基于WiFi數(shù)字化抽油機(jī)研究

廖啟新

摘 要：WiFi網(wǎng)絡(luò)近年來得到快速發(fā)展，其具有帶寬寬、部署便捷、自成體系和成本低等特點。采用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)對抽油機(jī)油井系統(tǒng)作為油井監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，不僅可以實現(xiàn)油井工況參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸，還可實現(xiàn)音視頻傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用云端架構(gòu)，所有的監(jiān)控數(shù)據(jù)均存儲于云端服務(wù)器上，通過Web服務(wù)發(fā)布到各終端。對傳統(tǒng)抽油機(jī)的游梁尾梁采用自動調(diào)平衡裝置，通過控制其前后移動，改變力矩調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡，以達(dá)到節(jié)能。數(shù)字化控制技術(shù)將自動平衡、電機(jī)控制、工況監(jiān)測集成為一個控制系統(tǒng)，可以根據(jù)工況參數(shù)實現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的自動調(diào)整，從而實現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：WiFi網(wǎng)絡(luò)；數(shù)字化控制；抽油機(jī)

中圖分類號：TE933 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 技術(shù)背景

能源緊缺是全球共同面臨的嚴(yán)峻問題，對我國來說，能源緊缺問題尤其嚴(yán)重，節(jié)能是我國的基本國策。目前我國抽油機(jī)的保有量在10萬臺以上，電動機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?5MW，年耗電量105億kWh。據(jù)統(tǒng)計，在油田生產(chǎn)成本中約有1/2為電能消耗，而游梁式抽油機(jī)消耗的電能約占總電能消耗的80%。抽油機(jī)的運(yùn)行效率較低，在我國平均運(yùn)行效率僅為26%，國外平均水平為30%，年節(jié)能潛力10多億kWh。隨著世界經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，能源越來越緊缺的問題也十分突出，節(jié)能降耗是當(dāng)今世界各國亟待解決的共同難題。因此，抽油機(jī)的節(jié)能改造從來也沒有停止過步伐。

2 技術(shù)方案

2.1 基于WiFi數(shù)字化抽油機(jī)的技術(shù)方案

2.1.1 選擇游梁式抽油機(jī)、無游梁式抽油機(jī)為載體，采用數(shù)字化技術(shù)改造傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)和無游梁式抽油機(jī)。

2.1.2 自動平衡移動裝置。該裝置安裝在游梁尾部，它是由伺服電機(jī)、微型減速器、絲杠、配重、滾輪等構(gòu)成。伺服電機(jī)接受控制系統(tǒng)的指令，當(dāng)懸點負(fù)荷變化，電流隨之也變化，控制系統(tǒng)感知后便指令電機(jī)作順（逆）時針旋轉(zhuǎn)，帶動配重箱向外（內(nèi)）移動，調(diào)節(jié)力臂距離，及時獲得新的平衡，從而達(dá)到節(jié)能。

2.1.3 采用專業(yè)的傳感器。如在懸繩器上安裝壓力傳感器，實時測出懸點負(fù)荷；在井口裝置出油管線上安裝溫度傳感器，隨時測出井下原油的溫度；在井下環(huán)形空間液面設(shè)置浮式位置傳感器，及時測量井下液面的高度；在生產(chǎn)閥門出口處安裝流量傳感器和比重傳感器，及時測出抽油機(jī)所采出的原油的產(chǎn)量以及測出所開采原油的含水量。

2.1.4 集中處理器（CPU）。CPU有著處理指令、執(zhí)行操作、控制時間、處理數(shù)據(jù)四大作用。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的抽油機(jī)生產(chǎn)過程。自動接受各種傳感器的技術(shù)數(shù)據(jù)，通過建模和自動綜合分析形成各種可輸出信息，并根據(jù)預(yù)先輸入的參數(shù)，自動調(diào)節(jié)抽油機(jī)的工作參數(shù)，如圖1所示。

