据库中，通过WEB方式提供用户浏览，用户可以通过浏览器在线检测抽油机的电参数实时监测抽油异步电动机的工作状况和供电情况，对典型的电机故障进行示警，通过直接测量电机的电流、电压、功率等参数，计算出电机的输出扭矩，然后根据电机的输出扭矩推出抽油机减速

15、箱的扭矩，然后利用预先计算好的扭矩因数推出悬点载荷，间接获得抽油机井的示功图，从而可以使用目前比较成熟的示功图分析和诊断技术对抽油机井的工况进行分析。通过GPRS远程传输所测量电机的电参数，控制中心足不出户就可以获得抽油机井的实时动态工况，远程控制抽油机井。主要技术指标：(1) 在电机功率大于额定功率50%的情况下，各项电机运行参数测试和估计误差小于5%；时钟在一天中误差（在不通过上位机通信校正的情况下）小于5秒。.(2) 系统推算抽油机井悬点载荷与现场实测载荷误差不大于10%，(3) 系统推算螺杆泵井光杆扭矩与现场实测光杆扭矩误差不大于10%。5.2系统核心测试算法5.2.1电机定子电压和电

16、流瞬时值的硬件检测框图前级调理电路电压传感器ARM处理器前级调理电路前级调理电路前级调理电路电压传感器电流传感器电流传感器多路模拟开关图1定子电压和电流瞬时值的硬件检测框图如图1所示，定子线电压和相电流分别经电压传感器、电流传感器和相应的电平抬升、放大、滤波等处理电路后进入多路模拟开关，ARM处理器系统通过实时切换多路模拟开关检测定子线电压和相电流。5.2.2电机定子三相有功功率、无功功率及功率因数的计算方法将采样得到的三相静止坐标系下（ABC坐标系）的定子电压、电流的瞬时值分别进行静止坐标变换得到两相静止坐标系下（-坐标系）的电压分量u、u和电流分量i、i： （1） （2）由式（1）得到的两

17、相静止坐标系下的电压分量可求得定子电压综合矢量的幅值和相位： （3） （4）同理，可得到定子电流综合矢量的幅值和相位： （5） （6）因此可计算得到电机的功率因数角： （7）根据式（1）和（2）计算所得的电压、电流分量可计算得到电机的瞬时有功功率和无功功率： （8） （9）因此，电机的视在功率和功率因数分别为： （10） （11）5.2.3电机电磁转矩、转速估算原理由于抽油机异步电动机通常以额定频率运行，电机正常工作时定子电压远大于定子电阻压降，因此定子电阻变化对估算定子磁链的精度影响很小，可利用式（12）和（13）通过积分的方法来估算定子磁链分量。 （12） （13）利用式（12）和（13）

18、可计算得到定子磁链的幅值和相位： （14） （15）利用异步电动机的电磁转矩方程和计算所得的定子磁链和电流分量可根据式（16）估算电机电磁转矩，式中np为电机极对数。 （16）根据计算所得的电磁转矩、定子磁链幅值可根据式（17）的异步电动机速度动态估算方法实现电机转子转差电角速度估算。 （17）电机定子同步电角速度可由静止坐标系下的定子电压方程得到： （18）因此，电机转子机械转速的计算表达式为： （19）利用电磁转矩和同步电角速度可计算得到电机的电磁功率，利用转差速度和同步速度可计算得到电机的转差率，结合电机机械损耗P0，通过式（21）、（22）和（23）可分别得到电机电磁转矩、输出功率和输

19、出转矩。 （21） （22） （23）由此可计算得出电机系统的运行效率： （24）5.3系统硬件组成和基本工作方式核心处理器LPC2364系统稳压工作电源时钟芯片定子电压频率检测电路电压、电流检测电路无线通信电路与上位机之间的通信电路，用于测试和参数设置图2检测系统硬件组成框图检测系统主要包括以LPC2364为核心的最小系统单元，最小系统主要包括ARM处理器、晶振电路、复位电路、JTAG调试接口电路等。晶振芯片采用22.059MHz/3.3V规格，经过CPU内部3倍频获得66.177MHz的系统时钟频率，利用ARM处理器的内部SRAM或外扩SRAM可以大量保存临时采样数据、通信数据、中间计算结

