（精密仪器及机械专业论文）潜油电泵井下测试系统研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 潜油电泵井下测试系统研究 精密仪器及机械 蒙丽娜( 签名) 党瑞荣( 签名) 摘要 潜油泵在应用中如要取得更好的抽油效果，需有一整套采油工艺技术与其配套应用。 本文所研究的井下测试系统就是用来对井下的温度、压力等参数进行实时监测。本论文 根据潜油电泵井的生产特点，借用为潜油电机供电的动力电缆作为通信手段，利用精度 较高的集成化测试元件和电力线载波技术，实现实时监测井下潜油电泵的运行状况和油 井温度、压力参数的目的，从而提高了潜油电泵井的运行可靠性及最大操作利用率。 本设计的潜油电泵井下测试装置测量的参数主要是入口压力和入口温度，所有的井 下测试电路都被灌封并安装在潜油电机尾部的密封套管内。井下系统采用分时测量的方 法测量各个参数，将传感器测得的数据经过预处理，转换成频率信号传送给井下单片机， 由其将采得的频率值从串行口发送出去，经光电隔离后送至井下电力载波芯片，再经功 率放大后耦合至电力线上。 井上测试部分类似于井下，只是工作过程相反。井上通过三相电抗器、耦合变压器， 将动力电缆上的信号接收过来，经带通滤波、信号放大后，解调芯片将信号解调还原成 数字信号，再经光电隔离送至地面单片机进行处理、显示，以及与p c 机进行通信，从 而达到实时监控潜油电泵井生产状态的目的。 本测试系统对提高潜油电泵井生产的可靠运行将提供更高的技术测量手段，这一产 品的研制成功，对提高我国的石油开采能力具有一定的帮助。 关键词：潜油电泵温度、压力测量电力载波单片机 论文类型：应用基础与应用技术研究 英文摘要 s u b j e c t ： r e s e a r c ho fs u b m e r s i b i ep u m pd o w n h o l em e a s u r e m e n ts y s t e m s s p e c i a l t y ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n dm a c h i n e r y n a m e m e n g l i n a ( s i g n a t u r e ) 型孥上址 i n s t r u c t o r ：d a n gr u i r o n g ( s i g n a t u r e t h e r eh a sas e to fo i lr e c o v e r yt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n 、析mt h es u b m e r s i b l ep u m pf o ru s e w h i c hm a k e sag o o dp u m p i n ge f f e c td u r i n gp u m p i n g t h eu n d e r g r o u n dt e s ts y s t e mw h i c h i n t r o d u c e di nt h i sp a p e ri su s e dt om o n i t o rt h eu n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n do t h e r p a r a m e t e r so nr e a l - t i m e a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fw e l ls u b m e r s i b l ep u m p ，b o r r o w i n gt h e p o w e rc a b l ew h i c hp o w e rf o rs u b m e r s i b l ep u m pa sam e a n so fc o m m u n i c a t i o n u s i n gt h eh i 曲 p r e c i s i o ni n t e g r a t e dt e s t i n gc o m p o n e n t sa n dp o w e rl i n ec a r r i e rt e c h n o l o g y ，t or e a l i z et h e p u r p o s eo fm o n i t o r i n gt h eo i lt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ep a r a m e t e r s ，a n dt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no f s u b m e r s i b l ep u m p ，a sar e s u l t , i tc a ne n h a n c et h es u b m e r s i b l ep u m pw e l l so p e r a t i