0 引言
潜油电动螺杆泵自2003 年在现场推广应用以来，与潜油电 动离心泵、地面驱动螺杆泵等采油设备相比，在兼具两者优点的 同时弥补了两者的不足，即在特殊条件下的较强适应性，特别是 应用在斜井、水平井以及高粘度、高含砂、高含气的油井中，在机 组寿命、节电、增油等方面均优势明显。但同时也存在一个问题， 通过对故障机组的解剖发现，减速器保护器（因齿轮减速器与止 推短节相连通，是一个整体，故减速器保护器也称止推短节保护 器）内的润滑油经过长时间的使用, 存在着进水、变质、出现铁 屑、润滑性能变差等问题，导致了减速器齿轮和止推轴承的磨损 加剧，影响了整个机组运转的平稳性和使用寿命[1]。分析其原因， 整套机组深处井下，受作业空间限制，无法对减速器和止推短节 内润滑油及时更换。若更换，只有将机组提至地面，这势必会增加 作业费用，同时又耽搁了生产。对此，笔者在对传统潜油减速器保 护器改进的基础上，研制出了一套潜油减速器保护器注油装置， 实现了不停机、不提机就能从地面定期对润滑油进行更换，使多 年的现场难题得以解决。
1 技术分析
1.1 减速器保护器注油装置组成
减速器保护器注油装置包括三部分：（1）注油泵；（2）注油 电缆（是一种在动力电缆中增设了注油管线的专用电缆）（专利 号：ZL201520538817.4）（结构简图见图1，其中高强度纤维软 管为注油管）；（3）设有特殊单向安全阀和注油接头的减速器保 护器。
1.2 减速器保护器结构组成
减速器保护器主要由传动轴、头部总成、机械密封总成、泄油 阀总成、上胶囊、上部导向体、呼吸孔、下胶囊、中部导向体、底座总 成。改进后的减速器保护器增设了高压单向阀总成、注油接头两部 分。该产品已申报国家实用新型专利。专利号：ZL201620561255.X 结构如图2 所示，（1）上运输帽；（2）传动轴；（3）头部总成； （4）机械密封总成；（5）泄油阀总成；（6）上胶囊；（7）上部导向体； （8）呼吸孔；（9）下胶囊；(10) 中部导向体；(11) 高压单向阀总 成；(12) 注油接头；(13) 底座总成；(14) 下运输帽。
1.3 减速器保护器工作原理
减速器保护器是专门设计的并联胶囊保护器，上部胶囊的内 腔与下部胶囊的外腔相通，下部胶囊的内腔与止推短节、减速器 内部相通，止推短节和齿轮减速装置被“包容”在润滑油内，形成 了一种层层包围的结构形式，这样，除上部胶囊直接与井液接触 外，下部胶囊则完全浸没在具有良好工作环境的润滑油中。潜油 减速器保护器采用胶囊式结构，内装齿轮润滑油给减速器及止推 短节提供润滑，除使用润滑油和井液隔离外，胶囊允许润滑油随 井下温度和压力变化产生的热胀冷缩。
1.4 减速器保护器作用[2]
（1）起密封作用。在井下应用时防止井液和水进入减速器和 止推短节内腔，从而避免润滑油的污染。（2）起呼吸补偿作用。由 于润滑油随着温度的不同有热胀冷缩的体积变化，但止推短节和 齿轮减速器内腔的间隙空间体积又是不变的。故止推短节和齿轮 减速器内腔中的润滑油随着温度的升高要从内腔中排到保护器 内，且随着温度降低从保护器中吸入到内腔内。保护器就随时起 到存储排出的油或者补偿吸入的油。（3）起压力平衡作用。由于止 推短节和齿轮减速器内腔中的润滑油随着热胀冷缩体积不断的 在变化，故内腔的压力也在变化，而保护器就平衡了内腔与油套 环形空间的不平衡压力。（4）起承载作用。传递功率，固定止推轴 承，承受轴向负荷作用。减速器保护器的承载能力N=10t。该保护 器可使该电动潜油螺杆泵系统用于斜井和水平井。
1.5 减速器保护器注油装置的换油过程
改进后的减速器保护器下端设计有一特殊单向安全阀，其开 启压力可根据不同的井深进行调节，在油压作用下单向阀开启， 新的润滑油从保护器下部注入，旧的润滑油从保护器上部呼吸孔 排到油套管环形空间中，完成换油过程。减速器保护器传动轴为 中空结构，可迅速将新的润滑油输送至下端的减速器中。在潜油 电动螺杆泵机组下入井内之前，专用注油电缆中的高强度纤维软 管（即注油管）一端与减速器保护器注油接头(12) 连接，另一端 与地面高压注油泵连接。当机组运转一定的时间，油品老化需要 更换时，开动地面注油泵，地面高压注油泵将新的润滑油通过专 用注油电缆内的高强度纤维软管送入井下，油压达到一定压力后 高压单向安全阀(11) 开启，润滑油进入保护器内腔，在压力作用 下旧的润滑油通过泄油阀(5)、呼吸孔(8) 流入油套管环形空间 完成换油过程。
