本發(fā)明涉及采油技術(shù)領域，具體涉及一種潛油往復抽油機間歇運行時井下信息分時采集裝置及方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有油田動液面信息采集技術(shù)分為三類：井下信息離線采集方法、具有獨立電源及信道的井下信息采集方法、基于載波通信的井下信息采集方法，以上三類現(xiàn)有技術(shù)都存在一定問題。

井下信息離線采集方法是將用于信息采集的傳感器、控制器、存儲器、儲能器等集成在一起，與潛油往復式抽油機一同放置在井下，電機工作時可做壓力、震動等信息的采集并存儲在存儲器中，只有待檢泵時潛油直線電機回到地面，才能將存儲器取出并讀取信息。因此，這種技術(shù)方法無法將井下信息實時傳送給地面的控制裝置，不能實現(xiàn)潛油往復抽油機的實時控制。只適用于潛油直線電機的工況分析。

具有獨立電源及信道的井下信息采集方法需要為井下的數(shù)據(jù)采集裝置單獨鋪設電源及信號線，由于油井深度通常在1000米以上，且受井下高溫、高壓、強震動的影響，單獨鋪設的信號與電源線可靠性極低，不僅實現(xiàn)成本高、傳輸信號質(zhì)量難以保證，還會經(jīng)常發(fā)生線纜腐蝕、斷脫等故障，嚴重影響生產(chǎn)。如果利用電機動子往復運動在發(fā)電繞組產(chǎn)生電能為井下的傳感器及其外圍電路提供工作電源，電機運轉(zhuǎn)時，發(fā)送井下采集數(shù)據(jù)，電機運轉(zhuǎn)對動力線纜產(chǎn)生尖峰脈沖等干擾信號，嚴重影響傳輸信號質(zhì)量。絕大多數(shù)潛油往復抽油機的潛油電機工作存在間歇狀態(tài)，即直線電機做往復運動工作一個沖程會停機2-4s左右，當電機停止運轉(zhuǎn)時是最佳傳輸井下數(shù)據(jù)的時間段，然而此時供電將暫停，不能在該時間段進行數(shù)據(jù)傳輸。

基于載波通信的井下信息采集方法是借助潛油直線電機的動力線纜作為通信信道，采用載波的方式將井下信息傳送至地面，但潛油直線電機在井下工作時的載荷波動等不利因素，直接影響動力線纜上的信息傳輸質(zhì)量，甚至造成有效信息的淹沒。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述問題，提供一種潛油往復抽油機間歇運行時井下信息分時采集裝置及方法。

本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明的潛油往復抽油機間歇運行時井下信息分時采集裝置包括：電機定子及在該電機定子內(nèi)做往復直線運動的動子、定子線圈、獨立繞組、內(nèi)部電纜、電磁隔離裝置、整流電路、第一濾波電容、二極管、第一超級電容器、第二超級電容器、穩(wěn)壓芯片、第二濾波電容、井下控制單元、壓力傳感器、第一電力載波通信模塊、功率放大發(fā)送電路、第一耦合電容、動力電纜、第二耦合電容、濾波接收電路、第二電力載波通信模塊和上位計算機；

所述定子線圈纏繞在電機定子前端，所述獨立繞組纏繞在定子線圈之后，纏繞在電機定子的尾部；

所述獨立繞組輸出端通過內(nèi)部電纜連接電磁隔離裝置的輸入端，所述電磁隔離裝置的輸出端連接整流電路的輸入端，所述第一濾波電容并聯(lián)在整流電路的輸出端，第一濾波電容的一端連接穩(wěn)壓芯片的gnd端，第一濾波電容的另一端通過二極管連接穩(wěn)壓芯片的輸入端，所述第一超級電容器和第二超級電容器串聯(lián)后，并聯(lián)在穩(wěn)壓芯片的輸入端，所述穩(wěn)壓芯片的輸出端并聯(lián)第二濾波電容，并連接井下控制單元的電源端，所述井下控制單元與壓力傳感器連接；

所述井下控制單元的輸出端連接第一電力載波通信模塊的輸入端，所述第一電力載波通信模塊的輸出端連接功率放大發(fā)送電路的輸入端，所述功率放大發(fā)送電路的輸出端通過第一耦合電容連接動力電纜；所述動力電纜的另一端連接第二耦合電容的輸入端，所述第二耦合電容的輸出端連接濾波接收電路的輸入端，所述濾波接收電路輸出端連接第二電力載波通信模塊的輸入端，所述第二電力載波通信模塊的輸出端連接上位計算機；

