Причины частого дрейфа датчиков перепада давления на нефтяных скважинах и методы проверки на месте

Датчики перепада давления на нефтяных скважинах часто применяются в устьевых дросселирующих устройствах, сепараторах, системах измерения уровня в резервуарах, трубопроводах закачки и добычи, а также при учете расхода. Если их выходной сигнал постоянно отклоняется от фактического перепада давления, это напрямую приводит к искажению определения уровня, увеличению погрешности расчета расхода и, в серьезных случаях, может вызвать ложное срабатывание блокировок, отклонение параметров закачки и добычи либо работу оборудования за пределами допустимых режимов.

Под «дрейфом» на объекте обычно понимают медленное изменение нулевой точки, выходного сигнала диапазона или отображаемого значения преобразователя при относительно стабильных рабочих условиях, когда тенденция изменения не может быть объяснена фактическими производственными параметрами. Следует учитывать, что колебания давления в скважине, пульсации газожидкостной смеси и периодическая добыча сами по себе также вызывают изменения сигнала. Поэтому обслуживающий персонал должен прежде всего отличить реальные колебания технологического режима от дрейфа измерений прибора.

При проверке не следует сразу делать вывод о неисправности датчика. Необходимо последовательно проверить условия отбора давления, состояние монтажа, электрическую цепь, влияние окружающей среды и сам прибор, а также сохранить записи нулевой точки, выходного тока, напряжения питания и технологического давления для последующей калибровки или замены.

I. Сначала определите признаки дрейфа, чтобы избежать ошибочной оценки изменения технологического режима

Сущность измерения перепада давления заключается в разности давлений на стороне высокого и низкого давления. Если давление с обеих сторон одновременно повышается или снижается, а перепад теоретически должен оставаться в целом стабильным, но выходной сигнал прибора при этом продолжает односторонне возрастать, медленно снижаться или хаотично изменяться, в первую очередь следует подозревать засорение системы отбора давления, дисбаланс конденсата или смещение нулевой точки.

Для преобразователей перепада давления с выходом 4mA～20mA можно одновременно считывать значение тока в диспетчерской и непосредственно на объекте. Если значение, считанное полевым коммуникатором, стабильно, а на экране DCS наблюдаются непрерывные колебания, необходимо проверить изолятор сигнала, модуль AI, заземление и помехи связи. Если данные на обоих концах синхронно дрейфуют, проблема, вероятнее всего, находится в технологическом подключении или самом датчике.

Рекомендуется непрерывно регистрировать тренд данных не менее 30 минут, одновременно фиксируя температуру устья скважины, состояние обогрева, запуск и остановку станка-качалки, операции сброса давления и срабатывания клапанов. При стабильном режиме повторяющееся изменение нулевой точки более чем на 0.5% диапазона за короткое время должно быть включено в область поиска неисправности; если дрейф тесно связан с рабочими операциями, первоочередной задачей должен стать анализ технологического воздействия.

Типичные проявления неисправностей и приоритетные направления диагностики

При диагностике следует руководствоваться источником давления, мультиметром и калибратором токовой петли, прошедшими поверку или калибровку, а не делать выводы только на основании местного стрелочного манометра или прошлого опыта. Для сложных условий скважин с сероводородом, парафином или высоким содержанием воды в первичную проверку также следует включать факторы коррозии, кристаллизации и налипания среды.

Если прибор перепада давления используется для расчета уровня, необходимо также проверить заданное значение плотности среды. Изменения обводненности нефти, температуры и содержания газожидкостной смеси влияют на фактическую плотность; даже при точном выходном сигнале датчика рассчитанный системой уровень может выглядеть как «дрейфующий».

II. Проблемы отбора давления и монтажа являются частыми причинами дрейфа на объекте

Засорение или частичное засорение импульсной трубки является одной из наиболее распространенных проблем при измерении перепада давления на нефтяных скважинах. Попадание нефтяного парафина, песка, ржавчины, солевых отложений и конденсата в канал отбора давления приводит к различной скорости передачи давления на сторонах высокого и низкого давления, вследствие чего прибор начинает запаздывать, медленно возвращаться к нулю или нестабильно дрейфовать.

Импульсные трубки для газовых сред должны прокладываться без участков с понижением, в которых может скапливаться жидкость, а для жидких сред следует избегать верхних точек скопления газа. Длина, внутренний диаметр, уклон и условия обогрева импульсных трубок с обеих сторон должны быть максимально одинаковыми; если одна сторона нагревается сильнее или трубопровод длиннее, изменение температуры приведет к различию плотности среды с обеих сторон и возникновению дополнительного перепада давления.