o n a l r e l i a b i l i t ya n dm a x i m u mo p e r a t i n ge f f i c i e n c y t h es u b m e r s i b l ep u m pd o w n h o l et e s te q u i p m e n td e s i g n e di nt h i sp a p e r , m a i n l yt e s tt h e i n l e tp r e s s u r ea n di n l e tt e m p e r a t u r e ，a l lt h eu n d e r g r o u n dt e s tc i r c u i ta r ep o t t e da n di n s t a l l e di n t h es e a l e dt u b eo nt h es u b m e r s i b l em o t o rt a i l t h eu n d e r g r o u n ds y s t e mu s e st i m e - m e a s u r i n g m e t h o dt o t e s te v e r yp a r a m e t e r s ，c h a n g i n gt h ed a t aw h i c ht e s t e df r o ms e n s o r si n t of r e q u e n c y s i g n a lt ot h em c u ，a n dt h e nt r a n s f e r r i n gt h ef r e q u e n c yv a l u et h r o u g ht h es e r i a lp o r t s ，a f t e r o p t i c a li s o l a t i o n , t h es i g n a li s s e n tt ot h eu n d e r g r o u n dp o w e rl i n ec a r r i e rc h i p ，a n dl a s t c o u p l i n gt op o w e rl i n ea f t e rp o w e ra m p l i f i e d t h eg r o u n dt e s ts y s t e mi ss i m i l a rt ot h eu n d e r g r o u n dt e s ts y s t e m ，o n l yt h ep r o c e s si sj u s t c o n t r a r y t h eg r o u n ds y s t e mr e c e i v e dt h es i g n a lt h r o u g ht h et h r e e p h a s er e a c t o r , c o u p l i n g t r a n s f o r m e r , a f t e rb a n d - p a s sf i l t e r i n g ，s i g n a la m p l i f i c a t i o n , t h ed e m o d u l a t o rc h i pd e m o d u l a t e t h es i g n a li n t od i g i t a ls i 弘a 1a n dt r a n s f e ri tt ot h eg r o u n dm c ua f t e ro p t i c a li s o l a t i o n , t o p r o c e s s ，d i s p l a y ，a n dc o m m u n i c a t e 、) l ，i 廿lt h ep c s ot h a ti tr e a l i z e st h ep u r p o s eo fm o n i t o r i n g t h ep r o d u c i n gc o n d i t i o no fs u b m e r s i b l ep u m pw e l li nr e a l - t i m e t h i st e s ts y s t e mc a l lp r o v i d eah i 曲t e s t i n gt e c h n i c a lm e a n so ni m p r o v i n gt h er e l i a b l e o p e r a t i o no fs u b m e r s i b l ep u m pw e l l t h es u c c e s so ft h ep r o d u c t , w i l lg i v es o m eh e l p so n i m p r o v i n gt h eo i lp r o d u c t i o nc a p a c i t y k e yw o r d s ：s u b m e r s i b l ep u m p ；t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em e a s u r e m e n t ；p o w e rl i n e c a r r i e r ；m c u t h e s i s ：a p p f i e df u n d a m e n ts t u d ya n da p p l i e dt e c h n o l o g yr e s e a r c h 1 1 1 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：型呻 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 油井钻成投产后，如果油层中具有足够大的能量，依靠油层本身的能量不但能将原 油驱入井底，还能将原油从井底举升到地面，并且输送到转油站。这种完全依靠油层天 然能量进行采油的方法，称为自喷采油法。如果油层中的能量不能够足以将原油举升到 地面，需要利用人工从地面补充能量进行开采，一般是以机械能量帮助将井液举升到地 面，称为机械采油。如有杆泵采油、潜油电泵采油、水力活塞泵采油及螺杆泵采油等【l 】。 如将高压压缩气体( 天然气) 注入井内将原油举升到地面，称为气举采油法。另外，注 水开发油田，利用注水来维持地层压力和延长自喷期，也属于人工补充能量进行开采的 一种闭。选择哪一种，应视国情及油田地层情况不同而定。每种采油设备各有特点及使 用的局限性。我国油田遍布全国，并采初期多是自喷井，十几年后由于压力降低，为了 保证产量必须采用潜油电泵采油。 随着我国石油工业的发展和油田开发的需要，应用机械采油方法提高油田采油速度 和最终采收率，是整个油田开发过程中的一个重要步骤。潜油电泵作为一种重要的机械 采油设备，由于它具有其他机械采油设备所没有的特点，所以在油田的开采上起着越来 越重要的作用，其采油工艺技术得到不断完善和发展。潜油电泵主要用于油井大排量抽 吸液体，它和其它工升举方法一样，都是通过降低井底流动压力来增加油井产量的。随 着油田开采时间的延长，含水率的不断上升，选用潜油电泵大排量采油，保持或提高油 井产量已成为一种发展趋势，也是油田长期稳产的重要手段之一。在油田生产中，有相 当比例的原油是靠潜油电泵生产出来的，特别是苏联，潜油电泵井的产量已达到原油总 产量的5 0 l 。据不完全统计，目前全世界原油产量的近三分之一是由各种形式的潜油 电泵开采的，潜油电泵井的数量更是数以万计。而据统计，2 0 0 5 年国内某些油田电泵井 数量约占油井生产井数的2 5 ，电泵井产液量却占总井产液量的5 0 左右 3 1 。这都充分说 明，潜油电泵是机械采油的发展趋势，潜油电泵应用的技术水平从一个侧面反映了一个 国家石油生产的技术水平。 1 2 潜油电泵井的概述 潜油电泵全称电动潜油离心泵，简称电潜泵。是一种举升扬程高、采液排量大的无 杆采油设备 4 1 。潜油电泵机组是一种机械采油设备，其作用就是将井下的液体抽送到地 面。潜油电泵机组主要由三个部分组成。 ( 1 ) 井下部分：潜油泵、分离器、保护器、潜油电机、潜油电缆。 ( 2 ) 地面设备： 定频设备：降压变压器、控制柜。 西安石油大学硕士学位论文 变频驱动：降压变压器、变频器、升压变压器。 ( 3 ) 辅助设备：扶正器、测温测压装置、单流阀、泄油阀、井口穿越器、接线盒。 其基本组成如图1 1 所示1 6 1 。 i 一燹压器：2 一投制柜：3 一接线藏；4 _ 井口：5 _ 一辩油器：6 一尊漉网：7 泵出口 接头：8 一潜油离心泵：卜油气分离器：1 0 一电机僳护器；l l 一潜油电机；1 2 一测温 测压装置：1 3 挟正器：1 4 一大扁电缆：1 5 一小扁电缆 图1 1 潜油电泵机组工作示意图 潜油电泵机组的特点： ( 1 ) 排量范围大； ( 2 ) 扬程高； ( 3 ) 可以根据产液变化要求进行变频调速； ( 4 ) 地面设备占用面积和空间小，适用于海上平台； ( 5 ) 使用寿命长； 2 第一章绪论 ( 6 ) 便于管理； ( 7 ) 适用于斜井、水平井【卜5 1 。 潜油电泵机组是井下工作的电机、多级离心泵等部件和地面控制系统的总称。潜油 电泵举升液体的核心部件是井下工作的多级离心泵，潜油电泵机组的工作原理如下：以 电能为动力源，电网电压首先经过变压器改变电压后，输送到控制柜中，经过变频器变 换至所需的电源频率后，输入到升压变压器，将电压提升到电机所需电压。通过潜油电 缆将电能传输给潜油电机，潜油电机将电能转换为机械能，带动潜油泵高速旋转，潜油 泵中的每级叶轮、导壳使井液压力逐步提高，在潜油泵出口处达到潜油泵要求的举升扬 程，井液通过油管被举升至地面，再通过地面管线传输至地面集输系统。 潜油电泵适用于注水趋油的油井、高含水油井和低气油比油井采油。电动潜油泵是 油田主要机采设备之一，广泛用于二次和三次采油中，其举升扬程高、采液排量大，是 其他人工气举法无法替代的。由于电潜泵具有排量大、扬程高、用途广、管理方便、检 泵周期长、经济效益好等优点，在机械采油中所占的比例呈上升趋势。近几年来，特别 是国外，生产现场的装机总容量超过了2 0 ，是油田高产稳产的重要手段【7 - 9 。