丁 鹏， 苗 杰， 陈 露， 石平太
（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司， 天津 300452）
引言泵工况全称为电潜泵工况监测系统，主要由地面操作控制箱、高压扼流器、井下检测仪构成。泵工况号称井下电泵机组的“千里眼”，其能够将电泵机组运行的温度、压力、振动等参数实时实施传输至地面，为生产管理人员诊断、调整油井的生产参数提供依据，对油井的生产管理具有重要意义，泵工况监测系统的控制逻辑图示见图1。其中泵工况仪安置在机组的最下方，机组上方安置有泵出口传压短节，短节通过压力管线与泵工况仪相连接，通过泵工况仪监测泵出口压力，在陆地则是由高压线与扼流器连接，扼流器分别通过升压变压器与低压变频器相连，通过线缆与地面控制箱连接。
在2018 年之前，泵工况产品的生产供应和相关技术长期被国外公司垄断，国内机采井使用的大多数是国外进口的泵工况产品，存在供货周期长，供货不稳定，产品种类单一等问题，同时属于影响海洋油田生产监测的“卡脖子”技术。
2016 年，立项电泵工况监测系统国产化研究，中海油历时两年完成该项目，并实现自主化设计和生产，自主化泵工况命名为海龙DS1 型泵工况监测系统，作为海龙系列人工举升产品之一，截止至2021年，海龙泵工况已经有20 井次成功应用于现场，并且研制出环型泵工况，业内首次解决了投捞泵无泵工况可用的局面。
近年来，如图2 所示，随着油田数字化的发展，泵工况的应用逐渐在油田普及，2020 年机采公司签署的渤海油田电泵工况监测装置采购协议涉及未来1 500套泵工况的应用，因此泵工况自主化生产产能必须能够满足未来市场需求。因此，本论文讨论的主要内容是研制一套可用于井下泵工况监测的便携式控制箱，从而提高泵工况作业和调试的时效。
1 泵工况调试过程存在的问题通过对2020 年泵工况现场作业调研，每次下井作业时，需要将地面控制箱与现场井下测试仪直接连接，用于监测井下数据参数变化情况，每次都需要将固定的地面站箱拆卸搬运到现场进行连接，需要现场临时接电以及设备重新接线，同时在户外低温环境下，地面控制箱数据读取和人机界面操作存在卡顿现象。考虑到地面设备和井下仪器的现场作业属于成熟作业，因此课题组将方向放在了提高泵工况现场作业和调试时效方面。
通过对现场作业人员和甲方单位调研，在泵工况下井作业和生产调试过程中，地面控制箱现场作业存在着前期准备时间长、设备易损和低温环境面板卡顿等问题（见图3）。
1.1 准备时间长泵工况日常使用过程中，地面控制箱通过电缆固定在安全防爆区域，在下井作业时需要将地面控制箱拆卸搬运至现场与井下测试仪相连，造成设备的频繁拆装搬运和接线，同时作业现场需要临时接电，需要现在作业开临时用电单，增加了前期准备工作。
1.2 设备易损户外作业现场环境复杂，下井作业需要打开箱体内使电路板与电缆相连，电路板直接裸露在户外环境，容易造成电路板受潮损坏。
1.3 环境适应性较差现有的地面控制箱触摸屏正常工作温度是在0 ℃以上，在寒冷的冬天户外环境下，容易造成触摸屏出现卡顿，人机界面操作卡顿、数据读取延迟的情况。
本次课题针对现场作业存在着前期准备时间长、设备易损和低温环境面板卡顿等问题，主要借鉴了便携式移动式基站（如图4 所示）的结构和供电设计，可针对现场作业情况复杂和前期准备工作时间长情况，可以达到快速响应目的。
为了解决泵工况下井作业和调试存在的上述问题，研制一套提高作业和调试时效工装，并进行了相关的调研和论证工作，最终确定研制一套用于泵工况作业和调试作业的结构简单、环境适应性强，快速的实现井下数据的监测工具。
2 电气设计方案在原地面控制箱内部增加伴热或加热器，在原地面控制箱基础上采用耐低温触摸屏，设计通用便携式箱体，采用耐低温触摸屏，增加电池设计，采用快速插接接线。
通过采用便携式箱体，箱体采用PP 塑料，密封性好，重量轻；通过在测试箱内部安置移动式便携电源，节省内部空间，可用空间富裕，在现场不具备接线条件时，能够提供短时间的供电,实现箱体外置电源与内置电源的切换，无需拆卸充电。
2.1 电源设计1）实现内置电源与外接直流电源切换,充放电安全可靠；
2）输出电压满足电路板和触摸屏的供电需求；
3）供电电源可保证设备连续工作时间不小于8 h。
2.2 电路及控制系统设计方案1）锂电池+电源保护板+DC 充电头：实现外接直流电源和内置电源的切换。
2）锂电池：选用6S 5300 mAH 锂电池，输出电压25.2 V。
3）电源保护板：输入端与DC 充电头和锂电池连接，具有充电均衡和充放电保护功能，输出端与地面电路板和触摸屏相连。
4）箱体选型：选用材质PP 塑料的航空箱作为便携式箱的主体，防护等级IP66。
5）触摸屏选型：选用耐低温触摸屏，可在-40 ℃环境下正常使用。
6）触摸屏通过RS485 接口与地面电路板相连。
7）触摸屏将显示井下传感器的数据参数。
8）触摸屏可生成井下数据监测报告。
2.3 设备连接设计箱体内设备间使用导线连接，通过压接和焊接的方式将导线固定在设备上，实现控制、通信和供电等功能。电源配有开关，配有电量显示器，可用于电源和状态显示。
3 结构设计方案通过将触摸屏、主控电路板、通信口集成安装到防护箱内，方便携带，同时箱体内置设备供电电源。如图5 和图6 所示，碳纤维板作为仪器设备面板，对碳板进行切割加工，预留触摸屏开孔（192 mm×138 mm）、电量显示器安装孔（43.5 mm×20 mm）、3 个通信接口安装孔，分别是USB 口、以太网口、插线端子口、电源开关安装孔以及2.1DC 接口。
泵工况便携式控制箱在下井作业和地面调试作业中较之前工作效率提高了13 倍，省去作业现场箱体拆装和临时接电环节，完全规避了人员接线失误风险。后期将计划通过技术改进，提高泵工况数据的采集效率，全方位推动泵工况产业的发展。
4 结语本论文讨论的主要内容是研制一套可用于井下泵工况监测的便携式控制箱，从而提高泵工况作业和调试的时效。通过采用便携式箱体，箱体采用PP 塑料，密封性好，重量轻；通过在测试箱内部安置移动式便携电源，节省内部空间，可用空间富裕，在现场不具备接线条件时，能够提供短时间的供电,实现箱体外置电源与内置电源的切换，无需拆卸充电。
