抽油機井時率監(jiān)測裝置的研究與應(yīng)用

關(guān)宏業(yè) 楊安萍

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第七采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院）

大慶油田某外圍采油廠所轄油井處在10個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、323個村（屯）地界中，整個轄區(qū)面積1 511.65 km2。井位分布零散、井距較大且尚未開展大規(guī)模數(shù)字化建設(shè)，人工巡檢時間之外發(fā)生停井或出現(xiàn)故障難以被及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致部分油井時率偏低。而在抽油機井日常管理過程中，時率是一項重要指標(biāo)，它的運行狀態(tài)直接關(guān)系到機采管理、作業(yè)維護等很多工作。時率的誤差會導(dǎo)致所監(jiān)測的液面數(shù)據(jù)失真、產(chǎn)液量核實不準(zhǔn)及工作參數(shù)不匹配，將使后續(xù)各項機采管理和技術(shù)措施的制定出現(xiàn)很大偏差。如機采參數(shù)偏大，可能造成低液面低效抽油或干磨燒泵等問題。另外，如長時間停井，也會導(dǎo)致油井結(jié)蠟、卡井等問題，不僅影響產(chǎn)量，而且增加了作業(yè)維護成本。據(jù)統(tǒng)計，影響運行時率的主要因素是供電線路故障、抽油機故障和人為蓄意破壞。為此，技術(shù)人員研制了抽油機井時率監(jiān)測裝置，并開發(fā)了相應(yīng)的單片機程序和時率監(jiān)測軟件平臺及手機APP，為后續(xù)的液面測試、措施制定、化清、作業(yè)等多項工作提供可靠的依據(jù)。同時，也有效提升了油田信息化管理程度[1]。

1 抽油機井時率監(jiān)測裝置

1.1 結(jié)構(gòu)

經(jīng)過前期調(diào)研，遠程監(jiān)控技術(shù)需要鋪設(shè)通信光纜，投入成本較高，并不適合外圍油田分散油井的規(guī)模使用。目前在市場上生產(chǎn)、生活領(lǐng)域的監(jiān)測裝置種類繁多、應(yīng)用廣泛，通過借鑒“車輛報警器”等產(chǎn)品的工作原理，應(yīng)用現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、傳輸報警信號技術(shù)，研制抽油機井時率監(jiān)測裝置，裝置主要由供電回路、蜂鳴報警器、單片機、SIM卡、備用電池及遠程通信模塊等部件組成。

裝置從功能實現(xiàn)、經(jīng)濟性、裝置集成度與穩(wěn)定性、所需空間、安全性、信號覆蓋率等7個方面進行綜合評價分析，時率監(jiān)測裝置技術(shù)需求見表1。

1）功能實現(xiàn)：要求抽油機井時率監(jiān)測裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測抽油機井運行狀態(tài)。

2）經(jīng)濟性：在能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測裝置功能的前提下，盡量節(jié)約成本。

3）集成度：集成度盡可能高，便于適應(yīng)現(xiàn)場使用。

4）裝置穩(wěn)定性：裝置構(gòu)成是否簡單、設(shè)備耐久性高低。

5）所需空間：裝置安裝在控制箱或控制柜內(nèi)，所需空間大小。

6）安全性：抽油機井時率監(jiān)測裝置對人身設(shè)備是否存在安全隱患。

7）信號覆蓋率：為適應(yīng)外圍油田的工作情況，信號覆蓋面積盡可能大。

最終，排除了以RTU等成本較高的核心架構(gòu)開發(fā)模式，確定以單片機為核心架構(gòu)開發(fā)時率監(jiān)測裝置方案。由單片機控制器采集現(xiàn)場電信號、結(jié)合備用電池供電，利用通訊模塊傳輸抽油機井的運行狀態(tài)，經(jīng)數(shù)據(jù)庫分析并傳輸將數(shù)據(jù)顯示在個人的移動終端[2]。

