CN111478643A - 一种油田用远程电气控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油田用远程电气控制系统及控制方法。其中油田用远程电气控制系统主要由井场电源、地面控制单元、电能输送通道和井下电动工具组成，地面控制单元由主回路和控制回路组成。基于该远程电气控制系统的控制方法包括：利用油田专用作业设备，将电能输送通道和井下电动工具放置于井筒内指定深度后，通过地面控制单元的人机交互模块设置系统初始参数，主回路及控制回路根据设定的初始参数和检测到的井下电动工具的运行参数，可以实时调整地面控制单元的输出电压和频率，从而始终保证井下电动工具工作在最佳工作状态下。本发明与现有油田远程电控系统相比，具有输出电压和频率自动调整，操作方便，自动化程度高等优点。

Description

一种油田用远程电气控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及石油工程技术领域，尤其是一种油田用远程电气控制系统及控制方法。

背景技术

随着石油工程技术的不断发展，越来越多的井下电动工具在油田各个领域发挥着重要作用。比如用于采油领域的电动螺杆泵和潜油电泵，用于钻井领域的井下电动马达，以及用于振动固井领域的井下电动套管振荡器等，此类井下电动工具多为交流变频电机驱动，且在距离地面几千米的井下工作，因此都涉及到对井下电动工具的远程控制问题。

目前，这些井下电动工具存普遍存在以下不足：一是在固定频率下工作，没有变频功能，导致井下电动工具无法在最佳状态下运行；二是井下电动工具的负载有时变化较大，导致交流变频电机的工作电流有较大变化，由于井下电动工具是远距离(距离长达几千米)供电，所以电流变化，会造成远距离供电压降变化，在这种情况下，要使井下电动工具在额定电压下工作，必须随时调整地面控制单元的输出电压，现在为手动调整，不仅操作不便，而且具有滞后性，严重时会由于操作不当，导致井下电动工具无法工作。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有井下电动工具远程控制存在的不足，提出一种油田用远程电气控制系统及控制方法。该控制系统及控制方法实现了远程变频控制，以及地面控制单元输出电压随井下电动工具电流变化实时自动调整功能，具有运行效率高，操作方便等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种油田用远程电气控制系统，主要由井场电源1、地面控制单元2、电能输送通道3和井下电动工具4组成；其中，井下电动工具4为交流变频电机驱动；地面控制单元2的输入端接井场电源1，电能输送通道3的一端连接地面控制单元2的输出端，另一端连接井下电动工具4的输入端；所述地面控制单元2由主回路和控制回路两部分组成，主回路主要由进线断路器6、变频器7、正弦波滤波器8、升压变压器9和真空接触器10组成；控制回路主要由可编程控制器、测量仪表、人机交互模块17组成。

上述油田用远程电气控制系统，可编程控制器包括485通讯模块11、CPU12、数字量输出模块13和模拟量输出模块14；测量仪表包括电流仪表15和电压仪表16。

485通讯模块11通过RS485通讯，接收电流仪表15和电压仪表16测得的实时数据；CPU12通过以太网与人机交互模块通讯；数字量输出模块13通过数字输出控制变频器7和真空接触器10的运行和停止；模拟量输出模块14通过模拟量输出控制变频器的输出电压和频率。

电能输送通道3长度可达数千米，既能远距离输送电能，又可承担自身在井筒5内的受力。

一种基于所述油田用远程控制系统的控制方法，采用如下的工艺步骤：

a.油气田作业现场，将井场电源1、地面控制单元2、电能输送通道3和井下电动工具4，按照正确的顺序依次连接好；

b.借助于专用作业设备将电能传输通道3和井下电动工具4放置于井筒5内指定深度位置；

c.闭合地面控制单元2的进线断路器6，地面控制单元2接通井场电源1，并完成初始化；然后通过人机交互模块17，设置系统初始参数，主要包括电能输送通道3传输导体的长度L、单位长度传输导体的电阻值Ω，井下电动工具4的交流变频电机的额定电流I₀和额定电压U₀；

d.根据初始参数，计算地面控制单元2的输出电压U₁，U₁＝(L×Ω)×I₀+U₀；根据井下电动工具4的额定频率f₀，设定地面控制单元2的输出频率f₁，f₁＝f₀；然后通过人机交互模块17设置地面控制单元2的输出电压U₁和频率f₁；

e.按下地面控制单元2的启动按钮，数字量输出模块13输出启动指令，控制变频器7启动，模拟量输出模块14调整变频器的输出电压和频率，正弦波滤波器8将变频器输出的PWM波转换成正弦波，电压仪表16实时监测升压变压器9的输出电压U，输出电压U由485通讯模块11经RS485通讯，传送给CPU12，CPU12判断输出电压U是否符合计算输出电压U₁，若不符合，继续调整变频器7的输出电压，直到电压仪表16监测到升压变压器9的输出电压U＝U₁，输出电压符合，数字量输出模块13输出指令，控制真空接触器10闭合，地面控制单元2按计算输出电压U₁和频率f₁，控制井下电动工具4运行；