所述獨立繞組用于給井下控制單元和壓力傳感器供電，并為第一超級電容器和第二超級電容器充電；所述電磁隔離裝置用于隔離高壓側(cè)和低壓側(cè)，防止高壓側(cè)沖擊竄入低壓側(cè)，所述整流電路用于將獨立繞組輸出的交流電能整流為直流電，所述第一濾波電容用于濾除低次諧波分量，所述二極管、第一超級電容器和第二超級電容器構(gòu)成的儲能續(xù)流拓撲結(jié)構(gòu)，當動子處于運動間歇時，用于為井下控制單元、壓力傳感器、第一電力載波通信模塊和功率放大發(fā)送電路供電，所述穩(wěn)壓芯片用于得到穩(wěn)定直流電壓，所述第二濾波電容用于濾除高次諧波分量，所述壓力傳感器用于采集液面信息數(shù)據(jù)，并將液面信息數(shù)據(jù)傳輸給井下控制單元；所述井下控制單元用于將壓力傳感器采集的液面信息數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換好的液面信息數(shù)據(jù)傳輸給第一電力載波通信模塊；所述第一電力載波通信模塊用于將液面信息數(shù)據(jù)信號調(diào)制到特定頻段；所述功率放大發(fā)送電路用于對液面信息數(shù)據(jù)進行調(diào)理，以適應遠距離傳輸；所述第一耦合電容將液面信息數(shù)據(jù)耦合至動力電纜；所述第二耦合電容用于將動力電纜上的液面信息數(shù)據(jù)耦合至濾波接收電路；所述濾波接收電路用于濾除載波傳送過程中竄入的噪聲；所述第二電力載波通信模塊用于將信號進行解調(diào)，分離液面信息數(shù)據(jù)和載波信號，并將液面信息數(shù)據(jù)送至上位計算機儲存和處理。

進一步地，所述井下控制單元包括電源管理器件、微控制單元mcu、a/d轉(zhuǎn)換單元和存儲單元。

基于上述潛油往復抽油機間歇運行時井下信息分時采集裝置的采集方法，具體步驟包括：

步驟a、動子在獨立繞組中作往復直線運動時，獨立繞組中產(chǎn)生的電能為壓力傳感器和井下控制單元供電并為第一超級電容和第二超級電容充電，進行數(shù)據(jù)采集，當動子處于運動間歇時，獨立繞組中沒有電能產(chǎn)生，由第一超級電容器和第二超級電容器為井下控制單元、第一電力載波通信模塊和功率放大發(fā)送電路，繼續(xù)采集液面信息數(shù)據(jù)，并將采集到的液面信息數(shù)據(jù)存儲到井下控制單元中的存儲單元，同時向地面?zhèn)鬏斍耙粫r段已采集的液面信息數(shù)據(jù)；

步驟b、井下控制單元將液面信息數(shù)據(jù)傳輸給第一電力載波通信模塊，第一電力載波通信模塊用于將液面信息數(shù)據(jù)調(diào)制到某一特定頻段；

步驟c、經(jīng)過調(diào)制后的液面信息數(shù)據(jù)再經(jīng)過功率放大發(fā)送電路的調(diào)理，通過第一耦合電容耦合至動力電纜；

步驟d、液面信息數(shù)據(jù)通過動力電纜傳輸?shù)降孛妫?jīng)第二耦合電容耦合至濾波接收電路，再經(jīng)濾波接收電路濾除載波傳送過程中竄入的噪聲后傳輸?shù)降诙娏d波通信模塊；步驟e、第二電力載波通信模塊對傳輸信號進行解調(diào)，分離液面信息數(shù)據(jù)和載波信號，并將液面信息數(shù)據(jù)送至上位計算機儲存和處理。