2 减速器保护器注油装置主要技术参数
注油泵最大注油压力：40 Mpa。注油泵注入速度：5L/H。保 护器润滑油容量：5L。注油管内径：Ø 8mm。注油管长度：根据减 速器保护器所处实际深度确定。注油阀开启压力设定值：根据减 速器保护器不同的垂直深度设定不同的开启压力。
3 现场应用情况
潜油电动螺杆泵减速器保护器注油装置自2014 年研发以 来，在塔-1 井、LPL58-11 和LPL58-X107 井进行了成功应用， 具体应用情况见表3。为确保注油单向阀在非注油条件下始终 能够处于关闭状态，根据减速器保护器所在井深位置，考虑润滑 油的摩阻影响，以上三口井的注油单向阀开启压力均设定为20 Mpa。在实际注油时，三口井的注入泵注入压力分别为5.8 Mpa、 6.8Mpa、6.2Mpa。为确保保护器内旧的润滑油全部更换，新的润 滑油注入量为7.5L，注入时间为1.5H。润滑油采用美孚齿轮油。 为使减速器始终处在良好的润滑环境下工作，润滑油的更换频次 一般为每三个月更换一次。
自从采取了减速器保护器内润滑油的定期更换措施，通过 观察螺杆泵机组运转状态以及对故障机组的解剖发现，减速器以 及保护器内的润滑油清洁度大幅提高，减速器齿轮和止推轴承磨 损程度大大降低，整个机组运转的平稳性得到大幅提升，从而有 效地提高了整个潜油电动螺杆泵机组的无故障运转周期，取得了 显著的经济效益和社会效益。经过对垦东油田13 口潜油电动螺 杆泵故障井的数据统计分析，平均无故障运转时间为252 天/ 口 井[3]。通过注油装置对减速器进行定期更换润滑油后，塔-1 井、 LPL58-11 和LPL58-X107 井三口井平均无故障运转时间为376 天/ 口井，同未注油时的平均无故障运转时间相比提高了49%。 不考虑因作业期间停产所造成原油损失（该项费用与油井的产量 有关），仅就作业费用和检泵费用两项费用来讲，单口井可节约费 用近10 万元。
4 结束语
潜油电动螺杆泵减速器保护器注油装置很好地实现了减速 器保护器润滑油在不停机、不提机条件下的定期更换，极大地改 善了减速器和止推轴承的工作环境，消除了润滑油长时间不能更 换带来的润滑油变质、齿轮及止推轴承磨损加剧、铁屑多等问题， 能大幅提升潜油电动螺杆泵机组运转平稳性和运转寿命，社会效 益和经济效益显著。
减速器保护器注油装置可靠性高，操作方便，便于现场操作 工人熟练掌握。该装置使用寿命长，成本低廉，得到了现场用户的 高度评价，具有较好的推广应用价值。
四旋翼飞行器的四元数微分方程为：
式子中ωx，ωy，ωz 为机体坐标系下的角速度。在已知初 始四元数的情况下，通过三轴陀螺仪测量3 个轴的角速度即可实 时更新四元数的值。
在互补滤波算法中，在MEMS 传感器中动态性能好的元器件 是陀螺仪，静态特性好的元器件是加速度计，在飞行过程中，在低 频段选择加速度计数据，在高频段选择陀螺仪数据，互补滤波算 法就是根据两者在频域上的动态响应特性的互补关系，在频域中 加入低通和高通滤波器，对两者的姿态数据进行融合，利用加速 度计的测量值来修正陀螺仪的误差，提高系统的解算精度。加速 度计测得数据αx，αy，αz 陀螺仪姿态解算数据νx，νy， νz 为了得到一定的闭环控制效果，本文加入了PID 控制器，以 调节系统在输入输出之间的稳定性。
出陀螺仪与加速度计之间的误差之后，构成自适应互补滤波器，引 入了 PID 控制器，动态补偿系数 Kp，Ki，Kd，当系统的噪声干扰 较小时，突出静态工作特性，加速度计输出比例增加，在噪声干扰较 大，突出动态工作特性，陀螺仪输出比例增加，从而提高姿态数据 的融合精度，即使在复杂环境下，也能较为准确地解算出姿态角。
2 实验结果分析
搭建四旋翼飞行器实验平台，采用双闭环控制 PID 算法控 制4 个电机的转速，软件上控制系统的周期为2 ms，输出pwm 波 形 频率为 9k Hz，波形幅度进行控制，避免突然增大动力油门或 减小引起系统不稳定。PID 参数为 0.88，36，0.08，加入PID 后实时滤波图形如图2 所示。
3 结论
基于一阶互补滤波算法的姿态解算原理与实现方法，本文提 出了四旋翼飞行器在运动中的陀螺仪与加速度计对姿态的影响， 并针对不同的飞行状态，采用数据的选择原理，将姿态解算出的 角度加入一个PID 控制。实验结果表明: 算法提高了姿态解算的 精度，具有较好的抗干扰性，适用于四旋翼姿态解算。