2.1.5 WiFi無線網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)集中處理器形成的各類數(shù)據(jù)，通過WiFi無線傳輸，隨時傳輸技術(shù)參數(shù)和音視頻。

2.1.6 太陽能電池。任何裝置均離不開動力，數(shù)字化抽油機(jī)的各類傳感器同樣離不開能源，采用太陽能光伏電池，無污染，無噪聲，無須外接電源。

2.1.7 接受系統(tǒng)。直接利用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，在辦公室內(nèi)打開電腦，輸入網(wǎng)址，即可獲得抽油機(jī)井的各項技術(shù)數(shù)據(jù)和井場音視頻，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析油井是否正常，是否需要采取措施，如修井、換泵等。

2.1.8 利用電機(jī)的電參數(shù)作為信息源，據(jù)此自動控制出最佳運(yùn)行模式。

2.2 基于WiFi數(shù)字化抽油機(jī)工作原理

2.2.1 自動平衡技術(shù)。游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作，也就是說抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞，在平衡度為100%時，電動機(jī)提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力。其工作原理邏輯關(guān)系圖如圖2所示。

2.2.2 數(shù)學(xué)化技術(shù)將自動平衡、電機(jī)控制、工況監(jiān)測集成為控制系統(tǒng)。同時實現(xiàn)自動平衡、電機(jī)控制、工況監(jiān)測功能，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的參數(shù)還可以判斷油井的沖程沖次、懸點載荷等工況參數(shù)，這樣工況監(jiān)視也無須設(shè)置另外的傳感器。由于系統(tǒng)具有工況檢測與電機(jī)控制功能，可以根據(jù)工況參數(shù)實現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的自動調(diào)整，從而實現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行。

2.2.3 WiFi無線網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。WiFi網(wǎng)絡(luò)近年來得到快速發(fā)展，具有帶寬寬、部署便捷和成本低等特點，不僅可以實現(xiàn)油井工況參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸，還可實現(xiàn)音視頻傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用云端架構(gòu)，監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲于云端服務(wù)器上，通過Web服務(wù)發(fā)布到終端。

2.3 關(guān)鍵性創(chuàng)新技術(shù)

2.3.1 自動調(diào)平衡裝置。傳統(tǒng)調(diào)平衡度的方式是人工調(diào)整，需要在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，需要由3人配合，需要吊車輔助，費(fèi)時費(fèi)力，工人勞動強(qiáng)度大。同時由于地層條件、井筒工作狀況以及油井作業(yè)、工作制度等動態(tài)因素變化的影響，抽油機(jī)的平衡狀態(tài)經(jīng)常改變，不可能經(jīng)常停車調(diào)平衡，因此發(fā)明了自動調(diào)平衡裝置。

2.3.2 將自動平衡、電機(jī)控制、工況監(jiān)測集成為一個整體，利用一套控制系統(tǒng)同時實現(xiàn)這3種功能。將自動平衡、電機(jī)控制、工況監(jiān)測集成為一個整體，各模塊之間的信息得以相互溝通，特別是不僅將電機(jī)及其控制器作為一個動力源，還將其作為一個傳感源。采用電機(jī)控制器調(diào)節(jié)沖次等抽汲參數(shù)則非常便捷，如運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行方向、上下行電流、沖程沖次完全可以通過電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和相電流等運(yùn)行參數(shù)計算出來，通過對比上下行程的電機(jī)電流還可以獲得抽油機(jī)平衡情況，從而為自動平衡控制提供反饋信息，而自動平衡模塊將平衡塊的位置信息提供給電機(jī)控制器，結(jié)合電機(jī)電流即可計算出懸繩負(fù)荷，節(jié)約了大量的傳感設(shè)備。傳統(tǒng)方案與本項目提出的方案結(jié)構(gòu)對比如圖3所示。