進一步地，所述步驟a中，根據(jù)動子沖次，設置壓力傳感器的采樣頻率。

進一步地，所述步驟a中，井下控制單元通過其內(nèi)部a/d轉(zhuǎn)換單元將壓力傳感器采集的液面信息數(shù)據(jù)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以實現(xiàn)壓力傳感器與井下控制單元內(nèi)部的mcu之間的數(shù)據(jù)傳輸，mcu將轉(zhuǎn)換后的液面信息數(shù)據(jù)儲存到存儲單元中，當電機間歇時mcu將儲存單元儲存的數(shù)據(jù)傳輸給第一電力載波通信模塊。

有益效果：

第一，本發(fā)明的潛油往復抽油機間歇運行時井下信息分時采集裝置及方法，將壓力傳感器置于井下采集液面信息數(shù)據(jù)，通過動力電纜將液面信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫔?，能夠?qū)崟r獲得井下的液面信息；

第二，本發(fā)明的潛油往復抽油機間歇運行時井下信息分時采集裝置及方法，利用電機動子往復運動在獨立繞組產(chǎn)生電能為井下的傳感器及其外圍電路提供工作電源，并在供電電路中設計了超級電容作為儲能元件，在電機工作期間，由獨立繞組為井下控制單元和壓力傳感器提供電能，在電機工作的間歇狀態(tài)，超級電容為井下控制單元、壓力傳感器、第一電力載波通信模塊和功率放大發(fā)送電路提供電能，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)采集，同時通過動力電纜向地面?zhèn)鬏斠巡杉好嫘畔?shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)不間斷地采集井下的液面信息數(shù)據(jù)；

第三，本發(fā)明的潛油往復抽油機間歇運行時井下信息分時采集裝置，利用動力電纜傳輸液面信息數(shù)據(jù)，不用單獨設置信息傳輸線路，節(jié)約了成本。

附圖說明

圖1本發(fā)明的潛油往復抽油機間歇運行時井下信息分時采集裝置的結(jié)構(gòu)及電路連接示意圖；

圖2圖1的a處的局部放大圖；

圖3本發(fā)明的信號傳輸部分的結(jié)構(gòu)圖；

圖中：1-電機定子，2-電機動子，3-定子線圈、4-獨立繞組，5-內(nèi)部電纜，6-電磁隔離裝置，7-整流電路，8-第一濾波電容，9-二極管，10-第一超級電容器，11-第二超級電容器，12-穩(wěn)壓芯片，13-第二濾波電容，14-井下控制單元，15-壓力傳感器，16-第一電力載波通信模塊，17-功率放大發(fā)送電路，18-第一耦合電容，19-動力電纜，20-第二耦合電容，21-濾波接收電路，22-第二電力載波通信模塊，23-上位計算機。

具體實施方式

具體實施方式1：結(jié)合圖1～3說明本實施方式，本實施方式的潛油往復抽油機間歇運行時井下信息分時采集裝置的結(jié)構(gòu)和電路連接圖如圖1和圖2所示，包括：電機定子1及在該電機定子1內(nèi)做直線運動的動子2、定子線圈3、獨立繞組4、內(nèi)部電纜5、電磁隔離裝置6、整流電路7、第一濾波電容8、二極管9、第一超級電容器10、第二超級電容器11、穩(wěn)壓芯片12、第二濾波電容13、井下控制單元14、壓力傳感器15、第一電力載波通信模塊16、功率放大發(fā)送電路17、第一耦合電容18、動力電纜19；

所述定子線圈3纏繞在電機定子1前端，所述獨立繞組4纏繞在定子線圈3之后，纏繞在電機定子1的尾部；

所述獨立繞組4輸出端通過內(nèi)部電纜5連接電磁隔離裝置6的輸入端，所述電磁隔離裝置6的輸出端連接整流電路7的輸入端，所述第一濾波電容8并聯(lián)在整流電路7的輸出端，第一濾波電容8的一端連接穩(wěn)壓芯片12的gnd端，第一濾波電容8的另一端通過二極管9連接穩(wěn)壓芯片12的輸入端，所述第一超級電容器10和第二超級電容器11串聯(lián)后，并聯(lián)在穩(wěn)壓芯片12的輸入端，所述穩(wěn)壓芯片12的輸出端并聯(lián)第二濾波電容13，并連接井下控制單元14的電源端，所述井下控制單元14與壓力傳感器15連接；

所述井下控制單元14的輸出端連接第一電力載波通信模塊16的輸入端，所述第一電力載波通信模塊16的輸出端連接功率放大發(fā)送電路17的輸入端，所述功率放大發(fā)送電路17的輸出端通過第一耦合電容18連接動力電纜19；

