潛油井下控制器及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于石油開采設(shè)備控制領(lǐng)域，涉及一種潛油井下控制器及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前我國(guó)和世界其他產(chǎn)油國(guó)家，油田上都廣泛使用潛油電機(jī)來驅(qū)動(dòng)潛油電泵來汲取原油，傳統(tǒng)的潛油電泵系統(tǒng)，是由地面控制器來驅(qū)動(dòng)井下的潛油電機(jī)及潛油電泵，現(xiàn)有的潛油系統(tǒng)地面控制器存在如下問題:
[0003]一、現(xiàn)有的潛油系統(tǒng)地面控制器一般是將地面上電網(wǎng)輸入的380V三相交流電轉(zhuǎn)化為輸出給電機(jī)的三相交流電之后，通過電纜把三相電接到井下的潛油電機(jī)，而下井距離一般為1000米?2000多米，因此一方面增加了電纜成本，另一方面當(dāng)380V三相交流電直接輸出到井下1000米至2000多米以下時(shí)，其中間損耗大大增加，穩(wěn)定性也較差，導(dǎo)致井下的電機(jī)和抽油泵效率低，使用壽命短。
[0004]二、現(xiàn)有的潛油系統(tǒng)地面控制器不具有與井下遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信模塊，不支持井下2000多米遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，無法將井下的溫度、壓力、電流、電壓等各種參量上傳到地面。因此，不可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控井下的狀態(tài)。
[0005]另外，傳統(tǒng)的潛油電機(jī)主要是二極三相異步電動(dòng)機(jī)，現(xiàn)有的采油系統(tǒng)在采油工藝配套中存在如下問題:
[0006]一是與離心潛油泵配套時(shí)因電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速、電機(jī)效率和功率因數(shù)偏低。
[0007]二是與潛油螺桿泵配套上時(shí)，轉(zhuǎn)速過高很難經(jīng)過轉(zhuǎn)速器將速度降低到與螺桿泵相適應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即使采用減速器也大大的提高了采油成本和降低了系統(tǒng)的效率，若采用變頻調(diào)速裝置，使電機(jī)長(zhǎng)期處于低頻工作狀態(tài)又容易引起電機(jī)的溫升加快，引起電機(jī)故障。系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)靈活控制，效率低。
[0008]三是傳統(tǒng)的潛油電泵系統(tǒng)即使采用變頻控制，其電機(jī)控制柜往往置于地面其交流電在傳輸至電機(jī)時(shí)由于是遠(yuǎn)距離傳輸，能量損耗嚴(yán)重，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的效率。
[0009]隨著新技術(shù)的發(fā)展，伺服技術(shù)的逐漸成熟，伺服潛油抽油系統(tǒng)成為潛油抽油系統(tǒng)的一種發(fā)展趨勢(shì)。公開號(hào)為CN228745Y的文獻(xiàn)提出了一種稀土永磁潛油電動(dòng)機(jī)，但它總得來說只是在原有異步潛油電機(jī)的基礎(chǔ)上通過在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁體來改善同步轉(zhuǎn)速的問題，局限于電機(jī)本體，沒有解決轉(zhuǎn)速可調(diào)的問題，并且在低速場(chǎng)合的應(yīng)用仍然很困難，效率也不是很高。公開號(hào)為CN2627715Y的文獻(xiàn)也公開了一種稀土永磁同步潛油電機(jī)，不足之處依然是在其節(jié)能以及速度調(diào)上的缺乏。雖然結(jié)合變頻控制器使用仍然存在節(jié)能率低的問題。
[0010]由于潛油電機(jī)基本是在井下幾百到幾千米的井下，而現(xiàn)有的潛油電機(jī)通常使用交流電機(jī)，潛油電機(jī)使用的三相交流電源將從地面?zhèn)鬏數(shù)骄聨装俚綆浊椎牡胤?，因此，電能在傳輸上損耗非常大。而現(xiàn)有的控制系統(tǒng)無法解決該問題。
[0011]縱觀國(guó)內(nèi)外數(shù)字油田的建設(shè)，不管從技術(shù)還是管理的層面上看，都還存在不少難題，尤其是業(yè)務(wù)流程革新、多元異構(gòu)數(shù)據(jù)整合以及專業(yè)技術(shù)軟件的開發(fā)將在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)困擾數(shù)字油田的發(fā)展。而油氣工業(yè)的各種工作流程和不同領(lǐng)域活動(dòng)所采用的技術(shù)與地下油藏、油井生產(chǎn)監(jiān)控和地面控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流整合在一起更是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。
[0012]油田控制中涉及眾多因素或參數(shù)的控制，例如壓力、溫度、潛油電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等。對(duì)這些因素或參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制也是油田控制系統(tǒng)中重要的一環(huán)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種潛油井下控制器及控制方法，使得在井下實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，最大限度提高了電利用率和抽油效率。
[0014]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0015]本發(fā)明提供一種潛油井下控制器，包括:機(jī)械單元、傳感器單元、密封單元、散熱單元和控制單元，所述機(jī)械單元包括:主殼體，在主殼體內(nèi)部設(shè)有控制單元、傳感器單元和散熱單元，主殼體的前端通過聯(lián)接套筒與密封單元相連，后端通過圓形堵蓋與底部接頭相連。
