螺杆泵采油系统测控装置的研究与开发
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第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§ 1.1 课题的来源和选题的意义
本课题来源于斯诺克尔石油技术（北京）有限公司。
石油主要成分为甲烷，同时含有少量的乙烷和丙烷以及一氧化碳、氮气等。
作为一种战略资源，石油被广泛运用于交通运输、石化等各行各业，被称为经济
乃至整个社会的“黑色黄金”、“经济血液”。随着我国经济和社会的快速发展，
石油的应用越来越广，消耗量也越来越大，这就要求石油的供应量必须越来越大。
作为提高石油产量的重要环节，油田开发正在得到越来越高的重视[1]。
油田开发方案由油田地质、油藏工程、钻井工程、采油工程、油田地面建设
和经济评价 6个部分组成。采油工程立足油藏工程，衔接油田地面建设工程，起
着承上启下的作用。采油工程技术是实现油气田开发方案的重要手段，是决定油
田产量高低、采油速度快慢、最终采收率大小、经济效益的优劣等重要问题的关
键技术[2]。
采油工程的任务是根据油田开发要求，科学地设计、控制和管理生产井，通
过采取一系列工艺措施，以达到经济有效地提高油井产量和原油采收率，合理开
发油藏的目的。随着油田开采的技术难度、投资额度和风险程度日益提高，特别
是石油工业的高速发展和高技术的应用，对 21 世纪的采油工程技术提出了更高的
要求和挑战[3]。
21 世纪中国石油工业面临高含水油田开采、低渗透油田开发、西部沙漠超深
油田开采、滩海油田开发建设和稠油、超稠油油田改善热力开采等诸多难题和挑
战。
螺杆泵采油系统不仅适用于高粘度、高含砂、大油气比油藏的开采，而且对
于普通油藏及水驱油藏开发后期的大排量开采也表现出良好的适应性。近几年，
螺杆泵采油技术在国内外油田应用得到了长足发展，在国内油田虽经几起几落，
但通过采用多项新材料和新工艺技术，使得螺杆泵的使用寿命、泵效、可靠性和
经济性等多方面获得了重大突破。不但在开采不同类型油藏应用中的适应性大大
增强，基本覆盖了其它人工举升所具有的能力，而且以能耗低、泵效高、占地面
积小、适应高含砂井以及稠油开采等技术优势，在油田开发生产中起到了越来越
重要的作用。
螺杆泵采油系统的突出优点使其在国内外油田应用中得到了长足发展，但是，
由于螺杆泵采油系统的配套测控技术尚未相应跟上，在一定程度上影响了它的推
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广应用。比如因缺少对螺杆泵采油系统的检测与控制，当油层供液能力降低引起
螺杆泵抽空时，螺杆泵转速并没有相应降低，在这种情况下，螺杆泵得不到足够
的液体润滑，其转子会不断升温。当转子的温度超出其极限值时，转子会烧坏，
螺杆泵会失效。而螺杆泵价格昂贵（约十几万人民币），螺杆泵的过早失效无疑
增加了采油工程的成本，同时也降低了采油效率，减少了采油量。由此可见，加
强对螺杆泵采油系统的检测与控制是十分必要的。
为有效保护螺杆泵采油系统，提高采油率，增加采油量，降低故障率，降低
采油成本，斯诺克尔石油技术（北京）有限公司提出了“螺杆泵采油系统测控装
置”的研制计划。所以本课题的研究具有一定的实际意义。
§ 1.2 目前国内外的研究现状
螺杆泵匀速运转，无机械和液流的惯性损失，既能适用于一般原油井的生产，
又能适用于高粘度、高含沙和高含气油井的生产，同时也是注水后期生产井最有
效的机械采油方法之一。但是，当螺杆泵采油量大于油井产液量时，螺杆泵失去
沉没度，井液中的溶解气大量析出，螺杆泵没有足够液体润滑，使转子升温，导
致螺杆泵过早失效。国内研制的油井动液面检测螺杆泵自控装置及系统可以解决
这个问题。它每间隔 5分钟自动检测油井液面高度，根据液面的变化，自动控制
螺杆泵的启动、停止的间隔时间，使抽油量和产液量匹配，保证转子最佳沉没度
和润滑环境，提高螺杆泵的使用寿命和油井产量。
国内研制的 SM40YBC-LGB 螺杆泵测试仪以嵌入式工业计算机为主机，能精
确测试螺杆泵运行时电功率、功率因数、三相电流、相电压、载荷、扭矩等。能
根据测试结果画出三相电流图、功率图、功率因数图、液面、光杆载荷曲线、光
杆扭矩曲线、光杆转速曲线。能准确地对机采系统的系统效率进行分析，从而为
提高系统效率找到根本解决途径，真正指导生产实践[4]。
近几年来，国外还研究出了其他类型的螺杆泵控制装置。Highland 公司生产
的螺杆泵专用变频驱动装置，很容易调整泵速，无需水力驱动和变换传动带及滑