本實施方式的信號傳輸部分的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包括：井下控制單元14、第一電力載波通信模塊16、功率放大發(fā)送電路17、第一耦合電容18、動力電纜19、第二耦合電容20、濾波接收電路21、第二電力載波通信模塊22和上位計算機23；

所述井下控制單元14的輸出端連接第一電力載波通信模塊16的輸入端，所述第一電力載波通信模塊16的輸出端連接功率放大發(fā)送電路17的輸入端，所述功率放大發(fā)送電路17的輸出端通過第一耦合電容18連接動力電纜19；所述動力電纜19的另一端連接第二耦合電容20的輸入端，所述第二耦合電容20的輸出端連接濾波接收電路21的輸入端，所述濾波接收電路21輸出端連接第二電力載波通信模塊22的輸入端，所述第二電力載波通信模塊22的輸出端連接上位計算機23；

工作原理：

直線電機動子2往復運動時，在獨立繞組4中產(chǎn)生感應電流，該感應電流為交流電，且含有較多諧波分量，不能直接用作液面信息數(shù)據(jù)采集電路的電源。

使用整流電路7將獨立繞組4輸出的交流電整流為直流電，利用第一濾波電容8濾除低次諧波分量，經(jīng)過穩(wěn)壓芯片9得到穩(wěn)定直流電壓，再經(jīng)第二濾波電容13濾除高次諧波分量，將得到的高質(zhì)量電源輸出，供給井下控制單元14，井下控制單元14的電源管理器件將電源供給壓力傳感器15、第一電力載波通信模塊16和功率放大電路17，使壓力傳感器采集動子2工作時段的液面信息數(shù)據(jù)，電源同時給第一超級電容器10和第二超級電容器11充電，動子2運動間歇時，第一超級電容器10和第二超級電容器11開始放電，為井下控制單元14、第一電力載波通信模塊16和功率放大發(fā)送電路17提供電能，壓力傳感器15繼續(xù)采集液面信息數(shù)據(jù)，井下控制單元14通過其內(nèi)部a/d轉(zhuǎn)換單元將采集的動子運動和間歇時段的液面信息數(shù)據(jù)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以實現(xiàn)壓力傳感器15與井下控制單元14內(nèi)部的mcu之間的數(shù)據(jù)傳輸，mcu將轉(zhuǎn)換后的液面信息數(shù)據(jù)儲存到井下控制單元14中的存儲單元，動子2運動間歇時，將存儲單元存儲的全部液面信息數(shù)據(jù)傳輸給第一電力載波通信模塊16，第一電力載波通信模塊16將液面信息數(shù)據(jù)調(diào)制到某一特定頻段，調(diào)制后的液面信息數(shù)據(jù)再經(jīng)過功率放大發(fā)送電路17的調(diào)理，通過第一耦合電容18耦合至動力電纜19；動力電纜19將液面信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，動力電纜上的液面信息數(shù)據(jù)先經(jīng)第二耦合電容20耦合至濾波接收電路21，再經(jīng)濾波接收電路21濾除載波傳送過程中竄入的噪聲后傳輸?shù)降诙娏d波通信模塊22；第二電力載波通信模塊22對傳輸信號進行解調(diào)，分離液面信息數(shù)據(jù)和載波信號，并將液面信息數(shù)據(jù)送至上位計算機23儲存和處理。

根據(jù)井下工作情況需要提供電源的有井下控制單元14、壓力傳感器15、第一電力載波通信模塊16和功率放大電路17，通常情況下以上電路的總耗電量小于3w，由電功率計算公式1：

p＝u²/r(1)

其中，p為上述電路的總耗電功率，u為經(jīng)整流電路整流后的供電電壓，r為所有負載總和。

由于供電端電壓在4.8v-5.5v之間都能夠保證第一電力載波通信模塊16、井下控制單元14和功率放大電路17的正常工作，設定各個模塊工作電壓恒等于5v，為保證提供足夠的電能供給，p取3w，由公式1得r約為10ω。

