物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在油田采油工程上的應用

凌虹

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司裝備部，北京 100101）

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在油田采油工程上的應用

凌虹

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司裝備部，北京 100101）

介紹了基于油井動液面實時監(jiān)測的數(shù)字化系統(tǒng)，完成對數(shù)據(jù)進行傳輸、管理、分析統(tǒng)計等工作。同時解決在無人值守的條件下對油井動液面長期實施監(jiān)測，可將每口井的信息組成網(wǎng)絡，進行數(shù)字化油田的實時監(jiān)控及遠程控制。

采油工程；油井動液面；遠程監(jiān)測

1 回聲法油井動液面監(jiān)測

采油系統(tǒng)是依據(jù)地下產(chǎn)能情況，通過合理調(diào)整地面設備的運行參數(shù)，以較少的投入達到最大產(chǎn)出，追求最大產(chǎn)出以及最大產(chǎn)出/投入比。為了實現(xiàn)上述目的，首先需要對地下產(chǎn)能情況實時監(jiān)測，在具體實踐中需要對油井動液面進行實時監(jiān)測，以使在確保抽油泵正常工作的前提下，能夠最大限度的發(fā)揮地下產(chǎn)能。其次是地面設備能夠依據(jù)井底動液面的變化情況調(diào)整其運行參數(shù)。第三是整個設備要滿足數(shù)字化油田建設需要，能夠?qū)?shù)據(jù)進行傳輸、管理、分析統(tǒng)計等。第四是設備要滿足野外無人值守的使用條件。但是目前采用的動液面監(jiān)測方法（回聲法）有一定的局限性，其主要原因是如下。

（1）儀器不能長期、野外自動工作，效率低且勞動強度大。

（2）主要誤差難以克服，采用聲速法，人工輸入的聲速不確定度較大；節(jié)箍法由于修復油管的長短不一，從而引入誤差。

（3）油井動液面數(shù)據(jù)有限。

（4）每口井每個月一般只測量2次，無法滿足生產(chǎn)管理需要。

（5）存在“假液面”現(xiàn)象，原因是原油中的溶解氣多的油井，不斷從油中分離出來的伴生氣在環(huán)空中容易形成氣液混合的泡沫段，使回聲儀無法測出準確的液面，即俗稱的“假液面”。

（6）不能滿足油田數(shù)字化發(fā)展要求。

（7）不能完成連續(xù)的自動測量。

2 非回聲法油井動液面監(jiān)測

隨著科技的進步，要解決以下三個技術(shù)難點：第一，解決在無人值守的條件下對油井動液面長期實施監(jiān)測。第二，設備的調(diào)速系統(tǒng)等設施能夠滿足野外無人值守的使用條件。第三，形成閉環(huán)控制的完整系統(tǒng)。

要解決上述三個技術(shù)難點，決定采用非回聲法油井動液面測量的方法，其工作原理是根據(jù)物質(zhì)平衡原理，流入和流出油套環(huán)空的質(zhì)量流量之差等于油套環(huán)空內(nèi)的質(zhì)量隨時間的變化率（圖1）。用電磁閥控制排氣周期及憋氣周期，通過測量壓力和溫度的變化，以及用孔板放氣機理換算得到放氣流量，便可以換算出油套環(huán)空的體積V，再除以環(huán)空面積A，即得液面深度H=V/A。

圖1

其優(yōu)勢包括：可以克服“泡沫段”引起的假液面錯誤；可以進行連續(xù)不間斷測量，為實現(xiàn)自動控制提供了條件；可以與抽油電機組成反饋控制，進行自動調(diào)速；可以將每口井的信息（液面深度、抽油速度等）組成網(wǎng)絡，進行數(shù)字化油田的實時監(jiān)控及遠程控制。

采用非回聲法油井動液面測量的方法，受到的制約是目前調(diào)速系統(tǒng)的局限，其主要表現(xiàn)在電機多為繞組電機，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于變頻調(diào)速系統(tǒng)不適合野外無人值守的工作條件，系統(tǒng)可靠性差。另外，若采用現(xiàn)場更換皮帶輪等機械方法進行調(diào)速，一方面不能實現(xiàn)無級調(diào)速，另一方面不能做到依據(jù)動液面變化情況進行調(diào)整。