轮槽轮就可以使其与实际生产吻合，并可人工调节。Bach 自动泵控制器能够监测
油井的工作情况，并能根据事先拟订的程序和油井的状态使螺杆泵以最佳速度工
作，通过电压、电流、压力、效率和动液面的高度监控抽油系统实际载荷。当实
际载荷变化时，系统调节螺杆泵的排量和速度，调节量大小由软件控制．保证了
螺杆泵精确、高效地运行。
目前，国内外研制的这些装置没有记录和存储螺杆泵运行状况的功能，人们
不能对螺杆泵的运行状况进行跟踪和系统分析，并据此对系统做出适当改进。而
第一章 绪论
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且这些装置生产成本高，价格昂贵，这些都影响了它的推广应用。
§ 1.3 本文的内容与结构
本文的内容共分为六章：第一章“绪论”介绍了课题的来源和选题的意义，
以及目前国内外的研究现状；第二章“螺杆泵采油系统原理研究”介绍了螺杆泵
的工作原理及工作特性，并介绍了课题中使用的闭环霍尔传感器的工作原理；第
三章“ARM 的应用研究”介绍了 ARM 的应用领域、ARM 的体系结构、ARM 微
处理器、LPC2131 微控制器和 ADS 集成开发环境；第四章“基于 ARM 螺杆泵采
油系统测控装置硬件系统设计”介绍了螺杆泵采油系统测控装置硬件系统总体设
计及其功能模块设计；第五章“螺杆泵采油系统测控装置软件的设计” 介绍了螺
杆泵采油系统测控装置系统软件结构、采样软件设计和诊断分析软件设计；第六
章“总结与展望”对本文进行总结并对课题做进一步展望。
螺杆泵采油系统测控装置的研究与开发
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第二章 螺杆泵采油系统原理研究
§ 2.1 螺杆泵的工作原理及工作特性
§ 2.1.1 螺杆泵概述
螺杆泵是 1932 年由法国工程师 Moineau 发明并由德国 PCM 泵公司制成。我
国1986 年开始研究地面驱动螺杆泵。螺杆泵是一种内啮合偏心回转的容积泵，可
以将介质连续地，均速地、而且容积恒定地从吸入口送到压出端。它是一种容积
式泵，运动件（只有螺杆）少，没有阀和复杂的流道。油流扰动少，使水力损失
大大降低。螺杆在橡皮衬套表面同时具有滚动和滑动两种运动形式，使砂粒不易
沉积。衬套和螺杆间的容积均匀变化而产生的抽汲和推挤作用，使油气混输的效
果较好。螺杆泵的突出优点是：尺寸小，质量轻，制造容易，维修方便，运动部
件少，排量均匀。
§ 2.1.2 螺杆泵采油系统的组成及工作过程
一、螺杆泵采油系统的组成
螺杆泵采油系统包括地面部分、中间部分和井下部分，如图 2-1 所示。
图 2-1 螺杆泵采油系统的组成
第二章 螺杆泵采油系统原理研究
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驱动装置--- 电机
地面部分---
井口装置
中间部分--- 抽油杆、油管和抽油杆扶正器
井下部分--- 螺杆泵和油层
二、螺杆泵采油系统的工作过程
由地面动力带动抽油杆柱→带动螺杆泵转子转动→井液由螺杆泵下部吸入→
上端排出→从油管流出井口→通过地面管线至计量间
§ 2.1.3 螺杆泵的工作原理
一、螺杆泵的结构
螺杆泵由定子和转子组成的。转子是通过精加工、表面镀铬的高强度螺杆；
定子就是泵筒，是由一种坚固、耐油、抗腐蚀的合成橡胶精磨成型，然后被永久
地粘接在钢壳体内而成[5]。
二、螺杆泵的工作原理
螺杆泵是靠空腔排油，即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室，
当转子转动时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔在排出
端消失，空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端。同时，又在吸入端
重新形成新的低压空腔将原油吸入。这样，封闭空腔不断地形成、运移和消失，
原油便不断地充满、挤压和排出，从而把井中的原油不断地吸入，通过油管举升
到井口。
§ 2.1.4 螺杆泵的工作特性
一、螺杆泵的基本参数
理论排量：单位时间内螺杆泵排出液体的体积，用
t
Q
表示。
扬程：螺杆泵所抽送的单位重量液体从泵进口处到泵出口处能量的增值，
即泵进出口处压力差，单位：MPa。
容积效率：螺杆泵的实际排量
Q
与理论排量
t
Q
之比，记作
，用公式表示为
t
Q
Q
系统效率：螺杆泵的有功功率
h