20、果等。采用看门狗和含非易失性存储器的日历时钟芯片可以实现掉电情况下系统参数（如电机参数）的保存，保证系统参数的准确性。采用三端稳压电源可获得稳定的3.3V工作电源。为充分利用ARM处理器内部的A/D转换器功能，设计异步电动机电压、电流采样、跟随、电平抬升以及滤波放大电路，通过CPU的I/O口控制多路模拟开关切换转换通道，实现各路电量的实时准确检测。设计定子电压频率检测电路，为软件算法中的定子电角频率计算值提供参考。ARM处理器与上位机之间的数据交换采用异步串行通讯方式，LPC2364带有一个标准异步串行通信接口，在66MHz的系统时钟下可实现接受和发送的双缓冲功能，可以全双工方式工作。检测系统

21、对外通信方式采用基于GSM技术的GPRS为主，短消息为辅的通信方式，利用GPRS的在线功能保证通信的速度和通信质量。其通信原理框图如图73所示。利用该通信方式可实现终端检测系统上传检测数据，中心计算机系统下达随机读指令，可灵活设置和修改终端检测系统参数。5.4系统软件基本工作方式检测系统软件主要包括主程序和中断服务子程序两大部分。主程序主要完成硬件系统配置、初始化，中断向量进行初始化，程序变量初始化等功能。主程序与各中断服务程序交互实现命令传递和数据传递，主程序实现从上位机命令的接收以及检测系统数据的打包上传功能。在中断服务程序中则实现电机电压、电流的实时检测，各电参数的实时计算以及与主程序的

22、交互。MC35I模块检测终端1SIM卡MC35I模块检测终端NSIM卡INTERNET计算机上网设备移动基站图3 基于GPRS技术的检测系统无线通信框图5.5载荷扭矩推算5.5.1抽油机井根据实测结果，根据理论模型可以推出功图，如下图所示：根据所测得的电机电磁扭矩曲线推算出减速箱输出轴扭矩曲线，然后利用预先计算好的扭矩因数推出悬点载荷，进而得到该井的示功图并利用成熟的示功图分析技术分析该井的工作状态。另外根据实测结果，可以准确计算电机的输入功率，从而准确分析油井地面部分各个节点的效率，而不需要再手工测量电机的电压/电流等参数。5.5.2螺杆泵利用每秒钟几十个测试点的电流、电压和功率因数等电机工

23、作参数，考虑电机的内部损耗，准确计算出电机同期的输出轴扭矩，进而计算出光杆扭矩，利用光杆扭矩值及其变化规律，对螺杆泵井的工况进行诊断。5.5.2.1 电机输出轴功率根据电机学理论，在稳定运行区内电动机的输出轴功率与其转子电流成正比，而又近似与成正比，即式中，为电动机负载电流; 为电动机空载电流。这样，某负载时的为式中， 为电动机额定效率(电动机的额定技术数据); 为额定负载时的总损耗; 为输入电功率; 为不变损耗;为可变损耗(与对应)。5.5.2.2光杆转速螺杆泵井抽油杆柱是在地面电机的带动下进行旋转运动的，通过地面设备中减速箱和驱动头的作用，把地面电机的高速转动，转换成光杆的低速转动。要计算

24、光杆的转速，首先应得到地面电机的输出轴转速。电机的输出轴转速式中，为电机的额定功率; 为电机的输入功率; 为电机空载时同步转速; 为电机的额定转速。电机通过减速箱驱动光杆转动，光杆转速：式中，b为减速箱传动比; 为减速箱效率; 为电机负载时转速。5.5.2.3光杆扭矩光杆扭矩是进行螺杆泵井监测与诊断的重要技术参数，由电机的输出轴功率和光杆转速等参数可计算得出其准确的光杆扭矩值。电机输出轴扭矩:式中， 为电机输出功率; 为电机负载时转速。光杆扭矩:式中，为电机的输出功率; 为减速箱效率; 为光杆转速。5.5.2.4螺杆泵井故障诊断抽油杆断脱后，光杆承受的垂向拉力发生相应变化，电机的输出电流也发生

25、相应的变化，如果是底部杆断脱，抽油杆不转动时，垂向拉力接近正常时的值。螺杆泵采油系统正常运行时，泵转子在定子内旋转，由于过盈配合，转子只能在定子规定的范围内做偏心运动，而垂直方向由于泵两端压差作用，转子不能大幅度上下运动，相当于抽油杆柱的下部是被约束的。当抽油杆断脱后，约束被解除，电流曲线和轴向扭矩曲线都显示出周期波动。抽油杆断脱后光杆扭矩的变化规律如下图。根据电机输出轴扭矩与光杆扭矩的对应关系以及电机输出轴扭矩与电参数的对应关系，如果出现这种特征曲线就可以判断为抽油杆断脱，而断脱的位置可以根据与正常生产时的扭矩进行比较来判断。油管漏的主要现象是该井产液少甚至不出液。油管漏失的位置不同，电机输

