潛油電泵監測系統

摘要：潛油電泵監測系統是實時測量潛油電泵工況的儀器，主要監測潛油電泵進口壓力、出口壓力、電機溫度，出口溫度、X/Z方向振動、工作電壓/電流等參數通過上述數據判斷潛油電泵運行狀態，根據參數調節變頻器運行狀態，保證潛油電泵不出現空抽及卡死等現象，降低停產造成的巨額損失。

關鍵詞：潛油電泵;實時測量;參數調節

0 潛油電泵監測系統組成

潛油電泵監測系統主要由三部分組成，地面觀測系統、地面扼流裝置、井下監測系統。

地面觀測系統（SURFACE PANEL）是人機交互端口，將井下監測系統采集的信號經過解碼后顯示在該觀測系統中。該觀測系統與變頻器通過RS485線連接，可以根據觀測到的參數調整變頻器的運行狀況，保證潛油電泵抽油保持高效狀態。

地面扼流裝置（ZENITH HV CHOKE）是監測系統與變頻器之間的接口，采用變頻器專用高壓線連接二者，因為變頻器存在各種諧波成分，采用該裝置后可以將干擾信號與諧波信號盡可能的抑制在較低水平。內部由三相電抗器和電阻組成，外部的熔斷器可以保證有大電流通過時監測系統不會受到沖擊。它的LINE與CHASSIS接口與地面觀測系統的接口相連。

井下監測系統是潛油電泵數據采集的核心，它不需要信號傳輸線，通過潛油電泵電機中性點可以將信號傳輸到地面觀測系統中，可以觀測的信號包括進口壓力、出口壓力、電機溫度、進口溫度、X/Z方向振動、工具電壓/電流等7組參數。這些參數是潛油電泵操作人員最關心的參數，根據這些參數可以判斷潛油電泵現在的運行狀態，判斷揚程及抽油狀態，保證潛油電泵工作狀態正常[1]。

1 潛油電泵監測系統的優點

傳統潛油電泵運行狀態的觀測采用壓力傳感器（內含PTIOO）可以觀測潛油電泵壓力與溫度兩個參數，但信號傳輸需要信號線，且需要獨立供電的電源線，總共6根（分別為壓力信號兩根、PTIOO兩根、電源線兩根。潛油電泵主要是針對深井（地下3000米以下），由于傳輸距離較長信號線耗材較貴，且信號線捆綁在潛油電泵泵體上。但井下抽油過程泵體始終處于鐘擺狀態，造成信號線磕碰，經常造成信號采集效果不佳或無信號傳輸到井上，無法觀測潛油電泵運行工況，造成抽油過程中出現卡頓等現象，這樣影響了抽油工作，往往需要提井維修，會造成重大經濟損失[2]。

潛油電泵監測系統為實現給井下系統供電，地面扼流裝置利用三相電抗器，構造一個人工星點。井上二次儀表接在此星點上。三相動力線在此兩個星點上的電動勢為0。因此井上星點可以獲得井下耦合信號，變頻器輸出三相交流電是對稱三相電，不論電壓電流如何變化，電機星點與電抗器模擬星點的電勢差都是0，因此三相電流電壓不會影響信號傳輸與耦合。采用電力載波專用調制解調芯片XR2206將井下信號傳輸到井上，井上采用XR2211芯片進行信號解調完成信號傳輸。

2 監測系統硬件分析

監測系統主要由兩部分組成，地面觀測系統與井下監測系統。

（1）地面觀測系統主要由如下幾部分組成：液晶顯示屏、AC/DC模塊、信號解析采集板。

其中信號解析采集板主要有如下功能：①RS485接口，分別連接變頻器與液晶顯示屏。②DC/DC功能，AC/DC模塊將220V市電轉換為DC24 V，將該直流24 V分為兩路，一路經過TI公司的LM22675-ADJ轉換為SV電壓供地面觀測系統工作，轉換電路如圖4所示。另一路經過半橋驅動與正激變壓器輸出120 V直流信號給井下監測系統供電。

③8階低通濾波器井下采集的信號已低頻方式經過電機中性點，變頻器高壓信號線，地面扼流裝置后傳輸給地面觀測系統，信號的頻率在15 Hz以下，而傳輸信號中夾雜著變頻器的高次諧波成分，所以信號進入地面監測系統要把諧波信號濾除，采用8階低通濾波器后，可以將15 Hz及以下的有用信號保留，圖5為八階低通濾波器中的初始兩階，后面還有三組二階低通串聯組成，四組區別只是電阻與電容的阻值與容值不同，為了濾除不同頻率的信號。其中運放采用TI公司OP777芯片，需要雙軌供電。