f.井下电动工具4在运行过程中，由于负载的变化，会导致井下电动工具4的工作电流I偏离额定电流I₀；电流仪表15实时监测井下电动工具4的工作电流I，并将工作电流I由RS485通讯模块11通过RS485通讯，传送至CPU12，CPU12根据工作电流I，实时计算输出电压U₁＝(L×Ω)×I+U₀，并通过模拟量输出模块14，实时调整变频器7的电压输出；

g.工作结束，按下地面控制单元2的停止按钮，停止信号经CPU12、控制数字量输出模块13，控制真空接触器10断开，井下电动工具4停止运行。

与现有井下电动工具的远程控制系统及方法相比，本发明控制系统及控制方法具有以下优点：

(1)具有远程变频控制功能，可以根据井下电动工具的运行频率，随时设定地面控制单元的输出频率，使井下电动工具在最佳状态下运行，提高效率；

(2)地面控制单元输出电压随井下电动工具电流变化实时自动调整，自动化程度高，操作方便，运行可靠。

附图说明

图1为本发明的油田用远程电气控制系统具体应用示意图；

图2为本发明地面控制单元主回路组成示意图；

图3为本发明地面控制单元控制回路组成示意图。

图中标记：

1、井场电源，2、地面控制单元，3、电能输送通道，4、井下电动工具，5、井筒，6、进线断路器，7、变频器，8、正弦波滤波器，9、升压变压器，10、真空接触器，11、485通讯模块，12、CPU，13、数字量输出模块，14、模拟量输出模块，15、电流仪表，16、电压仪表，17、人机交互模块。

具体实施方式

下面结合附图做进一步的详细说明。

参照说明书附图1、附图2和附图3。在本发明的油田用远程电气控制系统，主要由井场电源1、地面控制单元2、电能传输通道3和井下电动工具4组成。其中地面控制单元2的输入端接井场电源1，电能输送通道3的一端连接地面控制单元2的输出端，另一端连接井下电动工具4的输入端；所述地面控制单元2由主回路和控制回路两部分组成，主回路主要由进线断路器6、变频器7、正弦波滤波器8、升压变压器9和真空接触器10组成；控制回路主要由可编程控制器、测量仪表、人机交互模块17组成。

可编程控制器包括485通讯模块11、CPU12、数字量输出模块13和模拟量输出模块14；测量仪表包括电流仪表15和电压仪表16。

485通讯模块11通过RS485通讯，接收电流仪表15和电压仪表16测得的实时数据；CPU12通过以太网与人机交互模块通讯；数字量输出模块13通过数字输出控制变频器7和真空接触器10的运行和停止；模拟量输出模块14通过模拟量输出控制变频器的输出电压和频率。

电能输送通道3为长度可达数千米，既能远距离输送电能，又可承担自身在井筒5内的受力的电缆。

井下电动工具4为交流变频电机驱动。

参照说明书附图1、附图2和附图3，本发明的远程控制方法采用如下的工艺步骤：

首先，到达油气田作业现场后，将井场电源1、地面控制单元2、电能输送通道3和井下电动工具4，按照正确的顺序依次连接好。

接着，借助于专用作业设备将电能传输通道3和井下电动工具4放置于井筒5内指定深度位置。

放置好井下电动工具4后，闭合地面控制单元2的进线断路器6，地面控制单元2接通井场电源1，并完成初始化；然后通过人机交互模块17，设置系统初始参数，主要包括电能输送通道3传输导体的长度L、单位长度传输导体的电阻值Ω，井下电动工具4的交流变频电机的额定电流I₀和额定电压U₀。

根据初始参数，计算地面控制单元2的输出电压U₁，U₁＝(L×Ω)×I₀+U₀；根据井下电动工具4的额定频率f₀，设定地面控制单元2的输出频率f₁，f₁＝f₀；然后通过人机交互模块17设置地面控制单元2的输出电压U₁和频率f₁。

然后，按下地面控制单元2的启动按钮，数字量输出模块13输出启动指令，控制变频器7启动，模拟量输出模块14调整变频器的输出电压和频率，正弦波滤波器8将变频器输出的PWM波转换成正弦波，电压仪表16实时监测升压变压器9的输出电压U，输出电压U由485通讯模块11经RS485通讯，传送给CPU12，CPU12判断输出电压U是否符合计算输出电压U₁，若不符合，继续调整变频器7的输出电压，直到电压仪表16监测到升压变压器9的输出电压U＝U₁，输出电压符合，数字量输出模块13输出指令，控制真空接触器10闭合，地面控制单元2按计算输出电压U₁和频率f₁，控制井下电动工具4运行。