[0016]具體地，所述控制單元通過鈑金支架固定設(shè)置在所述主殼體內(nèi)，所述鈑金支架的前端通過過度聯(lián)接塊與所述聯(lián)接套筒相連。
[0017]具體地，所述鈑金支架上設(shè)有散熱單元，所述散熱單元為散熱鋁支架。
[0018]更好地，所述控制單元包括:電源板、傳感器板、驅(qū)動(dòng)板、主控板、電容板和放電板；
[0019]所述電源板將所述電容板輸出的母線電壓，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后為主控板供電，同時(shí)將母線電壓信號(hào)傳輸給主控板；
[0020]所述傳感器板檢測(cè)驅(qū)動(dòng)板輸出的三相電流并將檢測(cè)信號(hào)傳輸給主控板；
[0021]所述驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)控制器外部的潛油電機(jī)運(yùn)行；
[0022]所述電容板將地面輸出的兩相直流電轉(zhuǎn)換為兩相母線電壓，分別輸入到所述電源板、放電板和驅(qū)動(dòng)板中，并且將檢測(cè)到的母線電流信號(hào)傳輸給主控板；
[0023]所述主控板根據(jù)母線電流檢測(cè)信號(hào)、母線電壓檢測(cè)信號(hào)以及三相電流檢測(cè)信號(hào)分別對(duì)母線電流監(jiān)控、對(duì)母線電壓進(jìn)行控制保護(hù)以及控制輸出給所述驅(qū)動(dòng)板的脈寬調(diào)制信號(hào)；并且控制放電板放電；
[0024]所述放電板根據(jù)所述主控板的控制信號(hào)釋放電容板上存儲(chǔ)的電。
[0025]更好地，所述主控板包括:電源輸入單元、傳感器檢測(cè)輸入單元、主控單元、脈寬調(diào)制輸出單元、外部接口單元和存儲(chǔ)單元；
[0026]電源輸入單元為所述外部接口單元、主控單元及周圍信號(hào)電路供電，所述周圍信號(hào)電路包括解碼芯片電路、光稱電路、濾波電路、運(yùn)放電路等；
[0027]傳感器檢測(cè)輸入單元將采集的多種井下信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，并發(fā)送到主控單元中；
[0028]主控單元接收所述傳感器檢測(cè)輸入單元輸出的模擬電壓信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；
[0029]主控單元通過脈寬調(diào)制輸出單元輸出三相脈寬調(diào)制信號(hào)到所述驅(qū)動(dòng)板中；
[0030]外部接口單元與所述主控板以外的外部硬件連接；
[0031]存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)所述主控單元的數(shù)據(jù)信息。
[0032]更好地，所述外部接口單元包括:輸入輸出接口單元、功能控制接口單元和數(shù)據(jù)通信接口單元；其中
[0033]輸入輸出接口單元包括輸入信號(hào)預(yù)留接口和輸出信號(hào)預(yù)留接口，用于所述潛油井下控制器的功能擴(kuò)展；
[0034]功能控制接口單元包括:放電控制接口、啟停開關(guān)接口和保護(hù)信號(hào)接口 ；其中
[0035]放電控制接口輸出主控單元發(fā)出的放電控制信號(hào)，控制所述放電板釋放電容板上的電量；
[0036]啟停開關(guān)接口接收地面的啟停指令信號(hào)并輸入到主控單元，從而控制潛油電機(jī)啟動(dòng)和停止，
[0037]保護(hù)信號(hào)接口接收所述驅(qū)動(dòng)板中絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)發(fā)出的保護(hù)信號(hào)并輸入到主控單元；
[0038]所述數(shù)據(jù)通信接口單元包括:SPI通信接口、CAN通信接口和串行數(shù)據(jù)通信接口 ；其中
[0039]SPI通信接口采集位置傳感器或編碼器的角度信息；
[0040]CAN通信接口與潛油系統(tǒng)的地面通信；
[0041]串行數(shù)據(jù)通信接口與上位機(jī)或PC機(jī)通信，所述串行數(shù)據(jù)通信接口包括:RS485通信或RS232通信。
[0042]具體地，所述驅(qū)動(dòng)板包括:絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)單元，所述絕緣柵雙極型晶體管單元根據(jù)電容板輸出的兩相母線電壓和主控板輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為三相交流電，驅(qū)動(dòng)潛油電機(jī)運(yùn)行；并且將絕緣柵雙極型晶體管單元的保護(hù)信號(hào)輸出給主控板。
[0043]具體地，所述電容板包括:母線電流傳感器，所述母線電流傳感器將檢測(cè)到的母線電流信號(hào)傳輸給主控板。
[0044]具體地，所述放電板包括:放電電阻，所述放電板通過放電電阻釋放存儲(chǔ)的電。
[0045]更好地，所述電源板為主控板分別提供12V和5V電源。
[0046]優(yōu)選地，所述主控板將電源板提供的5V電源提供給傳感器板。
[0047]本發(fā)明還提供一種如上述的潛油井下控制器的控制方法，包括:系統(tǒng)控制、電機(jī)控制和可靠性控制；
[0048]系統(tǒng)控制:所述主控板與地面通過CAN通信接口進(jìn)行信息交互，接收地面發(fā)送過來的指令，同時(shí)將當(dāng)前井下的狀態(tài)和數(shù)據(jù)上傳給地面。
[0049]電機(jī)控制:首先所述主控板根據(jù)接收到的地面指令得到電機(jī)控制指令，同時(shí)主控板通過傳感器板對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行采樣得到電流反饋，又通過主控板接收編碼器信號(hào)得到電機(jī)角度反饋，然后在主控板上的主控單元執(zhí)行控制算法得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)板，最終驅(qū)動(dòng)