由于电动 潜油泵采油具有排量大，使用经济等优点，近年来许多国家的专家都致力于研究和提高 电动潜油泵的适应性、经济性、可靠性与先进性，先后出现了许多新技术和新成果，并 在采油实践中取得了较好的经济效益【胁1 3 】。 随着油田开采深度的不断增加，以及电动潜油泵机组在油田应用范围的不断拓宽， 新规格新型号的机组也相继出现，基本形成了比较完备的系列产品。电动潜油泵机组已 经成为油田原油稳产的重要手段，许多高温高压的电动潜油泵相继问世。 1 3 潜油电泵井测试工艺 为了合理地应用潜油电泵，提高潜油电泵抽油经济效益，充分发挥潜油电泵在油田 生产中的作用，在大量应用潜油电泵的同时，有一整套采油工艺技术和潜油电泵配套应 用，使潜油泵在应用中将能够取得更好的抽油效果和经济效益【1 4 1 。井下压力温度测量仪 就是用来测量油田压力和温度的装置，以便了解井下石油分布情况，作到合理开采。 与其它机械采油方式相比较，潜油电泵独具特点，特别是对注水开发油田高含水期 具有较大的优势。所以，潜油电泵在油田的应用日益广泛。无论在井数上，还是在产量 上，在机械采油井中所占的比例越来越大。因此，监测潜油电泵井的生产状况就非常重 要。目前，从国内外测试工艺技术来看，比较可行的潜油电泵井测试方法有以下几个方 面【1 5 1 6 1 ： ( 1 ) 在潜油电泵井检泵时，利用气举诱导液流，模拟潜油电泵抽油时的工作制度进 行分层测试。 ( 2 ) 在潜油电泵安装时，在泵出口上端安装一个专门的阀。当测试时，沿油管下入 一个小直径压力计至泵出口上端，通过这个阀结构，使油套管连通，油套管压力平衡， 西安石油大学硕士学位论文 就可进行压力测试。将测试结果折算到油层中部深度，就可得到井底流动压力。 ( 3 ) 在大套管井中，泵出口上端安装一个“y 形结构的油管，然后从油管中下入 小直径压力计，通过“y 形结构下到泵和套管的间隙，并沿这个间隙将仪器送到整套 潜油电泵设备下的某个部位进行测试。 ( 4 ) 在潜油电泵设备下端连接一个专门的测试仪器，进行井下压力和温度的测试， 并通过动力电缆将测试信号传递到地面二次仪表，进行记录和读数。 ( 5 ) 预先用专门的电缆将综合测试仪下入井底，然后安装潜油电泵设备，测试时接 通地面仪表即可。但井下综合测试仪器和专用电缆只能等检泵时起出。 ( 6 ) 利用双频道回声仪测量潜油电泵井的动、静液面。 比较以上几种测试方法各有优缺点： 第一种和第五种方法，可以测试( 或模拟测试) 出潜油电泵井生产条件的各种动态 数据和资料，所以用此资料分析潜油电泵井的生产状况是比较可靠的，但在技术上比较 复杂，测试较为繁琐，需要专门的测试队伍； 第二种方法只能测试压力资料，而不能得到油井的分层生产情况； 第三种方法虽然比较简单，但要求套管尺寸比较大，对于小直径套管的油井则不能 使用这种方法，有一定的局限性； 第四种方法为目前较实用的方法，但是相关的测试装置大多依靠进口； 第六种方法虽然也比较简单，只能用测试得到的动静液面资料来计算井底流动压力 和地层压力，误差比较大。 以上六种方法中的第三种和第五种方法目前在我国还尚未应用。第一种方法在我国 虽然有应用，但由于只能在检泵时才能进行测试，周期比较长，并且技术比较复杂【l 】。 目前国内多数采用的是二参数( 温度、压力) 测试装置。由于各方面的原因，以美 国、英国为主的西方国家一直对我国实行技术封锁，使得我国在这方面的研究进展缓慢。 监测技术上的劣势使得我国的石油开采工艺落后于西方国家，难以做到更为合理的开采， 这将严重阻碍我国石油工业的发展。 鉴于目前我国石油开采的现状，研究适合我国国情的潜油电泵井下测试装置对于有 效的监控潜油电泵运行，调整工艺参数，提高采油效率，最终做到合理地开采具有十分 重要地意义。本项目就是要开发研制国产的潜油电泵井下测试装置，取代进口，降低成 本。 1 4 国内外发展现状 目前，国际上为潜油电泵配套的井下测试装置产品以英国凤凰公司的p h o e n i x 系列 潜油电泵井下测试装置、美国威德福公司的w e a t h e f f o r d 系列井下测试装置和英国顶峰 公司的z e n i t h 系列井下测试装置为代表，并且垄断着国际潜油电泵井下测试装置这一市 场。 4 第一章绪论 这些产品的突出特点是为了满足不同用户和不同油田的不同测试需求，他们开发了 多种规格的产品。测试的参数一般为2 个7 个参数，最多的测试参数达到7 个，测试参 数多，测试范围相当广泛，测试精度和分辨率都很高，完全可以覆盖潜油电泵系统的井 下参数测试，满足用户对各种油井生产参数的测量和监控，起到优化生产模式、提高生 产效率的作用。还可以根据用户的需要调整测试参数，从而达到既满足用户使用要求又 降低测试装置成本的目的【l 卜瑚。 以下附表分别列出了这三家产品的部分性能参数： 表1 1 英国p h o e n i x 公司潜油电泵井下测试装置参数 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力 0 t o5 , 0 0 0 p s i0 1 7 1p s i 出口压力0 t o5 ，0 0 0 p s io 1 7 1 p s i 入口温度 o 1 2 5 0 6 7 o 1 电机温度0 3 2 5 0 6 7 o 1 出口流量 o - - 。