1.2 工作原理

時率監(jiān)測裝置適用于外圍油田環(huán)境，具備低成本、易維護、分散油井也可以大規(guī)模安裝的特點。在使用時，需要將時率監(jiān)測裝置安裝在抽油機井輸出交流接觸器下端，當(dāng)抽油機井出現(xiàn)斷電時，蜂鳴器報警，遠程通信模塊通過SIM卡發(fā)送信息至后臺監(jiān)控軟件，通知崗位員工及時到現(xiàn)場查看油井運行情況[3-4]。

1.3 功能

實時監(jiān)測油井工作狀態(tài)，并及時發(fā)出啟動與停機報警。后臺自動處理數(shù)據(jù)，統(tǒng)計抽油機實際工作時間。建立油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，可進行數(shù)據(jù)查詢與瀏覽，產(chǎn)生表格并輸出工作報表。通過局域網(wǎng)查詢數(shù)據(jù)和客戶端監(jiān)控軟件在局域網(wǎng)同步監(jiān)控油井狀態(tài)，并具有歷史記錄、生產(chǎn)時率查詢等功能。

表1 時率監(jiān)測裝置技術(shù)需求Tab.1 Technical requirements for rate monitors

2 抽油機井時率監(jiān)測裝置軟件開發(fā)

抽油機井時率監(jiān)測裝置軟件程序包括：單片機程序和時率監(jiān)測系統(tǒng)平臺程序（移動端APP）兩部分。

1）單片機程序開發(fā)：以Windows 7為運行環(huán)境，構(gòu)建基于Proteus和Keil軟件，配合單片機開發(fā)板設(shè)計的實驗平臺，通過Keil編程調(diào)試和Proteus仿真，實現(xiàn)軟件開發(fā)、仿真和電路設(shè)計相結(jié)合，然后通過開發(fā)板進行實際電路的設(shè)計制作。首先，分析了Keil嵌入式軟件開發(fā)的環(huán)境機制，對Keil使用的嵌入式編譯語言進行了重新整合，并且以此為基礎(chǔ)，將Keil中原有的用于ARM內(nèi)核操作系統(tǒng)移植到ARM Cortex內(nèi)核上，完成了針對時率監(jiān)測裝置軟件開發(fā)。對Keil開發(fā)軟件環(huán)境的改造，降低了系統(tǒng)功耗，解決了系統(tǒng)在測試時帶來的干擾問題。其次，研究了Keil的嵌入式軟件開發(fā)過程及代碼復(fù)用原理，針對代碼復(fù)用模板進行改造，分別以資源方式與腳本方式進行時率監(jiān)測裝置外設(shè)代碼開發(fā)。此外，對時率監(jiān)測裝置工作模式等問題進行了更為深入地研究，解決了時率監(jiān)測裝置無法報警、嵌入式軟件程序無法調(diào)試等具體開發(fā)問題。然后，根據(jù)時率監(jiān)測裝置的實際需求，設(shè)計了一種通用化的電路，利用上述建立的Keil嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境完成了時率監(jiān)測裝置軟件的快速開發(fā)。最后，進行了時率監(jiān)測裝置硬件的相關(guān)試驗驗證。在油井試用2套抽油機井時率監(jiān)測裝置，模擬多次運行、停井試驗以確保試驗效果。前后啟停抽油機井20次，裝置報警20次，報警率100%。能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)測抽油機井的運行狀態(tài)并及時報警功能。試驗充分證明，時率監(jiān)測裝置能滿足油井電參數(shù)采集各項需求[5-6]。

