0 引言

抽油机、地面驱动螺杆泵和电潜泵等常规举升设备在大斜度井、定向井及特殊井举升方面存在适应性差、检泵周期短和能耗高等问题^[1-2]。电动潜油螺杆泵解决了杆管偏磨问题，降低了机采系统能耗，其携砂能力强，应用范围广，较潜油电泵更适用于国内大量的中低产井。电动潜油螺杆泵配套的井口装置简单、占地面积小，该泵在水平井、斜井、沼泽及海上油井的开发中也具有明显的优势，并且更适合在环保敏感区进行开采^[3]。

潜油直驱螺杆泵是电动潜油螺杆泵的一种，它采用同步电机驱动，取消了系统中的减速装置^[4]。但是，潜油直驱螺杆泵机组的主要部件都处于井下，难以检查其运行状态，因此机组常常处于不合理状态却不能被及时发现，导致检泵周期缩短。同时，对井下工况判断不当而造成不必要的修井作业也会增加油井的生产成本。因此，对潜油直驱螺杆泵井下工况做出及时、准确的判断，成为螺杆泵进一步推广的关键。

目前，采用分布式光纤技术可以采集井下的温度和压力信号，这种技术对于高温井有很好的适应性，并且井下没有电子元件，避免了因为温度引起的温漂和可靠性等问题。但是光纤及配套工具的成本较高，在低油价的背景下，不适合在低产井中使用^[5-6]。无线传输方式多用于钻井领域，由于潜油直驱螺杆泵的电机在井下工作时电缆和电机的干扰较多，不宜采用无线传输^[7-8]。潜油电泵的配套工况监测系统技术相对成熟，但潜油电泵配套使用的是异步电机，电机采用的是工频大电压驱动，电压波形为正弦波，其井下信号使用基带电流信号传输至地面^[9-10]。电潜螺杆泵使用的永磁同步电机采用380 V电压的变频矢量控制方式^[11]，电压波形为脉冲调制方波，信号模拟正弦波，载波信号中的高次谐波含量多、干扰大，使用潜油电泵使用的基带信号电力载波方式，无法将信号传递到井口。针对上述问题，笔者设计了潜油直驱螺杆泵井下工况监测系统，利用该系统可将监测到的井下工况信号传递到井口。

1 数字载波的传输方案设计 1.1 整体设计

潜油直驱螺杆泵井下工况监测系统分为地面部分和井下部分，其组成如图 1所示。系统的井下部分包括井下数据采集模块、井下稳压电源模块、电力滤波器和电力载波装置，负责对信号进行采集、调制和传输。系统的地面部分包括变频器、电力滤波器和地面接收装置等，负责对信号的接收、解调和显示。

电力滤波器的主要作用是减少变频器产生的高次谐波影响。井口电力滤波器利用电感阻抗的对称性，构造电压近似为0的中性点。井下采集装置分为稳压电源模块和数据采集模块。井下稳压电源模块提供直流电源，为井下的电子元件供电；数据采集模块主要是将传感器发出的电流信号转换为电压信号，并通过模数转换将数字信号由井下单片机采集。井下单片机根据采集到的电压信号，将数字信号进行调制；井下电力载波模块将井下单片机发送的数字信号载波耦合到电力线，通过电缆向地面发送数据。地面电力滤波器将信号进行再次滤波，消除动力信号的干扰；地面接收装置将信号解调成数字信号，并计算出井下的电压和温度数据，并通过串口传到上位机中。

井下的工况信息主要包括井下的压力、电机的温度以及动液面。动液面可以通过井下的压力和井口套管压力计算出来，因此需要得到的工况信息主要是井下的温度和压力。由于井下温度和压力的变化不大，所以需要传输的数据量很小，实时性要求不高。

1.2 工况信息采集

监测的工况信号有井下压力和温度。在实际的工程应用中，电缆的长度一般为1 000 m以上。传感器的温度量程为0~125 ℃，压力的量程为0~20 MPa，输出4~20 mA标准信号。井下数据采集电路主要包括信号预处理电路、A/D采样电路、CPU中央处理电路和数据通信电路。设计中CPU单片机采用ADI公司的ADuC845芯片，其芯片内部集成了单片机和A/D的功能。ADuC845最高工作温度可达125 ℃，适合恶劣环境下长时间工作的小型信号采集系统。数据采集装置硬件电路的流程图如图 2所示。

(1) 信号预处理电路首先将温度传感器和压力传感器输出的电流信号通过标准电阻转化为电压信号，然后电压信号被送入滤波电路进行滤波处理，以滤除干扰信号，再经过信号放大器放大至适合AD采样的电压信号范围内。

(2) 通过AD采样电路，对信号进行模数转换，数字信号相对于模拟信号来讲，具有更强的抗干扰能力，适用于干扰强的工作环境。CPU对数据进行调频处理，由I/O口输出至数据通信电路；将数字信号中的“0”、“1”分别调制成10和20 Hz的信号，便于上位机的检测与识别，加大了与干扰信号之间的区分度，同时也便于对信号进行滤波去噪，增强信号抗干扰能力，保证信号传输过程中的正确性。

(3) 调制后的数字信号通过数据通信电路耦合到电机的星点。

1.3 信号滤波设计

在电力载波设计时，笔者采用极低频电力载波方案，可以在保证同步电机正常工作的前提下将井下信号传递到地面。电力滤波器结构如图 3所示。

减少高次谐波影响的主要设备有3个：井口的三相电抗器、井口的LC滤波器和井下的LC滤波器。地面三相电抗器主要功能是利用电感通直流阻交流的特性，减弱变频器的高次谐波对直流信号的干扰，并利用电感阻抗的对称性，在地面构造直流电压近似为0的中性点，从而构造出井下低频信号的传输通道。