3 0 0 0 0 b b l d a y 5 l b b l d a y 振动 o 3 0 9 1 6 7 0 1 9 泄漏电流 0 - - 一2 5 m ao 2 0 0 0 0 1 m a 表1 - 2 美国w e a t 也r f o r d 公司潜油电泵井下测试装置参数 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力 0 - - 。5 0 0 0 p s i o 1 l p s i 出口压力 0 5 0 0 0 p s i o 1 l p s i 入口温度 0 1 2 5 1 0 1 电机温度 0 1 2 5 1 0 1 出口流量 o 3 0 0 0 0 b b f d a y 5 l b b f d a y 振动 o 1 0 9 l 0 0 0 1 9 泄漏电流0 2 5 m a0 0 5 1 u a 表1 3 英国z e n i t h 公司潜油电泵井下测试装置参数 测试参数测量范围精度分辨率 入口压力 0 1 0 0 0 0 p s i 0 1 l p s i 出口压力 0 1 0 0 0 0 p s i 0 1 l p s i 入口温度 0 1 5 0 1 o 1 电机温度0 1 5 0 1 0 1 出口流量 o - - 。3 0 0 0 0 b b u d a y 5 l b b f d a y 振动 o 1 2 9 5 0 0 0 1 9 泄漏电流0 2 5 r n a o 0 5 1 u a 可见，国外潜油电泵井下测试装置的发展趋势是向多元参数测试、大的使用范围、 可靠的使用性能和精度方向发展。 5 西安石油大学硕士学位论文 国内，由于某些电气元件的使用性能还不能满足高温、高压下的使用环境，所以国 内的井下测试装置一般都是压力和温度测试的二元参数井下测试装置，虽然测试精度和 使用性能满足一些用户需求，但测试参数少、范围小、精度低、可靠性差，还不能完全 满足用户需求。同时也限制了国内潜油电泵井下测试仪器的发展。 比较突出或者说是基本成型的产品有哈尔滨理工大学与大庆油田力神泵业公司合作 研究的两参数“g y w g b l 型新型本征半导电高分子压力温度双参数传感器 ，其技术 指标如下： 1 测量范围：0 4 0m p a 2 工作温度：0 - 2 0 0 3 压力灵敏度： 8m v 1 0 5p a 4 测温范围：0 2 0 0 5 温度灵敏度： 8m v 0 c 6 精度：1 5 7 重复性：0 2 f s 8 耐系统绝缘泄漏试验电压：5 0 0v 9 平均寿命：1 5 年 1 0 稳定性：0 5 f s 其次，还有宁波自动化仪表科技有限公司研制的两参数“q c w y 一1 型潜油电泵井 下测温测压系统 。其部分特点及技术指标如下： 1 压力测量：0 - - 一3 5 m p a ；精度：1 0 级 2 过压能力：1 5f s 3 温度测量：0 - - 一8 5 ；精度：2 4 重量：井下参数测量变送部分1 0 k g 井上二次仪表部分1 8 k g 5 隔离元件的性能：2 5 0 0 v d c 时，绝缘电阻不小于2 0 0 0 mq 6 可靠的短路保护：井上动力电缆一相接地时，井下变送器输入端电压不超过 1 5 v a c 1 5 本文主要研究内容 本项目的原理是根据井下潜油电泵测试装置安置的各参数测试传感器进行信号检 测，通过动力电缆将信号反馈到地面二次仪表完成各参数的测量。 本项目的技术难点是：该系统井下部分连接在潜油电泵机组尾部，与泵一起工作 在井底，工作环境非常复杂、恶劣( 高温、高压、高电压、高冲击且空间狭小等) ，因 此要求该系统井下部分能在恶劣的强电磁场、地磁场及强腐蚀等干扰条件下稳定可靠工 作；井下传感器内各参数测试电路的设计、信号的采集与传输及地面二次仪表的数据 6 第章绪论 生成；井下部分电源模块的设计。对此，可以借鉴国内外先进的技术经验，依靠相关 研究单位的技术力量，进行电路元件的筛选、优化设计，模拟信号与数字信号的转换来 进行改进。 目前该技术在国外已经成熟，在油田中己推广使用，性能稳定。国内由于技术水平 有限，基础电器元件的性能不过关，某些参数测试还存在问题。我们通过对国外产品的 调研与分析，在电路设计上一些电器元件可采用军品级的，增强仪器的可靠性与耐久性， 以达到使用要求。本项目进行井下压力温度参数的采集与输出研究，设计相应的测试电 路及机械结构，完成信号传输和接口设计、地面二次仪表的设计、与电泵系统的连接。 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 井下压力温度检测技术的研究。主要包括：结合国内外有关潜油电泵井下测试 装置的研究现状，分析相关测试仪器的测试特性、测试传感器性能指标及相关器件环境 性能( 高温、高压、强腐蚀等) ；井下检测装置的抗震性、密封性等机械结构的研究； 井下检测电路的研究。 ( 2 ) 机械结构设计。井下测试装置机械结构主要包括与潜油电机连接的过渡接头、 潜油泵接头、井下电路单元保护外壳，电路板的承载支架及传感器部件，电缆星点接口 设计六大部分。 ( 3 ) 信号传输特性的研究。主要包括：对电力载波方面的特性研究，确立一种稳定、 可靠、经济的井下数据传输方案和井下系统供电方案；对潜油电泵井系统特点的研究， 构建可行的、经济的信号传输通道。 ( 4 ) 地面系统的研究。主要包括：三相电抗器的设计；井下供电电路的设计；井上 智能仪表的设计；以及关于强电与弱电隔离性能的分析研究，确定一种有效的、安全的 隔离方案，完成井上、井下电路模块与三相动办电缆的接口电路设计。 ( 5 ) 信号处理技术的研究。完成井下温度、压力及油面液位的动态数据测试，以及 通过r s 2 3 2 串行口与计算机通信，完成上位机系统的程序流程图设计。 7 西安石油大学硕士学位论文 第二章总体设计 潜油电泵井下测试系统( 简称系统) 是一套适用于潜油电泵机组采油过程中的配套 测试系统，通过它可测试井下压力、温度及油面液位。该系统集强电与弱电、计算机与 通讯、机械与新材料、强度与密封、绝缘与传导等多学科高难度技术为一体，具有高精 度、高性能、智能化的数据采集、处理、显示功能的综合独立系统。在采油过程中该系 统与油井电源控制设备、潜油电泵机组构成一套完整的闭环控制系统。 系统主要由井下数据测试、数据传输和井上数据处理、数据显示四大功能块组成， 井上、井下部分通过潜油电机的三相高压动力电缆和地线( 输油管道) 连接成一个回路。 其中：井下部分包括压力温度复合变送器、井下电路模块、抗震结构、电机过渡连接结 构，密封连接成一个整体；井上部分包括井上三相电抗器、组合单元和智能表。 2 1 潜油电泵井下测试系统的工作原理简述 整个测试系统包括井上和井下两大部分，井上部分给出电压激励，通过油井三相高 压电缆供电给井下部分，井下电路将非电量压力、温度物理信号转换成电量，弱电信号 经放大后给u f 变换电路，转换成频率方式，经单片机处理后，利用电力线载波技术经 三相动力电缆及铠皮构成的回路，传回井上智能表，井上智能表识别压力和温度信号后， 处理所接收到的电流信号，并进行储存、显示。测试系统借助三相动力电缆和地线( 油 井套管) 将井上部分和井下部分组成一个独立的完整回路。 传感器和测量仪器相距一千米以上，为了节省信号传输导线，利用电机的电源线来 传输测量信号，井下电机的三个绕组是对称的星形连接，在地面上也做一个人工星点， 三个绕组的参数是相同的，因此两个星点的合成电压都为零，三相电源不影响测量信号 在两星点之间传输。但是两组对称绕组不可避免地出现不对称，则传感器采用直流供电， 并在线路上加滤波器以消除交流干扰。另外为了消除传输线的压降影响，传感器用恒流 源供电，并用继电器控制，地面仪器测两次电压，一次传输线接地，一次接传感器。 整个潜油电泵井下测试系统的工作原理如图2 1 所示。 8 第二章总体设计 图2 1 潜油电泵井下测试系统的工作原理图 井上智能表是一个多功能表，可根据用户的要求显示井下压力、温度、液位( 根据 用户要求，可按压力和油层液面关系将井下压力换算成用户可直接读取的液位值) ，还 对由温度引起的压力漂移进行误差补偿。同时智能表上设有两个专用接口，用于和计算 机连接通讯。 压 力 传 感 器 温 度 传 感 器 m u x 通 道 选 择 器 井下部分 电源模块 参 数 放 大 与 校 正 泵 电 流 滤 波 器 或 变 频 消 压 器 抗 震 结 构 过 渡 连 接 结 构 三相高压 电缆 井 上 相 电 抗 器 组合单元 电缆接 地铠皮 r 一；i 磊一 加 转换 单片机 c p u 液晶 显示 电源 输入 压力 温度 电流 输出 接口 ，卫竺 i l 一 图2 - 2 电泵井测试系统构成图 根据潜油电泵井下测试仪应具有自动记录、存储并显示压力、温度数据以及与计算 9 西安石油大学硕士学位论文 机进行通信的功能要求，可以把硬件和软件分成若干个模块，分别进行设计和调试，然 后把它们连接起来，进行总调。模块化设计易于编程和调试，可以减小故障率和提高软 件的可靠性。 电泵井测试系统构成如图2 2 所示，传感器的输出经模拟通道选择，参数放大与校 正电路处理后，信号由数字面板分时显示。各电路的工作时间由逻辑控制电路控制。具 体来说，现场被测压力、温度信号经过相应的压力、温度传感器采集信号，转换得到与 之对应的电压信号，由于此电信号的幅度往往很小，无法进行a d 转换，因此需对这些 模拟信号进行放大处理。多路模拟开关将压力信号与温度信号进行分时选通、放大，然 后进行a d 转换和数据存储，再经过调制和单片机处理后。电力线载波将压力和温度信 号传输到井上，经过解调还原出压力、温度信号，因此压力、温度就可以通过数码管进 行显示，数据也可以通过通信技术传输到计算机中。 2 2 系统组成 由上面的分析可知整个测试系统由两大部分组成，即井下测试装置和地面的二次仪 表，以及读数软件组成。 井下测试装置包括仪器的机械结构，压力、温度传感器，井下电路模块，电源模块 等。地面二次仪表部分包括人工星点、信号处理电路、数据读取软件、存储、仪器仪表 面板和电源模块等。 下面分别介绍各个模块的构成。 