潜油电泵井下参数高精度监测及高效运行研究

摘要

潜油电泵机组目前已经成为采油工业中的主导设备，为了提高机组的可靠性及工作效率，对机组的工作状况进行实时监测显得尤为重要。考虑机组复杂的工作条件，包括高温、高压、强腐蚀及井深上达几千米等，实现对井下参数检测并将其准确可靠地传输到地面仪表是该领域的研究重点。本课题设计了一种潜油电泵井下参数监测装置，可以实现可靠的数据传输，并且具有较高的检测精度。
　　本课题设计的潜油电泵井下参数监测装置可以实现以下参数的监测：泵入口压力、出口压力、入口温度、电机绕组温度、机组振动及漏失电流。系统分为两个部分：井下检测单元和井上数据处理及显示单元。系统巧妙利用潜油电机的三相电缆作为传输媒介，精简了结构并节省了成本。本课题重点为提高系统的精度，从多个角度进行了设计，包括元器件的选择、采用电流信号传输数据、多重滤波及查表补偿的方法等。
　　井下检测单元的设计是本课题设计的重点。它完成参数数据的采集和调理以及电压-电流转换的功能。其中，井下传感器采用反激变换器供电，其带载能力直接影响电路的工作情况。数据采集和调理部分主要是将传感器的信号放大到适合AD采样的电压范围，然后采用PIC单片机控制数据选择器分时选通参数数据，最后采用电压-电流转换电路，将数据以帧的格式传输至井上单元。
　　井上单元由两部分构成：井下供电部分和数据处理及显示单元，井下供电主要是采用倍压整流电路获得井下的供电电压；数据处理及显示单元主要作用是进行数据采样、滤波及显示。其中数据采样和滤波部分是由 ARM7系统完成，显示及信息存储部分由ARM9系统完成。两部分之间依靠串口进行通讯。外扩16位 AD采样芯片及数字滤波技术的引入，进一步提高了系统的测量精度。
　　本课题设计的潜油电泵井下参数监测设备，通过地面仪表可以实时监测各个参数数值并进行报警，还可以存储一定时间的监测数据及报警信息，以供查询和分析。极大的方便了客户，同时有利于机组的高效运行。
　　整个系统经过工业现场的测试，运行稳定可靠，测量参数精度满足应用需求。最后分析了机组运行工况点的影响因素，并提出了两种提高泵效的方法，为进一步研究奠定了基础。

目录

潜油电泵井下参数高精度监测及高效运行研究

RESEARCH ON HIGH-ACCURACY DOWN-HOLE PARAMETERS MONITORING AND HIGH-EFFICIENT RUNNING OF ELECTRICAL SUBMERSIBLE PUMP

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 潜油电泵采油系统概述

1.2 潜油电泵井下工况测试领域的发展状况

1.2.1 国外发展现状

1.2.2国内发展现状

1.3 潜油电泵井下工况监测系统的发展趋势

1.4 论文的主要研究内容

第2章 系统总体结构及高精度设计

2.1系统测量目标及总体结构

2.1.1系统功能目标设定

2.1.2系统总体结构设计

2.2系统功能划分及逻辑框图

2.3提高系统精度的设计

2.3.1元器件的选择

2.3.2信号传输方法

2.3.3多重滤波环节

2.3.4查表补偿方法

2.4本章小结

第3章 井下信号采集及调理系统

3.1传感器的选择

3.1.1压力传感器的选择

3.1.2温度传感器的选择

3.1.3振动传感器的选择

3.2运算放大器的选择

3.3信号调理电路的设计

3.3.1基准电压产生电路

3.3.2压力信号检测及调理电路

3.3.3入口温度信号检测及调理电路

3.3.4绕组温升信号检测及调理电路

3.3.5机组振动信号检测及调理电路

3.3.6泄漏电流的测试方法

3.3.7选通时序控制电路的设计

3.4井下系统供电电源的设计

3.4.1反激变换器的工作原理

3.4.2反激变换器相关电路设计

3.5信号电压-电流转换电路

3.6本章小结

第4章 井上信号采样及数据处理系统

4.1井上电源电路设计

4.2井下供电系统设计

4.2.1六倍压整流电路

4.2.2井下电源控制电路

4.3信号电流-电压转换电路设计

4.4ARM7系统硬件设计

4.4.1ARM7微处理器电源电路

4.4.2JTAG仿真器接口电路

4.4.3A/D采样芯片接口电路

4.4.4串口通讯接口电路

4.4.5继电器接口电路

4.5ARM9系统硬件设计

4.5.1ARM9微处理器电源电路

4.5.2串口通讯接口电路

4.5.3USB接口电路

4.5.4TFT接口电路

4.5.5按键接口电路

4.6本章小结

第5章 系统软件设计

5.1PIC时序控制程序设计

5.2ARM7系统软件设计

5.2.1系统软件总体设计

5.2.2A/D采样程序设计

5.2.3UART通讯程序设计

5.3数字滤波程序设计

5.3.1FIR滤波器的基本结构

5.3.2FIR滤波器的设计步骤

5.3.3应用MATLAB设计数字滤波器

5.4ARM9系统软件设计

5.4.1系统软件总体设计

5.4.2UART及数据处理程序设计

5.4.3TFT初始化程序设计

5.4.4菜单界面功能程序设计

5.4.5数据记录存储程序设计

5.5压力测量修正方法

5.5.1零漂补偿方法

5.5.2查表修正方法

5.6本章小结

第6章 实验结果及高效运行研究

6.1井下系统供电电压

6.1.1井下输出供电电压

6.1.2井下实际供电电压

6.2反激变换器输入输出电压

6.3各参数信号测试结果

6.3.1压力信号

6.3.2温度信号

6.3.3振动信号

6.4井上井下时序信号对比

6.5试验井现场测试结果

6.6潜油电泵机组高效运行方法探讨

6.6.1机组运行高效区确定

6.6.2机组高效运行方法探讨

6.7本章小结

结 论

参考文献

附 录

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