2）時率監(jiān)測系統(tǒng)平臺程序（PC端和移動端APP）開發(fā)：通過C#編程軟件，采用net framework4.0程序框架，開發(fā)時率監(jiān)測裝置上位機軟件平臺。程序主要由感知層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、服務(wù)層和應(yīng)用層等六部分組成。首先，由感知層采集電參數(shù)上報給數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)采集層通過對數(shù)據(jù)的合法性進行驗證分析，剔除不合理數(shù)據(jù)后，上傳至實時數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)動態(tài)處理，實時數(shù)據(jù)庫通過整理相關(guān)數(shù)據(jù)（停機數(shù)量、時率運算、報警井?dāng)?shù)，歷史數(shù)據(jù)等）上報至結(jié)果數(shù)據(jù)庫，同時建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫用以保存用戶賬號和時率監(jiān)測裝置相關(guān)管理權(quán)限，最終推送至服務(wù)層供應(yīng)用層用于查閱。

移動端時率監(jiān)測裝置APP開發(fā)模式由原來的native app開發(fā)模式改為現(xiàn)在的H5+混合應(yīng)用開發(fā)。時率監(jiān)測裝置手機APP通過基于mui和H5+混合應(yīng)用開發(fā)模式，服務(wù)器端采用SSM架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫采用MySQL，客戶端開發(fā)采用mui框架、Jquerymobile等技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)。經(jīng)測試，利用基于mui和H5+混合應(yīng)用開發(fā)的APP能夠?qū)崿F(xiàn)一次開發(fā)、多端發(fā)布，能夠運行在Android、IOS等系統(tǒng)平臺上，實現(xiàn)跨平臺開發(fā)，并以此為基礎(chǔ)確定各功能模塊體系。

3 存在問題及改進措施

3.1 輸出電壓過高，造成裝置適配器燒毀

經(jīng)過分析，原接線方案是將時率監(jiān)測裝置接到配電箱出線端，在使用變頻運行時，電壓輸出受變頻器運行頻率影響，當(dāng)變頻器運行頻率升高時，電壓也隨之升高，易導(dǎo)致時率監(jiān)測裝置內(nèi)適配器燒毀。另外，在惡劣天氣情況下，部分地區(qū)抽油機井因停電后在恢復(fù)送電過程中電壓陡升，也極易造成時率監(jiān)測裝置內(nèi)適配器燒毀（V/F是加在電機定子上的電壓和電源頻率的比值。輸出頻率為30 Hz，實測電壓為232 V；輸出頻率為50 Hz，實測電壓為380 V，適配器耐受電壓最大值為240 V，所以容易燒毀）。為此，技術(shù)人員在工頻交流接觸器外側(cè)加裝常開輔助觸頭，取三相線的其中一相線接入其常開觸點前端，并將其前端與變頻交流接觸器閑置常開觸點相并聯(lián)，然后將常開觸點另一端接入裝置的電源適配器輸入端，這樣可保證電源適配器獲得相對穩(wěn)定電壓，不再受電壓波動影響[7-8]。裝置改進方案見圖1。

圖1 裝置改進方案Fig.1 Device improvement scheme

3.2 遭到人為破壞的優(yōu)化建議

1）加強監(jiān)管，當(dāng)時率監(jiān)測裝置斷電報警后，責(zé)任人及時核實井況和時率監(jiān)測裝置的工作狀態(tài)。

2）在時率監(jiān)測裝置外側(cè)加裝金屬外殼并噴漆做舊，安裝在特種控制柜內(nèi)隱僻處，防止遭不法分子破壞或盜走挪為他用。

3）確保配電箱、特種控制柜完好，對破損配電箱、特種控制柜及時維修和更換，有效保護柜內(nèi)變頻器、抽油機井時率監(jiān)測裝置等電子元件完好。

4）有無天線對信號影響較小，建議拆除天線。

5）建議拆除裝置內(nèi)蜂鳴器，蜂鳴器不僅沒有起到報警功能，反而引起了不法分子注意，導(dǎo)致監(jiān)測裝置被破壞。

4 推廣應(yīng)用效果

4.1 應(yīng)用實例

1）某作業(yè)區(qū)A抽油機井（距離廠區(qū)較遠）。7月24日晚23點10分，時率監(jiān)測裝置后臺軟件報警。負責(zé)人通知班組人員趕往現(xiàn)場核實停井原因。15 min后，前線反饋停井原因為現(xiàn)場供電線路故障。負責(zé)人通知作業(yè)區(qū)電工對線路進行恢復(fù)，30 min后，恢復(fù)正常生產(chǎn)。按崗位工人正常巡檢時間計算，至少影響4 h以上生產(chǎn)時間，應(yīng)用抽油機井時率監(jiān)測裝置后有效避免原油產(chǎn)量損失0.125 t。