2 3 井下系统 2 3 1 传感器 在单片机控制的许多应用场合，都要使用传感器来将单片机不能直接测量的信号转 换成单片机可以处理的电模拟信号，如压力传感器、温度传感器、流量传感器等。传感 器是将能感受到的及规定的被测量的非电量信息按一定的规律转换成为某种可用输出信 号的装置。它位于信息采集系统之首、检测与控制之前，是感知、获取与检测的最前端。 传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信 息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。因为传感器是信息 的源头，它的输出信号是后续电路所要处理的输入信号。传感信号的正确与否直接决定 了我们测量结果的准确性【1 9 1 。石油井下测试系统的传感器要严格按照测试要求和工作环 境来选定合适的传感器，在此，传感器选用佛山拓扑p t p 7 0 6 温度压力一体化传感器。 2 3 2 电路模块 电路模块是传感器的后续处理模块，它接收由传感器传过来的电信号，进行匹配、 1 0 第二章总体设计 量化、编码、存储的处理。分为模拟电路和数字电路两大部分； 模拟电路：模拟电路主要完成了信号的滤波、匹配放大等功能。 数字电路：数字电路主要完成了放大后信号的采样、保持、量化、编码和存储以及 电路逻辑控制功能【2 0 j 。 在本系统中井下电路模块，模拟电路和数字电路兼有。传感器将非电量信号转化成 为电量信号后，接多路模拟开关的输入通道，单片机控制每一时刻选通通道，多路模拟 开关的输出接采样保持器，保证输入a d 的信号正确，采样保持器连接a d ，将模拟信 号转换成数字信号输出。经过单片机读出其数值得到相应的模拟电压值，然后单片机将 所得到的数值通过串口发送出去。具体的将在第三章中详细介绍。 2 3 3 供电电源 井下测试系统微体积的特点决定了它所用的电源体积必须尽可能的小。由此带来的 问题是容量很有限，并且要承受恶劣环境的考验。很多情况下，电源的可靠性和有效利 用率就成为井下测试问题的关键之一【2 l l 。如果没有适当的技术来有效的控制井下测试系 统的电源开销、提高电源的有效利用率，就只能限制被测系统的工作时间和工作方式。 另一方面，在高温，高冲击等恶劣环境下，确保电源的可靠工作关系到整个井下测 试系统的可靠性。由于测试仪工作的环境是高温、高压、高冲击，对电源的要求比较严 格，所以可以选择的并不多。考虑到以上因素，且由于井下系统常年在井底工作，空间 狭小，所以采用电池供电是不切实际的。同时，因潜油电泵电机绕组机械结构和密封特 性的要求，故直接从动力电缆任意两相上引线也是不现实的。本课题采用从地面系统供 电的形式，井下测试装置通过稳压模块获得电路工作所需要的电压。 2 3 4 机械外壳 该系统具有独特的二自由度抗振连接结构，不仅可灵活连接不同结构尺寸的电机， 还能通过调整二自由度抗振连接结构以满足不同的油管尺寸的需要，并稳定可靠工作。 本系统结合潜油电泵井下测试系统的工艺要求，对井下机械部分作以设计。该部分主要 包括与潜油电机连接的过渡接头、潜油泵接头、井下电路单元保护外壳，电路板的承载 支架及传感器部件，电缆星点接口设计六大部分。在完成电路的焊接、调试等工作后， 就可以将电路板放入保护筒中进行真空灌封，将电路板与保护筒凝固为一体，这样可有 效防止电路板在高温、高冲击的环境中发生破裂、断线等一系列的物理损害，避免影响 电路正常工作。 西安石油大学硕士学位论文 2 4 地面二次仪表 2 4 1 电抗器 井下电机的三个绕组一般是对称的星形连接，在地面上也必须做一个三相电抗器( 人 工星点) ，并且要求该电抗器的三个绕组各项参数相同，使这两个星点的合电压分别为 零，从而达到三相动力电缆的星点电势平衡，形成星点等势法供电，以及减少对测量信 号在星点之间传输的影响。 2 4 2 电路模块 井上电路主要完成的功能包括： 1 给井下系统通过星点等势法供电； 2 控制井下系统的通断； 3 对井下系统传送的信号解调并处理； 4 将采集到的数据处理成便于用户读取的压力、温度值； 5 存储、显示井下温度、压力的动态数值； 6 具有p c 机接口并可将所测得的数据输入到计算机进行存储、分析； 7 通过计算机可读取井下压力值，并绘制出井下压力曲线。 具体实现第五章有详细介绍。 2 4 3 显示面板 由于人机界面中的键盘、显示等慢速外设需占用系统太多的资源，从而造成处理速 度下降，系统的可靠性降低。因此，本文采用具有串行接口的键盘显示智能控制芯片 z l g 7 2 8 9 ，并以它为核心设计的键盘、显示电路具有结构简洁，功能完备，可靠性高的 特点，且使用方便，适于推广。 2 4 4 软件模块 在本论文设计的系统中，p c 机是整个潜油电泵井下测试系统所测得数据的处理、存 储及曲线显示的界面。数据均可通过r s 2 3 2 串口读入到计算机进行保存并通过相应的软 件处理，绘制出三个月之内的压力、温度曲线。曲线显示是指分别以时间和某一检测参 数为x 轴和y 轴，画出该参数随时间的变化趋势图，以便于工程技术人员随时了解、分 析井下环境的变化和采油设备的运转情况，并作适当的调整。 