2.3.3 采用WiFi網(wǎng)絡(luò)作為油井監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)多利用GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)油井的遠(yuǎn)程監(jiān)控，其弊端在于GPRS網(wǎng)絡(luò)帶寬較小，僅有幾十KB/s到幾百KB/s，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有限，特別是無法傳輸視頻與音頻信號，在無人區(qū)無法使用，連接于公共網(wǎng)絡(luò)上安全性較差。而WiFi網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到了幾到幾百M(fèi)B/s，帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)。采用一臺WiFi主站覆蓋10km2區(qū)域范圍內(nèi)的所有油井，可實現(xiàn)運(yùn)行技術(shù)參數(shù)及音視頻傳輸，且無網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)，組成的專用網(wǎng)絡(luò)不受公網(wǎng)安全威脅。

3 技術(shù)特征

基于WiFi數(shù)字化抽油機(jī)（W型曳引抽油機(jī)作為載體）自2016年5月13日安裝到中原油田采油三廠28號站W(wǎng)C77-9井試用以來，運(yùn)行正常，質(zhì)量可靠。

3.1 技術(shù)指標(biāo)

3.1.1 懸點負(fù)荷：30kn～220kn。

3.1.2 沖程：1m～4m（游梁抽油機(jī)），5m～7m（無游梁抽油機(jī)）。

3.1.3 沖次：3～9次/min（游梁抽油機(jī)），1～4次/min（無游梁抽油機(jī)）。

3.1.4 平衡度：95%～100%。

3.1.5 電機(jī)功率因素≥99%

3.1.6 整機(jī)電網(wǎng)污染THD≤5%

3.1.7 WiFi網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到2MB/s。

3.1.8 WiFi主站覆蓋范圍大于10km2。

3.1.9 實時工況無線遠(yuǎn)程傳輸10次/min。

3.1.10 遙控遙測，現(xiàn)場無人值守。

3.2 性能特征

3.2.1 節(jié)能效果顯著。原游梁式抽油機(jī)電機(jī)功率為45kW，本機(jī)為22kW，功率配備下降51%。

3.2.2 減排。原游梁式抽油機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)為87dB，而本機(jī)為54dB，降低33dB，下降39%；全機(jī)不用潤滑油，無污染。

3.2.3 提高效率。采用稀土永磁外轉(zhuǎn)子同步電機(jī)與數(shù)字化控制系統(tǒng)配套，刪除減速傳動裝置，精減曲柄四連桿機(jī)構(gòu)，采用長沖程低沖次工作方式，系統(tǒng)效率提高20%。

3.2.4 控制自動化。能自動計量日耗電量、采液量、示功圖、壓力、溫度、系統(tǒng)效率分析、自動調(diào)節(jié)運(yùn)行平衡率、自動調(diào)節(jié)電機(jī)電流達(dá)到最佳節(jié)能狀態(tài)。

3.2.5 管理智能化。抽油機(jī)即時工況，現(xiàn)場運(yùn)行情況隨時通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端設(shè)備，遠(yuǎn)程監(jiān)控、實現(xiàn)遙控遙測。

3.2.6 無線傳輸自成體系。采用WiFi無線傳輸，無須單獨(dú)布線，不受其他網(wǎng)絡(luò)干擾，自成體系，維護(hù)簡單，不用繳費(fèi)。

3.2.7 計量準(zhǔn)確。采集數(shù)據(jù)精度準(zhǔn)確率高，對耗電量，采液量等自動計量，自動生成報表，便于統(tǒng)計管理，避免人為誤差。

3.2.8 大大減輕工人勞動強(qiáng)度。工人在值班室值班同時可對若干臺抽油機(jī)集中監(jiān)控，節(jié)省大量勞動力，壓降采油成本。

結(jié)論

綜上所述，基于WiFi數(shù)字化抽油機(jī)具有控制自動化、管理智能化、無線傳輸自成體系、計量準(zhǔn)確等優(yōu)點，是節(jié)能、減排、高效、控制自動化新產(chǎn)品，其技術(shù)先進(jìn)可靠。

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專利項目：國家發(fā)明專利“M型曳引數(shù)字化抽油機(jī)”（ZL2013105871894）。