基于物聯(lián)網(wǎng)的油井智能間抽控制系統(tǒng)

賈志鵬，李 盼，念 彬，周 婷，余 杰

（1.長慶油田分公司隴東頁巖油開發(fā)項目部，甘肅 慶城 745100；2.西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引 言

在低滲超低滲油田的開發(fā)過程中，由于油井供液不足，導(dǎo)致活塞在泵筒干磨，不僅降低了抽油機效率，并且損壞了活塞和泵筒，造成了資源的嚴(yán)重浪費，增加了采油成本。因此，需要根據(jù)油井的開采狀態(tài)，合理調(diào)整抽油制度[1-3]。目前，國內(nèi)外各大油田主要采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)對抽油機進行啟?？刂?。早在20世紀(jì)90年代，大慶油田就研制出了基于抽油桿載荷量的抽油機自動控制系統(tǒng)，這種方法實際應(yīng)用時誤差大、停井時間過長，并沒有實質(zhì)性地提升抽油效率[4]；中國石油大學(xué)在2011年研究了基于綜合診斷的抽油機變頻控制技術(shù)，通過對抽油機的溫度、載荷、電壓、電流、位移等數(shù)據(jù)進行綜合分析，得到最佳運行頻率，實現(xiàn)抽油機的自動變頻控制，該方法新穎，但算法過于復(fù)雜，并未實際推廣使用[5]。遼河油田于2012年研制了基于動液面的自動抽油機控制系統(tǒng)，現(xiàn)場使用效果不太理想[6]。此外，現(xiàn)場大多數(shù)抽油機控制系統(tǒng)采用無線WiFi的通信方式進行抽油機井口設(shè)備和遠程監(jiān)控平臺之間數(shù)據(jù)傳輸，WiFi信號覆蓋范圍小，并不適合遠距離傳輸數(shù)據(jù)[7]。

本文通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行研究，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的油井智能間抽控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要包括動液面監(jiān)測儀、示功圖采集模塊、間抽控制柜和間抽監(jiān)控后臺，形成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，基于無線4G網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了對抽油機工作狀態(tài)的實時采集、可靠傳輸、智能控制和動態(tài)監(jiān)測等?，F(xiàn)場運行結(jié)果表明：該系統(tǒng)實用可靠、整機性能良好，解決了低滲井能耗高、泵效低的問題，獲得了良好的經(jīng)濟效益。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能間抽雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能間抽雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。外環(huán)控制抽油機啟停，內(nèi)環(huán)控制抽油機工作頻率，進而控制采油速度。

圖1 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

動液面監(jiān)測儀實時監(jiān)測油井動液面，并根據(jù)給定沉沒度，結(jié)合預(yù)置的抽油機啟?？刂扑惴?，得到啟動或者停止抽油機的指令，使得抽油機在給定沉沒度附近的某個誤差范圍內(nèi)工作，形成外環(huán)閉環(huán)。示功圖采集模塊實時采集抽油桿的功圖，并根據(jù)給定功圖，采用傳統(tǒng)的PID控制算法控制抽油機工作頻率，從而根據(jù)當(dāng)前出油快慢控制抽油機沖次，進而控制抽油速度，形成內(nèi)環(huán)閉環(huán)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能間抽控制系統(tǒng)構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的油井智能間抽控制系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示[8]。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的間抽控制系統(tǒng)

感知層由動液面監(jiān)測儀、示功圖采集模塊組成，實時采集井口數(shù)據(jù)，包括動液面位置和抽油桿功圖，并將采集數(shù)據(jù)通過傳輸層傳輸給遠程間抽監(jiān)控平臺，為服務(wù)器執(zhí)行間抽采油算法提供依據(jù)。傳輸層是間抽控制系統(tǒng)各構(gòu)成部分間通信的橋梁，通過在各構(gòu)成模塊內(nèi)部集成4G模塊，采用無線4G信號傳輸?shù)姆绞竭M行組網(wǎng)通信，可以實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的長距離高速可靠傳輸。應(yīng)用層包括后臺服務(wù)器、PC管理平臺等，內(nèi)部集成獨有的動液面計算模型、功圖計算模型、間抽采油控制模型、大數(shù)據(jù)模型等，在線計算動液面位置、功圖和變頻器工作頻率，并支持數(shù)據(jù)和波形的遠程查看、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出以及遠程參數(shù)設(shè)置等。

3 智能間抽控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的間抽控制系統(tǒng)硬件部分如圖3所示，主要包括動液面監(jiān)測儀、示功圖采集模塊、抽油機控制柜和間抽監(jiān)控平臺。

圖3 間抽控制系統(tǒng)硬件組成

動液面監(jiān)測儀選擇西安海聯(lián)石化科技有限公司出品的動液面監(jiān)測控制器（外網(wǎng)），載荷傳感器和三相電參采集模塊采集計算功圖所需參數(shù)，間抽控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括間抽采油控制器的硬件電路設(shè)計和間抽監(jiān)控后臺的硬件設(shè)計。