P
与输入功率
in
P
之比，计作
，用公式表示为
h
in
P
P
扭矩：螺杆泵的吸入端和排出端存在压差，螺杆衬套副中的液体将对螺杆施加
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力的作用。同时定、转子间存在过盈量，将会使定、转子间产生摩擦阻力扭矩。
二、螺杆泵的工作特性曲线
反映螺杆泵的容积效率、系统效率及扭矩与举升高度之间的关系的曲线称为
螺杆泵的工作特性曲线。
螺杆泵工作特性曲线如图 2-2 所示（P→扬程；ηv→容积效率、
η→系统效率；M→扭矩）。
图 2-2 螺杆泵工作特性曲线
三、螺杆泵工作特性的影响因素
（1）过盈量的影响：螺杆泵的工作原理决定了要保证一定的泵效，就必须使
定、转子表面的接触线保持充分密封，而密封的程度取决于定子与转子的过盈量。
过盈量大，泵效高，但螺杆扭矩增加，易出现断杆和定子橡胶磨损加剧；过盈量
小，泵效低，无上述问题。因此，过盈量的大小直接影响泵效的高低。
（2）转子转速的影响：转子的转速决定了螺杆泵的排量。在油井产能允许的
条件下，转子的转速越高，排量就越大。但是，转速越高，抽油杆的离心力就越
大，抽油杆的弯曲振动就越严重，抽油杆接箍与内壁的摩擦力也就随之增大，同
时，举升高度也将因沿程损失的增加和定子橡胶磨损的加速而下降。因此，转子
的转速不易过高，一般应小于 500r/min 为宜。
（3）粘度的影响：粘度增加使得漏失量减小，有利于提高泵的容积效率和系统效
率；另一方面，粘度的增加将使流动阻力增大而降低泵的充满程度和举升高度，
泵的容积效率和系统效率也随之降低。同时，泵的摩擦增大将增加阻力扭矩。
第二章 螺杆泵采油系统原理研究
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§ 2.2 闭环霍尔传感器的工作原理
传感器是由敏感元件和转换元件组成的可将电量或非电量转换为可测量的电
量的检测装置。
§ 2.2.1 霍尔效应及霍尔器件
自1897 年美国物理学家 Edwin Herbert Hall 发现霍尔效应以来，霍尔技术被越
来越多地应用于工业控制的各个领域。随着元器件工艺技术的发展，由霍尔器件
应用开发的霍尔电流、电压传感器的性能也有了很大提高，特别是闭环霍尔电流、
电压传感器的研制成功，大大地扩展了该技术的应用领域[6]。
霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础，当通有小电流
I
的半导体薄片置于磁场
B
中时，半导体内的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使半导体两侧产生电势
差，该电势差即为霍尔电压
H
V
，如图 2-3 所示。
图 2-3 霍尔效应原理图
H
V
与磁感应强度
B
及电流
I
成正比，经过理论推算有关系式：
H
H
R B I
Vd
式中：
H
R
为霍尔系数；
B
为磁感应强度；
I
为电流；
d
为半导体厚度。
上式中，若保持电流
I
不变，在一定条件下，可通过测量霍尔电压
H
V
推算出
磁感应强度
B
的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系。根据这一关系式，人
们研制出了用于测量磁场的半导体器件，即霍尔器件[7]。
§ 2.2.2 闭环霍尔电流传感器的工作原理
闭环霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模
摘要：
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第一章绪论1第一章绪论§1.1课题的来源和选题的意义本课题来源于斯诺克尔石油技术（北京）有限公司。石油主要成分为甲烷，同时含有少量的乙烷和丙烷以及一氧化碳、氮气等。作为一种战略资源，石油被广泛运用于交通运输、石化等各行各业，被称为经济乃至整个社会的“黑色黄金”、“经济血液”。随着我国经济和社会的快速发展，石油的应用越来越广，消耗量也越来越大，这就要求石油的供应量必须越来越大。作为提高石油产量的重要环节，油田开发正在得到越来越高的重视[1]。油田开发方案由油田地质、油藏工程、钻井工程、采油工程、油田地面建设和经济评价6个部分组成。采油工程立足油藏工程，衔接油田地面建设工程，起着承上启下的作用。采...
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