為儲能續(xù)流電路設計參數(shù)，第一超級電容器10電容值c2和第二超級電容器11電容值c3相等，均為1f；總負載r＝10ω。當潛油直線電機的動子2在獨立繞組4中作往復直線運動時，經(jīng)整流電路整流后的供電電壓u為第一超級電容器10和第二超級電容器11充電，當動子2處于靜止狀態(tài)時，由第一超級電容器10和第二超級電容器11為負載供電。

從電壓角度:

等效電容c＝1/(1/c2+1/c3)＝0.5f，時間τ＝rc＝5s，第一超級電容器10和第二超級電容器11的額定電壓為5.5v，兩個超級電容串聯(lián)接入電路，當兩個超級電容滿電時串聯(lián)接入電路中能夠提供的輸入電壓uc為11v。

假定當整流電路輸出端u＝0時第一超級電容器10和第二超級電容器11滿電。公式(2)為電路三要素法則：

f(t)＝f(∞)+[f(0+)-f(∞)]e^-t/τ(2)

第一超級電容和第二超級電容串聯(lián)電路初始電壓uc(0+)＝uc(0-)＝11v；uc(∞)＝0v；t＝4s；τ＝5s帶入公式2得：

uc(t)＝uc(∞)+[uc(0+)-uc(∞)]e^-t/τ(3)

當時間t＝4s時帶入公式(3)可得此時電容電壓為：

uc(4)≈4.94v＞4.8v(4)

從能量角度:

由t＝0時刻兩個超級電容串聯(lián)電壓為u(t1)，u(t1)＝11v降到t＝4s時兩個超級電容串聯(lián)電壓為u(t2)，u(t2)＝5v，由電路能量公式w＝1/2(cu²)可以得到電容兩端電壓變化提供的電能為w1：

w1＝[c(u²(t1)-u²(t2))]/2＝24j(5)

4s時間內(nèi)電路耗能w2:

w2＝p*t＝3*4＝12j＜w1(6)

因此，獨立繞組4斷電后，基于超級電容串聯(lián)的儲能續(xù)流拓撲結(jié)構(gòu)，能夠持續(xù)供電4s，保障了超級電容恒壓源繼續(xù)為井下控制單元14、第一電力載波通信模塊16和功率放大發(fā)送電路17供電的需求。

具體實施方式2：本實施方式的基于上述潛油往復抽油機間歇運行時井下信息分時采集裝置的采集方法，具體步驟包括：

步驟a、根據(jù)動子2沖次，設置壓力傳感器15的采樣頻率，在動子2在獨立繞組中作往復直線運動時，獨立繞組4中產(chǎn)生為壓力傳感器15和井下控制單元供電的電能，進行數(shù)據(jù)采集，當動子2處于運動間歇時，獨立繞組4中沒有電能產(chǎn)生，由第一超級電容器10和第二超級電容器11為井下控制單元14、第一電力載波通信模塊16和功率放大發(fā)送電路17，繼續(xù)采集液面信息數(shù)據(jù)，井下控制單元14通過其內(nèi)部a/d轉(zhuǎn)換單元將采集的動子運動和間歇時段的液面信息數(shù)據(jù)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以實現(xiàn)壓力傳感器15與井下控制單元14內(nèi)部的mcu之間的數(shù)據(jù)傳輸，mcu將轉(zhuǎn)換后的液面信息數(shù)據(jù)儲存到井下控制單元14中的存儲單元，動子2運動間歇時，將存儲單元存儲的全部液面信息數(shù)據(jù)傳輸給第一電力載波通信模塊16；

步驟b、第一電力載波通信模塊(16)將液面信息數(shù)據(jù)調(diào)制到特定頻段；

步驟c、經(jīng)過調(diào)制后的液面信息數(shù)據(jù)再經(jīng)過功率放大發(fā)送電路17的調(diào)理，通過第一耦合電容18耦合至動力電纜19；

步驟d、液面信息數(shù)據(jù)通過動力電纜19傳輸?shù)降孛?，?jīng)第二耦合電容20耦合至濾波接收電路21，再經(jīng)濾波接收電路21濾除載波傳送過程中竄入的噪聲后傳輸?shù)降诙娏d波通信模塊22；

步驟e、第二電力載波通信模塊22對傳輸信號進行解調(diào)，分離液面信息數(shù)據(jù)和載波信號，并將液面信息數(shù)據(jù)送至上位計算機23儲存和處理。