3.1 間抽采油控制器硬件設(shè)計

間抽采油控制器采用基于ARM的STM32F103RET6作為微控制單元，包括觸摸屏、語音模塊、FLASH存儲器、4G模塊、繼電器等[9-10]。間抽采油控制器硬件組成如圖4所示。

圖4 間抽采油控制器硬件組成

間抽采油控制器主要接收遠程監(jiān)控平臺傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，解析出抽油機啟動或者停止和變頻器工作頻率的指令，根據(jù)解析出的啟停指令控制啟動繼電器或者停止繼電器動作，達到控制電機啟停的目的，并將解析出的電機運行頻率值通過RS 485傳輸給變頻器，控制電機轉(zhuǎn)速，從而達到控制抽油機沖次的目的?？刂破魍馀渲昧擞|摸屏，現(xiàn)場人員可以通過觸摸屏手動開環(huán)控制抽油機啟停和調(diào)節(jié)抽油機沖次。間抽采油控制器內(nèi)置有語音模塊，當(dāng)抽油機啟動或者停止前10 s進行語音播報，提示現(xiàn)場工作人員安全撤離。

3.2 間抽監(jiān)控平臺硬件設(shè)計

間抽監(jiān)控平臺硬件部分主要包括服務(wù)器、顯示屏、鍵盤、鼠標(biāo)等。服務(wù)器選用DELL的Poweredge R740架式服務(wù)器，利用獨有的動液面計算模型、功圖計算模型、間抽采油控制模型、大數(shù)據(jù)模型等，對接收的遠程井口數(shù)據(jù)進行解析、計算，得到抽油機啟停和工作頻率，并對數(shù)據(jù)進行封包、加密，傳輸給智能控制器。另外，服務(wù)器還將計算結(jié)果存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，以供用戶或者工作人員通過PC管理平臺以網(wǎng)頁的形式查看數(shù)據(jù)與波形，設(shè)置參數(shù)等。

4 間抽控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

4.1 間抽控制系統(tǒng)軟件組成

間抽控制系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集與傳輸程序和數(shù)據(jù)解析與計算程序組成，如圖5所示。數(shù)據(jù)采集與傳輸程序包括井口數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加密、4G傳輸3個子程序；數(shù)據(jù)解析與計算包括數(shù)據(jù)解析處理、抽油機自動啟停、抽油機沖次調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)展示與存儲4個子程序[10]。

圖5 間抽控制系統(tǒng)軟件組成

4.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集與傳輸程序?qū)⒉杉木趧右好鏀?shù)據(jù)和電參數(shù)發(fā)送給后臺服務(wù)器，流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集與傳輸程序流程

數(shù)據(jù)采集與傳輸程序定時采集井口數(shù)據(jù)，對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波和A/D轉(zhuǎn)換后封包加密，并通過無線4G的方式傳輸給后臺服務(wù)器，若服務(wù)器無應(yīng)答，將啟動3次傳輸機制，完成后定時器繼續(xù)計時，等待下一次定時器到達后，采集下一組數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)解析與計算程序設(shè)計

數(shù)據(jù)解析與計算程序?qū)⒕谠O(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳的動液面數(shù)據(jù)、電參數(shù)數(shù)據(jù)等進行解析、運算、存儲和展示，流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)解析與計算流程

數(shù)據(jù)解析與計算程序準(zhǔn)備實時接收遠程井口設(shè)備傳來的動液面、電參數(shù)等數(shù)據(jù)，當(dāng)服務(wù)器收到遠程儀表發(fā)送數(shù)據(jù)的請求后，準(zhǔn)備好內(nèi)存開始接收數(shù)據(jù)，并回傳連接成功的應(yīng)答指令給遠程設(shè)備，服務(wù)器接收完數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行濾波、解密等處理，并將數(shù)據(jù)帶入嵌入的動液面計算模型、功圖計算模型、間抽采油控制模型、大數(shù)據(jù)模型等進行比較計算，當(dāng)計算的動液面值不在給定的沉沒度范圍之內(nèi)，則關(guān)閉抽油機，否則開啟抽油機，進行抽油機功圖的計算，調(diào)節(jié)抽油機的運行頻率，達到調(diào)節(jié)抽油機沖次的目的，保障抽油機高效運行。服務(wù)器計算完畢后，將實時數(shù)據(jù)存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，以便用戶或管理員通過Web瀏覽器以網(wǎng)頁的形式查看抽油機的運行情況。

5 結(jié) 語

（1）該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)進行數(shù)據(jù)的采集、傳輸和應(yīng)用，實現(xiàn)了對抽油機工作狀態(tài)的實時采集、可靠傳輸、智能控制和動態(tài)監(jiān)測。

（2）基于物聯(lián)網(wǎng)的油井智能間抽控制系統(tǒng)采用動液面閉環(huán)和抽油機泵效閉環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用4G作為傳輸方式，該系統(tǒng)經(jīng)濟可行，運行可靠，節(jié)能效果良好，較好地解決了傳統(tǒng)抽油機系統(tǒng)泵效低、數(shù)據(jù)傳輸距離短等問題，對油田持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)和發(fā)展具有現(xiàn)實意義。