井下电动工具4在井筒5内运行过程中，由于井下负载的变化，会导致井下电动工具4的工作电流I偏离额定电流I₀；电流仪表15实时监测井下电动工具4的工作电流I，并将工作电流I由RS485通讯模块11通过RS485通讯，传送至CPU12，CPU12根据工作电流I，实时计算输出电压U₁＝(L×Ω)×I+U₀，并通过模拟量输出模块14，实时自动调整变频器7的电压输出；

最后，工作结束按下地面控制单元2的停止按钮，停止信号经CPU12、控制数字量输出模块13，控制真空接触器10断开，井下电动工具4停止运行。

Claims (4)

1.一种油田用远程电气控制系统，主要由井场电源(1)、地面控制单元(2)、电能输送通道(3)和井下电动工具(4)组成；其特征在于：所述井下电动工具(4)为交流变频电机驱动；所述地面控制单元(2)的输入端接井场电源(1)，电能输送通道(3)的一端连接地面控制单元(2)的输出端，另一端连接井下电动工具(4)的输入端；所述地面控制单元(2)由主回路和控制回路两部分组成，主回路主要由进线断路器(6)、变频器(7)、正弦波滤波器(8)、升压变压器(9)和真空接触器(10)组成；控制回路主要由可编程控制器、测量仪表、人机交互模块(17)组成。

2.根据权利要求1所述的油田用远程电气控制系统，其特征在于：可编程控制器包括485通讯模块(11)、CPU(12)、数字量输出模块(13)和模拟量输出模块(14)；测量仪表包括电流仪表(15)和电压仪表(16)。

3.根据权利要求2所述的油田用远程电气控制系统，其特征在于：所述485通讯模块(11)通过RS485通讯端与电流仪表(15)和电压仪表(16)建立连接；CPU(12)通过以太网与人机交互模块(17)建立连接；数字量输出模块(13)与变频器(7)和真空接触器(10)建立连接并通过数字输出控制变频器(7)和真空接触器(10)的运行和停止；模拟量输出模块(14)与变频器(7)连接并通过模拟量输出控制变频器的输出电压和频率。

4.一种基于权利要求3所述的油田用远程控制系统的控制方法，其特征在于采用如下的工艺步骤：

a.油气田作业现场，将井场电源(1)、地面控制单元(2)、电能输送通道(3)和井下电动工具(4)，按照顺序依次连接好；

b.借助于专用作业设备将电能传输通道(3)和井下电动工具(4)放置于井筒(5)内指定深度位置；

c.闭合地面控制单元(2)的进线断路器(6)，地面控制单元(2)接通井场电源(1)，并完成初始化；然后通过人机交互模块(17)设置系统初始参数，包括电能输送通道(3)传输导体的长度L、单位长度传输导体的电阻值Ω，以及井下电动工具(4)的交流变频电机的额定电流I₀和额定电压U₀；

d.根据初始参数，计算地面控制单元(2)的输出电压U₁，U₁＝(L×Ω)×I₀+U₀；根据井下电动工具(4)的额定频率f₀，设定地面控制单元(2)的输出频率f₁，f₁＝f₀；然后通过人机交互模块(17)设置地面控制单元(2)的输出电压U₁和频率f₁；

e.启动地面控制单元(2)，数字量输出模块(13)输出启动指令，控制变频器(7)启动，模拟量输出模块(14)调整变频器的输出电压和频率，正弦波滤波器(8)将变频器输出的PWM波转换成正弦波，电压仪表(16)实时监测升压变压器(9)的输出电压U，输出电压U由485通讯模块(11)经RS485端传送给CPU(12)，CPU(12)判断输出电压U是否符合计算输出电压U₁，若不符合，继续调整变频器(7)输出电压，直到电压仪表(16)监测到升压变压器(9)的输出电压U＝U₁，输出电压符合，数字量输出模块(13)输出指令，控制真空接触器(10)闭合，地面控制单元(2)按计算输出电压U₁和频率f₁，控制井下电动工具(4)运行；

f.井下电动工具(4)在运行过程中，由于负载的变化，会导致井下电动工具(4)的工作电流I偏离额定电流I₀；电流仪表(15)实时监测井下电动工具(4)的工作电流I，并将工作电流I由RS485通讯模块(11)通过RS485端传送至CPU(12)，CPU(12)根据工作电流I，计算输出电压U₁＝(L×Ω)×I+U₀，并通过模拟量输出模块(14)，实时调整变频器(7)的电压输出；

g.工作结束，停止地面控制单元(2)，停止信号经CPU(12)、控制数字量输出模块(13)控制真空接触器(10)断开，井下电动工具(4)停止运行。

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