26、出扭矩变化不同。下部油管漏，螺杆泵井光杆所承受的扭矩值远小于该井正常工作时的扭矩值;上部油管漏，扭矩曲线和正常工作时的扭矩曲线近似，其变化曲线如下图。螺杆泵每个腔室相互并不连通，泵转子在运转过程中，不同腔室内的液体压力由于泵上油管内液体的作用逐渐增加，同时因定、转子是窄面接触，所以每个腔室的液压力表现为静吸附力。螺杆泵启动时，转子必须克服静摩擦力和吸附力，启动扭矩有一个峰值。泵漏失的原因是因为定、转子之间过盈不够，电机启动时无峰值电流，电流增加的趋势较平缓。在泵发生漏失时，泵的定、转子过盈摩擦扭矩小，因此在举升时抽油杆所需的扭矩小于正常举升时的扭矩。其变化趋势曲线如图。任何导致转子旋转阻力过大

27、的原因均可能造成卡泵。定、转子出厂时配合过盈偏大，或定子橡胶溶胀、受温度影响等因素造成过盈偏大，或定子脱胶，均可造成卡泵。扭矩变化曲线如下图。5.6投资概算投资概算见下表：方案投资 万元序号项目内容费用（万元）1现场调研及文献查阅以及理论研究52需求分析103系统总体方案设计304系统硬件方案设计、硬件电路设计及制作605系统硬件电路调试306检测系统软件代码编制207系统分析软件508差旅费及交通费109材料印刷费用510专家技术咨询及评审费5合计2255.7经济效益分析油井电机扭矩监测系统建设后，不仅大大提高河口油区运行的安全性、可靠性，还可以节约车辆、人工等费用，以往的人工巡井，现在足不

28、出户就可以知道有杆泵的工况。据不完全统计每天可以节约日用电量的2%到3%,约3万千瓦，一年将是1000万千瓦，将节省电费500万元；车辆、人工等费用一年可节约60万元。6.环境保护采用先进工艺技术，减少或避免三废的产生和排放以及电磁的污染。7.安全严格执行原油和天然气工程设计防火规范、低压配电设计规范等相关规范，平面布置均按规范要求保证安全距离，确保该油田建设工程的安全性、可靠性。8.结论我国正在加快建设资源节约型社会，“十一五”期间要求节能降耗20左右。为满足采油厂生产安全环保要求，实现节能降耗、成本控制，提高油气生产可靠性，建立集成的生产管理辅助系统、提高生产管理水平等目标，开展集输与注水

29、系统生产优化项目是必要的。油井电机扭矩监测技术利用GPRS通信技术对抽油机进行远程监控，对于及时、准确、全面地掌握石油生产情况，进行科学决策有着十分重要的意义。1、降低工人劳动强度，有利于减员增效。人工进行采集数据往返时间长，工作量大，而且费用高，严重影响采油过程中的正常维护工作。安装监控系统，采集一组数据只需几秒钟，大大降低了工人的劳动强度，从而达到了减员增效的目的。2、便于掌握生产情况，有利于强化管理。过去用报表的方式反映采油情况，难以做到及时、准确、全面、直观、高效。安装油井电机扭矩监测系统后，领导在办公室或各监控中心，都可以直观地看到所有有杆泵电机的工作情况。随着通信网络的发展，油田各

30、级领导可随时随地掌握一线生产情况。3、便于采集生产数据，有利于科学决策。没安装监控系统时，一般每天只测一次抽油机工作参数，有些参数由于测试麻烦，一个月甚至更长时间才能测一次。由于数据量小，很难进行数据统计分析，影响领导决策。安装监控系统后，可快速测试并长期保存大量工作数据，并以此为依据进行科学的生产分析，为领导决策提供可靠依据。4、便于及时发现问题，有利于提高效益。安装远程监测系统后，可以及时发现停电、停机、缺相、油管堵塞、液面过低等情况，从而减少设备损坏，缩短停机时间，提高石油产量。抽油机运行过程中，井上井下的机电设备难免出现一些不正常情况，如缺相、井下出沙等。有些情况如能早发现早处理，就可将损失减至最低，否则很可能造成设备损坏甚至酿成重大事故。综上所述，本项目的建设是必要的，在技术上是可行的，项目建成后能取得一定的经济和社会效益，能通过合理的措施将风险规避或降到最低，因此本项目可行。