由于脉宽调制干扰的影响，井口构造的人工中性点与实际电源中性点的电位相比仍然存在一定的电压波动，所以仍需要借助低通滤波器将该谐波分量消除，从而实现更好的电力载波效果，获得更好的数据质量。同时，从电机星点传输到地面的电压信号伴随着电机控制信号的干扰，需要对信号进行滤波处理。同时，井下仪器也需要设计低通滤波装置来消除电机中性点的谐波干扰，从而确保井下采集及载波装置正常工作。电力载波装置工作时，图 3左侧流动的是交流和直流载波的合成电压，右侧则是直流分量。

变频器输出相电压和线电压频谱如图 4所示。由图可以看出，谐波分量主要集中在3 kHz以及3 kHz的倍数。如果要把高次谐波过滤掉，需要将滤波器的截止频率设计为小于3 kHz。图 3中的LC滤波器使用了100 mH的电感和100 μF的电容，这样可以计算出LC滤波器的截止频率为：

(1)

式中：f_c为截止频率，Hz；L为电感，mH；C为电容，μF；f_载波为变频载波频率，Hz。

滤波器的截止频率远小于谐波分量1倍谐波的3 kHz，可以将高次谐波干扰有效滤除，保证了电力载波电路不受变频器输出的高压和高频谐波影响。

2 工况监测系统软件设计 2.1 井下CPU主控程序设计

CPU主控程序作为下位机程序的核心程序，负责协调整个下位机程序的正常运作。其主控程序结构图如图 5所示。

CPU主控程序由初始化程序、延时程序和控制程序3部分组成。初始化程序是对下位机程序的相关变量和硬件驱动设置进行初始化。延时程序是利用单片机晶振的固定频率编写的空循环程序，目的是为程序进行留取准备时间。控制程序是CPU主控程序的核心，主要包括子程序的运行顺序控制及运行速度控制。

2.2 AD采集程序设计

AD采集程序控制单片机内部的数模转换器并对采集到的数据进行处理。单片机的定时器设定采样周期，每个采样周期系统会产生一个中断，当CPU主控程序检测到这个中断时，系统进入AD中断程序，即AD采集程序。AD采集程序主要由AD初始化、开关中断、数据采集和数据处理4个部分组成。AD采集程序结构图如图 6所示。系统将读取到的寄存器的数据进行合并处理，并将模拟信号转化成数字信号对应的不同频率信号，再通过I/O口输出。

2.3 地面上位机程序设计

地面上位机由51单片机进行控制，将计算出的电流值、温度值和压力值写入LCD1602中并实时显示出来，地面单片机与上位机之间通过串口通信，设计了上位机的交互界面，可实现更好的人机交互。界面包括参数显示区、操作区和沉没度计算区3个部分。操作区主要是对单片机串口进行打开和关闭操作，显示串口数据。数据显示区分别显示传感器输出的电流值以及计算出的温度和压力值。可根据井口的压力和泵挂深度计算出沉没度。

3 工况监测系统室内试验

为了验证压力传感器的功能，试验中使用的永磁同步电机、控制柜、变频器、保护器和柔性轴与现场使用的设备相同，电机控制方式也与现场应用相同。电缆使用1 200 m电缆，模拟实际井深。区别为电机空载运行，输出扭矩和功率与现场应用的情况有些差别。

3.1 温度测试

将传感器放入温水中，将上位机读取的温度值与温度计测量的温水温度进行对比。温度计测量值如图 7所示，试验过程中外界温度为10 ℃左右，随着水温慢慢降低，上位机显示的温度值也随之下降。LCD1602显示屏显示的温度值与温度计测量的温度值相差很小，误差小于1%。由于温度显示刷新的频率较慢，显示的温度比温度计的温度略高一些。同时，上位机可以得到温度的变化曲线，得到温度计的温度与上位机显示的温度值一致。

3.2 压力测试

以气瓶中氮气为试验介质，将压力传感器放到密封容器内，在容器内打入高压氮气，通过阀门慢慢针压力释放，使用监测系统进行测量，测量结果如图 8所示。试验的初始值为5 MPa，随后打开泄压阀，压力慢慢减小，在此过程中观察LCD屏幕显示的压力变化，并与压力表的示数做对比。屏幕显示的示数在泄压的过程中逐渐减小，与压力表显示的参数基本一致。

试验结果表明：基于电力载波技术的潜油直驱螺杆泵工况监测方案能够将井下监测到的温度和压力数据精确地传输至井口，且其温度及压力的误差很小。

4 结论

(1) 设计了一种适用于潜油直驱螺杆泵的井下工况监测装置，监测装置采集井下的温度压力信号，同时对采集到的信号进行A/D转换，并通过极低频电力线载波的方式将信号传递到井口；井口的滤波装置通过对信号的滤波去掉高次谐波的干扰，信号解调后将井下的温度和压力显示在LCD显示屏上。

(2) 试验结果表明：通过极低频电力载波的方式可以在矢量控制的方式下实现信号传输；该试验装置可以将井下的温度和压力参数准确地采集并将其传递到井口，从而可以根据显示的工况信息判断潜油直驱螺杆泵的运行状态，并对故障进行预警或处理。

(3) 该动力电缆载波技术的应用能够省掉专用信号电缆的下入，简化了下井作业流程，对电动潜油螺杆泵的推广起到重要作用。