2 5 本章小结 本课题以潜油电泵的入口温度和压力作为检测参数，将传感器采集到的数据通过安 装在潜油电机底部的井下测试装置进行处理，并转化成特定的频率信号，然后采用电力 1 2 第二章总体设计 线载波的方式利用潜油电泵的三相动力电缆及地面电抗器构成的人工星点将数据传送至 地面，解调还原出原信号，并经过进一步处理，在地面二次仪表中利用软件，存储和显 示各参数。 潜油电泵井下测试装置的机械结构受环境及套管直径尺寸的限制，各个组成部分必 须有一定体积限制，还应考虑井下测试装置机械本体具有承受高温、高压的能力以及在 该条件下的良好密封性及抗冲击性。 1 3 西安石油大学硕士学位论文 第三章井下系统设计 该系统井下部分连接在潜油电泵机组尾部，与泵一起工作在井底，工作环境非常复 杂、恶劣( 高温、高压、高电压、强腐蚀等) ，因此要求该系统井下部分能在高温、高 电压、高强度、强电磁场、地磁场干扰条件下稳定可靠工作。所以，在选取元器件、设 计电路时必须考虑芯片的耐温特性以及电路系统的抗干扰性能。 本系统硬件部分主要分为以下几大模块：井下采集模块，电源模块，数据传输电路， 调制解调电路，输入输出通道电路。并且主要元器件均选用较高精度标准的产品，大大 提高了系统的可靠性、耐高温性和抗振性。 3 1 设计原理简述 潜油电泵井下测试装置通过过渡连接接口与潜油电机连接。潜油电泵测试装置位于 电机的下部和泵一起浸没于石油和油水混合物中。位于测试装置底部的传感器将井底的 压力、温度等模拟信号转换成与之对应的电压或电流信号。各部分获得的数据在向地面 传送之前都要经过u f 转换成频率信号并且经过滤波处理。由于传感器和地面二次仪表 相距一千米以上，为了节省信号传输线路，这里采用电机的动力电缆来传输测量到的信 号，信号传送部分电路是连接下位系统和上位系统的纽带，也是电力传送的通道。这部 分设计是利用电力载波原理实现的，它利用贯穿油井上下的三相交流动力电缆，将井下 多元测试仪测得的数据传送到地面的二次仪表，从而达到精确测量井下油层各物理参数 的目的。井下电机的三个绕组是对称的星点连接，在地面上也做一个人工星点，三个绕 组的参数是相同的，因此两个星点的合成电压为零，三相电源不影响测量信号在两星点 之间的传输。 3 2 井下系统设计准则 综上所述，我们所要设计的仪器的主要工作环境是一个高温、高压、强腐蚀，且空 间狭小的环境。另外，由于不同的地方地质条件的差别，以及其他一些可预测或者不可 预测因素都会对井下系统的性能带来影响。因此，所设计的井下系统需满足以下的测试 要求： ( 1 ) 电路设计必须合理，同时尽可能降低功耗，能在高温、高压的环境下正常工作， 且可以长时间保持数据； ( 2 ) 传感器须能承受高温、高压、高电压、高冲击的恶劣环境，且要具有较高的灵 敏度和精度； ( 3 ) 机械装置能耐高温、高压、高冲击、密封性好，防止井下的液体进入电路，造 成损坏且装配简单，可操作性好； 1 4 第三章井下系统设计 ( 4 ) 在不影响整体性能的前提下，尽量使仪器的体积缩小，使现场操作简便易行， 这样会给仪器的使用带来极大的方便； ( 5 ) 软件设计合理，界面友好，操作简便； ( 6 ) 对被测体和被测物环境产生的影响降低到最j 、 2 1 - 2 4 。 压力传感器是根据测试要求和精度选用的专门器件。所选用的传感器必须能在恶劣 环境下正常工作并有较高的精度和灵敏度，此外，由于体积的要求，尽量选择体积不大， 安装、使用简便，抗干扰能力强的传感器。 井下电路模块，接收传感器的输出信号，完成信号的匹配、编码以及向地面设备输 送测试结果。电路系统在这种高温、高压的环境中要可靠的完成信号的处理等相关工作， 就必须能承受高温、高压和高冲击、振动的影响【2 5 】。因此，在芯片和器件的选择上就必 须要选择相关参数较高的以及体积较小的，此外还必须把这些器件放在高温环境中测试 性能，不断的进行筛选。这样选出来的芯片才能满足我们设计的要求。电源模块的设计， 其关键在于电源的性能，因此关于电源模块我们有这么几个要求： ( 1 ) 电源在高温、高压、高冲击振动下能持续、可靠的供电； ( 2 ) 在满足上面的条件下，尽量选择体积相对较小可长时间供电的电源； ( 3 ) 设计合理的电源管理控制系统，严格控制电源电量的开销，做到微功耗： 最后，电路模块、电源模块和传感器都必须装配在高强度机械保护外壳内进行保护， 防止在井下碰撞和高冲击过程中，造成各模块的损坏。在设计外壳时，必须科学、合理 的选择各个部件的布局，合理的布局也可以有效的提高系统的抗过载能力闭。 关于抗过载的技术，除了上面提到的选用抗过载能力强的器件和合理的个体布局之 外，比较有效的方法有两种：一是强化技术，即在一定温度和环境条件下，采用流动性 较好的灌封材料对组装好的电路灌封，使其固化；二是缓冲技术，缓冲原理是利用缓冲 体的弹塑变形以及阻尼作用，减弱由于载体加速或者减速运动而作用于测试仪器的办， 使测试仪器能承受比载体较小的过载峰值。此外，缓冲体除了起缓冲减振的作用外，还 可以有效的隔离或衰减载体与目标撞击时，在其内部形成的应力波，并防止测试仪与载 体之间的刚性碰撞【2 7 j 。 3 3 井下系统传感器选型 传感器将被研究对象的动态参数转化为电信号，是检测与控制系统之首。传感器的 设计与应用是整个测试装置的基础之一，