④信號比較經過8階低通濾波器后有效信號需要經過電壓比較器，此處比較器的作用是區分不同的信號，由于有7組不同的信號傳輸，根據其不同的電平值，定義其是哪組信號，便于處理器進行處理。

⑤信號分析及傳輸處理器將7組不同的信號經過分析解碼后，通過RS485傳輸給液晶顯示屏與變頻器[3]。

（2）井下監測系統主要由穩壓管、單相電抗器、電源板、信號采集板組成。穩壓管為120 V穩壓管，將地面觀測系統提供的直流電壓進行穩壓處理。由于井下監測系統是利用潛油電泵電機中性點，電機中性點存在交流成分，故進入進行監測系統前需要對交流成分進行濾波處理。保留直流電源為系統供電。

電源板與信號采集板主要完成如下功能：①電源分配進入監測系統的120 V電壓經過震蕩電路與反激變壓器將電壓變換為10 V與SV電壓，其中SV電壓作為系統電源，10 V電壓為甲乙功率放大器使用，推動采集的信號傳輸到井上地面設備。②信號采集采用2個濺射薄膜壓力傳感器分別采集潛油電泵進口與出口壓力，采集的壓力信號幅值很低，將信號傳輸給ADI公司的24位ADC芯片AD7794，該芯片可以處理微弱小信號，將信號處理后輸出給處理器進行分析。溫度采集采用J型熱電偶，將冷端焊接在電路板上，熱端接到潛油電泵電機內，測量其溫度。采集的信號經過LTC公司的儀表放大器LTC2050進行型號放大后，輸出給TI公司的ADC芯片ADCS7477，經模數轉換后給處理器進行分析。振動信號采用ADI公司最新的兩軸加速度傳感器ADIS16006，該加速度傳感器為數字輸出，信號給處理器進行分析。③處理器接收到3組信號分析后將數字量輸出給Microchip公司的DAC芯片MCP4728，經LTC公司比較器LTlOII輸出給甲乙放大器，輸出到井上設備。

3 監控系統軟件流程

監控系統軟件主要分為井下數據采集與井上數據分析兩部分。井下數據采集主要工作包括，壓力信號的校準、溫度信號校準、振動信號校準、數據信號編碼發送。井上數據分析包括數據解碼接收、數據分析、數據發送到人機界面與變頻器。

井下數據采集的壓力信號由于壓力傳感器零點偏移及線性誤差，采用活塞式壓力計對壓力信號進行校準，對采樣信號與壓力計碼盤質量經過MATLAB進行擬合，擬合后的效果近似為二次函數。同理，對熱電偶的溫度信號進行采集及擬合工作，由于工作溫度范圍在0- 150度溫度范圍，故信號采集時需要更換介質，用加熱設備分別加熱水（100℃以下）和乙醇（100℃以上）。溫度擬合曲線為三次函數。對振動加速度的測量主要是變換其所在方向，正上，正下，正左，正右，其數值分別對應一個方向最大，另一個方向最小。數據編碼發送，將不同信號賦予不同的電平值經甲乙放大器發送到井上。

井上數據分析將不同電平值的信號解碼為壓力、溫度、振動信號，并將不同的信號送到人機界面為其設定的地址號中顯示。

4 結論

本文系統地分析了潛油電泵監測系統的組成、優點、軟硬件設計思路。潛油電泵監測系統作為潛油電泵的伴侶可以實時將監測信號傳輸給井上采油人員，便于工作人員對工況進行調節，不再需要采油人員憑借經驗來分析潛油電泵運行狀況，減少了停井造成的經濟損失，逐漸被主流采油廠商采用。

參考文獻：

[1]張銘鈞，董振剛，張丙良，潛油電泵機組及井下傳感器狀態監測技術研究[J]電機與控制學報.2009（1）.

[2]袁麗麗，潛油電泵井下參數高精度監測及高效運行研究[D].啥爾濱：啥爾濱工業大學，2011.

[3]張雯搏，潛油電泵機組及井下傳感器狀態監測技術研究[J].中國石油和化工標準與質量.2012（7）.

作者簡介：

孫曉偉，高級工程師。