Ослабление монтажного кронштейна, длительное воздействие вибрации станка-качалки на прибор или прямое ударное воздействие на мембрану преобразователя также снижают стабильность измерения. Прибор следует надежно закрепить на прочном кронштейне и, исходя из температуры среды и интенсивности вибрации, предусмотреть компенсационные изгибы, изолирующие устройства или меры виброзащиты, избегая прямой установки преобразователя в зоне сильных пульсаций.

Порядок проверки системы отбора давления на объекте

Первый шаг: после подтверждения технологического разрешения, выполнения сброса давления и изоляции, а также соблюдения требований безопасности на объекте, проверить клапаны отбора давления, трехвентильный или пятивентильный блок на наличие внутренних утечек. Внутренняя утечка клапана может привести к перетоку давления между сторонами высокого и низкого давления, в результате чего перепад постепенно стремится к нулю, что часто ошибочно принимают за дрейф нулевой точки датчика.

Второй шаг: проверить внешний вид импульсных трубок и состояние обогрева, уделяя особое внимание отводам, нижним точкам, соединительным фитингам и поврежденным участкам теплоизоляции. Участки трубопровода с подозрением на засорение следует продувать, промывать или заменять в соответствии с регламентом; запрещается принудительно демонтировать их без сброса давления, а также прочищать интерфейс прибора твердыми предметами, способными повредить мембрану.

Третий шаг: выполнить проверку уравнительным клапаном. После закрытия запорных клапанов на сторонах высокого и низкого давления и открытия уравнительного клапана выходной сигнал перепада давления теоретически должен вернуться к нулевой точке. Если после уравнивания он продолжительное время остается смещенным и ошибки цепи исключены, можно дополнительно проверить настройку нулевой точки, влияние статического давления или состояние чувствительного элемента датчика.

Особенности монтажа для различных сред

Для скважин с частым образованием парафина многократная регулировка нулевой точки обычно не решает проблему. Очистку импульсной системы, стабильность температуры обогрева и проходимость отверстий отбора давления следует включить в перечень периодического технического обслуживания, а интервал обходов определять с учетом состояния скважины. Например, для позиций высокого риска ежемесячную проверку можно заменить еженедельным целевым осмотром.

Если преобразователь перепада давления оснащен выносными фланцами или капиллярами, необходимо также проверить, не сдавлены ли, не перегнуты ли и не подвергаются ли капилляры локальному нагреву. Объем заполняющей жидкости в капилляре зависит от температуры, а неравномерный нагрев обеих сторон вызывает температурный дрейф. Поэтому место установки следует выбирать вдали от интенсивного солнечного излучения, источников тепла и зон механического сдавливания.

III. Нельзя игнорировать питание, подключение и электромагнитные помехи

Двухпроводные преобразователи перепада давления обычно требуют стабильного питания постоянного тока. Если нагрузочная способность источника 24VDC недостаточна, клеммы окислены или сопротивление цепи слишком велико, при изменении температуры, наложении связи или колебаниях нагрузки прибор может выдавать нестабильный сигнал. На объекте необходимо измерять напряжение непосредственно на клеммах датчика, а не только проверять номинальное значение источника питания в распределительном шкафу.

Сигнальные кабели, проложенные слишком близко и параллельно силовым кабелям частотных преобразователей, кабелям двигателя станка-качалки или высоковольтным линиям зажигания, легко подвергаются электромагнитным помехам. Особенно при появлении кратковременных пиков, скачков показаний или потери связи во время запуска и остановки двигателя следует в первую очередь проверить способ заземления экрана, трассировку кабелей и характеристики изолирующего модуля.

Экранированный кабель обычно рекомендуется заземлять с одной стороны, чтобы избежать образования токов в контурах заземления; защитное заземление на объекте должно быть надежным, а герметизация взрывозащищенной соединительной коробки — целой. После увлажнения клемм снижается сопротивление изоляции, что также может вызвать малый ток утечки и смещение базового значения 4mA. Особое внимание этому следует уделять в сезон дождей и на скважинных площадках с большими суточными перепадами температуры.

Методы быстрой проверки электрической цепи

Можно использовать калибратор токовой петли для подачи в систему управления стандартных сигналов 4mA, 12mA и 20mA, проверяя погрешность отображения DCS или PLC. Если ошибка на стороне управления превышает установленный допустимый диапазон, необходимо проверить диапазон канала AI, инженерные единицы, время фильтрации и изолятор; если сторона управления точна, основное внимание следует вновь направить на полевой прибор и технологическую систему.

Затем следует изолировать датчик от технологической стороны, наблюдать выходной сигнал в уравненном состоянии и слегка пошевелить кабель и соединительную коробку, чтобы проверить, не происходит ли резкого изменения тока. Ослабление клемм, обрыв жилы и коррозия из-за попадания воды часто выявляются таким способом, однако нельзя сильно тянуть кабель, чтобы не расширить область неисправности.