為避免這個問題，我們選用開關(guān)磁阻電機及DSP調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)其控制原理及性能曲線，可以發(fā)現(xiàn)其具有以下優(yōu)點：第一，電機調(diào)速范圍寬，電機效率高，尤其高效區(qū)寬。第二，與油井液面測量組成自動反饋調(diào)速系統(tǒng)。第三，工作溫度-40～85℃。第四，適合野外工作環(huán)境，防水，耐高低溫。第五，滿足野外無人值守工作條件，可以實現(xiàn)自動控制、遠控、數(shù)據(jù)及其它信息遠程傳輸功能。

3 集成模塊系統(tǒng)控制方案

為研發(fā)出自動控制系統(tǒng)，我們解決了以下技術(shù)難點。首先，解決了野外、運動設備多參數(shù)監(jiān)控與控制部件耐溫、部件間絕緣與散熱、連接可靠等性能要求；其次，實現(xiàn)了以采油設備為核心的整個網(wǎng)絡控制。其技術(shù)方案：采用集成模塊系統(tǒng)控制技術(shù)，具有PLC+PC機功能。

結(jié)構(gòu)集成：系統(tǒng)的主控單元、輸入/輸出單元、電源及驅(qū)動放大系統(tǒng)一體集成，可直接控制各種電液元件。功能集成：采集、處理、控制、遠控、無線傳輸集成。便于建立數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，從而實現(xiàn)在線監(jiān)測。適用溫度范圍寬。模塊的適用環(huán)境溫度-40～85℃。

在解決上述技術(shù)難點基礎上，完成了數(shù)字化油田網(wǎng)絡系統(tǒng)，該系統(tǒng)由油田作業(yè)現(xiàn)場的局域控制網(wǎng)，數(shù)據(jù)發(fā)送/接收, 及遠程監(jiān)控中心組成。 數(shù)據(jù)發(fā)送/接收是利用現(xiàn)有的移動通訊網(wǎng)絡來完成，將每口井的數(shù)據(jù)發(fā)送到INTERNET網(wǎng)上。只要有手機信號的任何地方都可以工作。 在控制中心從INTERNET網(wǎng)下載數(shù)據(jù)，進行分析、統(tǒng)計、監(jiān)控。具體表現(xiàn)如下：第一，在油田的每一口井上，由油井液面自動測量、電機自動調(diào)速組成無人值守的自動化系統(tǒng)。第二，由無線發(fā)射/接受組成數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。第三，將遠程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在控制中心進行統(tǒng)計、分析、優(yōu)化，形成數(shù)字化油田網(wǎng)絡系統(tǒng)。第四，可以在控制中心對各個油井進行遠程控制操作（例如遠程調(diào)速等）。第五，系統(tǒng)可以廣泛的應用于游梁式抽油機、螺桿泵等采油系統(tǒng)。

4 結(jié)語

功能方面：實現(xiàn)基于動液面監(jiān)測的數(shù)字化控制系統(tǒng)，智慧水平高。另外，采用開關(guān)磁組電機可以加寬電機的調(diào)速范圍，在不更換皮帶輪的前提下使抽油機具有很寬的沖次調(diào)整范圍，較為適合煤層氣井。

可靠性方面：采用SRD 調(diào)速系統(tǒng)，比感應電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)更能適合野外工作。并且采用具有PLC+PC機功能的控制模塊，解決了控制系統(tǒng)多線聯(lián)接防潮、防雨與散熱、隔爆等問題。

信息化水平方面：具有目前數(shù)字化油田所具備的遠傳、監(jiān)測、遠控、分析、統(tǒng)計處理及設備運行參數(shù)監(jiān)測等各項功能。

同時還具備液面監(jiān)測儀、PLC+PC機功能的控制模塊、運行方便、適用機型廣、便于實現(xiàn)產(chǎn)品+服務等技術(shù)優(yōu)勢。

[1]李繼志等．石油鉆采機械概論[M]．山東；中國石油大學出版社，2012，8．

[2]劉洪等．集成化人工智能技術(shù)及其在石油工程中的應用[M]．石油工業(yè)出版社，2008，10．

[3]楊野等．采油工程主要措施效果預測與優(yōu)化[M]．石油工業(yè)出版社，2012,1．

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1671-0711（2017）10（上）-0179-02