抽油機(jī)數(shù)字化控制技術(shù)

鄭 飛 張會森 閆蘇斌 賈銀娟 余洪林

中國石油長慶培訓(xùn)中心，陜西 西安 710021

0 前言

長慶油田公司在推進(jìn)油田數(shù)字化管理的過程中，全面推進(jìn)地面設(shè)施的遠(yuǎn)程管理。通過使用新技術(shù)及研發(fā)新裝備最終實(shí)現(xiàn)采油作業(yè)的全自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理。抽油機(jī)是采油作業(yè)中最主要的地面設(shè)備及耗能大戶，國內(nèi)外圍繞抽油機(jī)的自動化、數(shù)字化改造做了大量工作［1～3］。長慶油田公司機(jī)械制造總廠自主研發(fā)的數(shù)字化抽油機(jī)，集油井監(jiān)控技術(shù)和變頻控制技術(shù)于一體，將數(shù)字化管理與節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，具備了智能調(diào)節(jié)沖次、自動調(diào)節(jié)平衡、油井工況智能診斷與計(jì)量及遠(yuǎn)程啟?？刂频裙δ埽?～5］。

1 數(shù)字化抽油機(jī)控制系統(tǒng)組成

數(shù)字化抽油機(jī)控制系統(tǒng)由井口RTU（遠(yuǎn)程終端控制器）控制和增壓站站控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制兩部分組成，其控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.1 傳感器

通過載荷傳感器、位移傳感器、電流互感器等實(shí)現(xiàn)載荷、位移以及電參數(shù)的實(shí)時采集與傳輸。

1.2 變頻器

通過變頻器改變電流頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)抽油機(jī)沖次目的，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動及多項(xiàng)保護(hù)功能。

1.3 平衡調(diào)節(jié)裝置

由平衡塊、絲杠、電機(jī)和平衡臂組成，根據(jù)RTU的指令，調(diào)節(jié)平衡塊的力臂來自動調(diào)節(jié)抽油機(jī)平衡。

1.4 遠(yuǎn)程啟停模塊

接收站控系統(tǒng)指令，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)遠(yuǎn)程啟停。

1.5 井口RTU

接收傳感器送來的載荷、位移、電參及抽油機(jī)啟停狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過控制軟件實(shí)現(xiàn)沖次與平衡的邏輯運(yùn)算與智能控制；并通過無線通訊模將井口數(shù)據(jù)上傳，實(shí)現(xiàn)本機(jī)與站控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 數(shù)字化抽油機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.6 井場通訊設(shè)備

井場電桿上安裝一個井場無線模塊及一個串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，其中井場無線模塊負(fù)責(zé)與井場內(nèi)的井口RTU建立通訊連接，串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器把井場無線模塊的串口信號變成TCP/IP格式連接到無線網(wǎng)橋，通過無線網(wǎng)橋建立井場和增壓站站控系統(tǒng)的通訊連接。

1.7 站控系統(tǒng)軟件

增壓站內(nèi)工控機(jī)的站控系統(tǒng)軟件分三部分：

a）RTU驅(qū)動軟件，通過工控機(jī)—站內(nèi)無線網(wǎng)橋—井場無線網(wǎng)橋—串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器—井場無線模塊—井口RTU建立的通訊鏈路，完成對單井的信息采集和控制命令發(fā)送。

b）標(biāo)準(zhǔn)站控軟件，完成單井信息的顯示，提供操作界面。

c）功圖分析及計(jì)量軟件，接收RTU驅(qū)動軟件提供的數(shù)據(jù)，對功圖進(jìn)行分析，得出功圖分析結(jié)果和產(chǎn)液量。

2 數(shù)字化抽油機(jī)關(guān)鍵控制技術(shù)

2．1 抽油機(jī)最佳沖次判定及調(diào)節(jié)技術(shù)

自動監(jiān)測并實(shí)時顯示抽油機(jī)的沖次?？梢允謩訜o級調(diào)節(jié)沖次；也可由井口RTU根據(jù)功圖反映的油井產(chǎn)液量大小，自動尋找最佳沖次；也可由站控系統(tǒng)推薦最佳沖次，即按照工控機(jī)指令，將抽油機(jī)調(diào)節(jié)到最佳沖次。數(shù)字化抽油機(jī)沖次、平衡調(diào)節(jié)面板見圖2。

圖2 數(shù)字化抽油機(jī)沖次、平衡調(diào)節(jié)面板

2.1.1 手動沖次調(diào)節(jié)

將“沖次調(diào)節(jié)”旋鈕旋至“手動”，轉(zhuǎn)動“手動沖次調(diào)節(jié)”旋鈕。向右旋轉(zhuǎn)沖次增加，向左旋轉(zhuǎn)沖次減小。

2.1.2 自動沖次調(diào)節(jié)

將“沖次調(diào)節(jié)”旋鈕旋轉(zhuǎn)至“自動”，沖次由RTU進(jìn)行自動控制。沖次自動調(diào)節(jié)模式下，手動沖次調(diào)節(jié)無效。

自動調(diào)節(jié)沖次模式下，井口RTU根據(jù)產(chǎn)液量的大小，利用沖次優(yōu)化算法自動計(jì)算出最優(yōu)沖次，利用變頻器自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使抽油機(jī)沖次調(diào)整到最合理狀態(tài)。該算法是利用地面光桿示功圖，找到其與泵功圖的映射關(guān)系，確定出油井產(chǎn)液量與抽油機(jī)沖次間的關(guān)系，來判定抽油機(jī)的合理沖次，并將抽油機(jī)沖次調(diào)整到最佳沖次。在保證產(chǎn)液量的情況下，沖次調(diào)整到最小，達(dá)到最佳節(jié)能效果。