Для изделий с HART или другими функциями цифровой связи можно считывать диагностическую информацию устройства, температуру датчика, значение статического давления и записи аварийных сигналов. Если устройство неоднократно выдает сообщения о перегреве, неисправности датчика или насыщении выхода, проблему следует устранять с учетом условий на объекте, а не только принудительно удалять аварийные сообщения через программное обеспечение.

IV. Методы определения отказа калибровки и старения датчика

При длительной эксплуатации чувствительный элемент, электронные компоненты и уплотнительные конструкции подвергаются воздействию температурных циклов, скачков давления, агрессивных сред и механических вибраций, вследствие чего нулевая точка и верхний предел диапазона могут постепенно изменяться. Нормальное старение обычно проявляется как медленное и повторяемое отклонение, а не как значительные беспорядочные колебания за короткий период времени.

Полевая калибровка должна охватывать как минимум нулевую точку, промежуточную точку и точку верхнего предела диапазона. Обычно точки проверки устанавливают на 0%, 25%, 50%, 75% и 100%. Значение следует регистрировать только после стабилизации показаний в каждой точке; нельзя быстро повышать давление и сразу считывать результаты. Для измерений перепада давления малого диапазона точность поверочного оборудования должна быть значительно выше точности поверяемого прибора.

Если нулевую точку удается отрегулировать, но ошибка диапазона продолжает увеличиваться либо ошибки при прямом и обратном ходе существенно различаются, это означает возможное ухудшение характеристик самого датчика. Оборудование с истекшим сроком службы, подвергшееся воздействию избыточного давления, с коррозией или деформацией мембраны либо не прошедшее калибровку после нескольких попыток, рекомендуется заменить, а не продолжать эксплуатировать с неисправностью.

Принципы обработки результатов полевой поверки

Перед поверкой необходимо подтвердить, что диапазон прибора, величина смещения, время демпфирования и способ выходного сигнала соответствуют технологическому проекту. Для некоторых измерений уровня по перепаду давления предусмотрено положительное или отрицательное смещение; если обслуживающий персонал ошибочно примет значение смещения за ошибку нулевой точки, это, наоборот, приведет к ошибке расчета фактического уровня.

После успешной поверки следует восстановить правильное рабочее состояние трехвентильного блока, убедиться, что запорные клапаны на сторонах высокого и низкого давления полностью открыты, а уравнительный клапан закрыт, и наблюдать изменение тренда после восстановления технологического процесса. Во многих случаях «дрейфа после калибровки» первопричиной является не неэффективность поверки, а неправильное восстановление положения клапанов либо сохраняющийся дисбаланс газа и жидкости внутри импульсной трубки.

Рекомендуется вести паспорт каждого отдельного прибора с указанием модели, диапазона, среды, даты установки, результатов поверки, признаков неисправности и принятых мер. При последовательном появлении одинаковых проблем дрейфа на однотипных скважинных позициях на основании этих данных можно оптимизировать выбор диапазона, материал мембраны, тип технологического присоединения и схему защиты, вместо пассивного ремонта каждого прибора по отдельности.

V. Создание механизма профилактического обслуживания для снижения частоты повторных неисправностей

Стабильная работа датчиков перепада давления на нефтяных скважинах зависит от согласованности прибора, системы отбора давления и технологических условий. Для позиций с высоким содержанием парафина, высокой температурой, высоким давлением, сильной вибрацией или агрессивными средами на этапе выбора модели необходимо четко определить класс давления, температурный диапазон, материал смачиваемых частей, степень защиты и требования взрывозащиты, чтобы не допускать длительной эксплуатации стандартных моделей за пределами рабочих условий.

При ежедневных обходах следует уделять особое внимание четырем аспектам: наличию аномалий в тренде выходного сигнала, утечкам или засорению импульсных трубок, увлажнению соединительной коробки и ослаблению монтажного кронштейна. Для ключевых точек учета следует планировать сравнительную поверку с учетом производственного цикла; даже для некритических точек мониторинга необходимо избегать длительной работы без калибровки, вызывающей накопление погрешности.

Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd. может предоставить подбор преобразователей перепада давления, нестандартную адаптацию, техническую диагностику, а также поддержку по калибровке и обслуживанию для устьев нефтяных скважин, сепарационного учета, измерения уровня в резервуарах и измерений перепада давления в сложных технологических процессах. При частом появлении дрейфа на объекте рекомендуется подготовить модель прибора, диапазон, способ подключения, снимки экрана с трендами и параметры рабочего режима, чтобы специалисты могли выполнить целенаправленный анализ и как можно скорее восстановить надежность измерительных данных.