RTU沖次判定軟件使抽油機(jī)沖次調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了單機(jī)閉環(huán)運(yùn)行，有效地解決了由于網(wǎng)絡(luò)故障而無法從站控系統(tǒng)取得產(chǎn)液量數(shù)據(jù)進(jìn)行沖次判斷的問題，對邊緣井最佳沖次判定及調(diào)節(jié)尤其重要。

2．2 抽油機(jī)平衡度自動判定及調(diào)節(jié)技術(shù)

自動監(jiān)測并實(shí)時顯示抽油機(jī)的平衡狀況，可手動或自動將抽油機(jī)調(diào)整到最佳平衡狀況，降低峰值電流，達(dá)到保護(hù)減速器和節(jié)能的目的。自動調(diào)節(jié)平衡的數(shù)字化抽油機(jī)見圖3。

圖3 自動調(diào)節(jié)平衡的數(shù)字化抽油機(jī)

2.2.1 手動平衡調(diào)節(jié)

將“平衡調(diào)節(jié)”旋鈕旋至“手動”，轉(zhuǎn)動“手動平衡調(diào)節(jié)”旋鈕。伸長：抽油機(jī)尾平衡塊向遠(yuǎn)離驢頭方向運(yùn)動，平衡重力矩變大；縮短：抽油機(jī)尾平衡塊向驢頭方向運(yùn)動，平衡重力矩變小。

2.2.2 自動平衡調(diào)節(jié)

將“平衡調(diào)節(jié)”旋鈕旋至“自動”，平衡由RTU進(jìn)行自動控制。平衡自動調(diào)節(jié)模式下，手動平衡調(diào)節(jié)無效。

抽油機(jī)平衡自動判定采用電功率平衡法（Q/SY 1233-2009），通過EDA電能監(jiān)測模塊，實(shí)時獲取抽油機(jī)上下沖程的電流及電功率，經(jīng)過RTU運(yùn)算電路分析計(jì)算得到平衡度，控制電路根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動平衡塊在游梁上往復(fù)移動，改變平衡重力矩，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)平衡調(diào)節(jié)。平衡調(diào)節(jié)過程自動完成，提高了調(diào)參時效性，減輕了員工勞動強(qiáng)度，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

2．3 功圖法油井工況診斷及計(jì)量技術(shù)

在抽油機(jī)上安裝載荷、位移傳感器，采集載荷、位移數(shù)據(jù)。通過載荷、位移關(guān)系曲線即示功圖反映油井的工作狀況和產(chǎn)油狀態(tài)，能及時發(fā)現(xiàn)卡桿、斷桿等故障及單井計(jì)量，減輕工人巡井的工作量。

功圖法油井工況診斷與計(jì)量技術(shù)是基于桿、管、泵三維振動學(xué)原理，從反映抽油系統(tǒng)有桿泵工況的地面實(shí)測示功圖（載荷、位移數(shù)據(jù)）入手，把定向井有桿泵抽油系統(tǒng)視為一個復(fù)雜的三維振動系統(tǒng)（包含抽油桿、油管和液柱三個振動子系統(tǒng)），結(jié)合油井?dāng)?shù)據(jù)，研究建立了定向井有桿泵抽油系統(tǒng)的力學(xué)、數(shù)學(xué)模型及算法，計(jì)算在不同示功圖激勵下的泵功圖響應(yīng)，采用矢量特征法對泵功圖進(jìn)行分析，對故障進(jìn)行識別診斷，確定出抽油泵的有效沖程，計(jì)算出油井產(chǎn)液量。功圖法油井工況診斷及計(jì)量技術(shù)原理見圖4。

2．4 抽油機(jī)電參采集及啟?？刂?/h3>

在抽油機(jī)井口RTU機(jī)柜配套電流互感器，監(jiān)測抽油機(jī)電機(jī)三相電流/電壓參數(shù)變化情況，監(jiān)視抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對電機(jī)缺相、過載、空轉(zhuǎn)等故障實(shí)現(xiàn)自動報(bào)警，并能接站控系統(tǒng)指令實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)遠(yuǎn)程啟?？刂?。遠(yuǎn)程啟停時，站控軟件發(fā)送的命令通過無線網(wǎng)橋傳輸?shù)骄赗TU，RTU通過RS 485通訊線把命令傳給啟停模塊，將啟停模塊的接線端子與電機(jī)柜的啟動按鈕并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的遠(yuǎn)程啟動控制；與停止按鈕串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)電機(jī)遠(yuǎn)程停止控制。

圖4 功圖法油井工況診斷及計(jì)量技術(shù)原理

3 結(jié)語

數(shù)字化抽油機(jī)控制技術(shù)的成功運(yùn)用，最大限度地降低了一線員工的勞動強(qiáng)度并減少了一線員工的用工總量；同時減少了安全隱患，節(jié)約了能源，提高了采油效率。數(shù)字化抽油機(jī)控制技術(shù)使采油作業(yè)現(xiàn)場操作實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)人工方式向自動化、數(shù)字化管理方式的重大變革。

［1］Fink K，劉先剛.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡化試井/監(jiān)控［J］.天然氣與石油，1996，14（2）：64-66.

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［5］冉新權(quán)，朱天壽.油氣田數(shù)字化管理［M］.北京：石油工業(yè)出社，2011.97-100.