2）某作業(yè)區(qū)B抽油機井（經(jīng)常被人為破壞）。10月4日凌晨4點30分，時率監(jiān)測裝置后臺軟件報警。負責(zé)人通知班組人員趕往現(xiàn)場核實停井原因。10 min后，班組人員打電話反饋停井原因為現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)天線被剪斷、裝置整體被砸壞等多種蓄意破壞現(xiàn)象。裝置內(nèi)SIM卡被盜走挪用，使監(jiān)測裝置無法正常工作。負責(zé)人聯(lián)系數(shù)字化運維中心技術(shù)人員對配電箱進行維修。40 min后，抽油機井恢復(fù)正常生產(chǎn)。按崗位工人正常巡檢時間計算，至少影響3 h以上生產(chǎn)時間，應(yīng)用抽油機井時率監(jiān)測裝置后有效避免原油產(chǎn)量損失0.3 t[9-10]。

3）某作業(yè)區(qū)C抽油機井（高產(chǎn)井）。12月8日7點30分，時率監(jiān)測裝置后臺軟件報警。負責(zé)人通知班組人員趕往現(xiàn)場核實停井原因。10 min后，班組人員打電話反饋停井原因為現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該井正在進行現(xiàn)場測試，待技術(shù)人員完成測試后，即可及時啟動抽油機井。

4.2 推廣應(yīng)用情況

全廠共計安裝抽油機井時率監(jiān)測裝置1 320套。經(jīng)現(xiàn)場驗證，均能夠在停井后1 min內(nèi)開始報警，報警準(zhǔn)確率達100%。經(jīng)查詢采油與地面工程運行管理系統(tǒng)，應(yīng)用該裝置后半年內(nèi)，全廠油井平均有效時率由91.02%上升至92.82%。7月、12月油井平均有效時率統(tǒng)計見表2。

表2 7月、12月油井平均有效時率Tab.2 Average effective hours of July and December Wells

4.3 效益分析

4.3.1 經(jīng)濟效益

通過對非正常停井的井?dāng)?shù)、井次、時間進行分析，參照管理模式，推算減少躺井時間8 716 h，減少原油產(chǎn)量損失1 340 t。按設(shè)備投入當(dāng)年的噸油效益0.321萬元計算，共計收益430.14萬元。抽油機井時率監(jiān)測裝置成本310元/臺，應(yīng)用1 320臺，共計投入成本40.92萬元，創(chuàng)效389.22萬元。抽油機井時率監(jiān)測裝置對油井非正常停機報警情況統(tǒng)計見表3。

表3 抽油機井時率監(jiān)測裝置對油井非正常停機報警情況統(tǒng)計Tab.3 Abnormal shutdown alarm of pumping well by time rate monitoring device

4.3.2 社會效益

抽油機井時率監(jiān)測裝置應(yīng)用到現(xiàn)場安裝方便、操作簡單，通過移動終端APP可以實時監(jiān)測抽油機井運行狀態(tài)，該裝置可以現(xiàn)場應(yīng)用到地處偏遠、不便于管理以及日產(chǎn)量較高需要重點管理的抽油機井上使用，降低崗位員工勞動強度，使油井管理模式發(fā)生根本性變化，將分散油井的生產(chǎn)狀態(tài)直接納入遠程系統(tǒng)化管理，提高油田數(shù)字化管理水平，提高油田整體開發(fā)效益。

5 結(jié)論與認識

1）抽油機井時率監(jiān)測裝置現(xiàn)場安裝維護方便、操作簡單，通過PC端或移動終端APP可以實時監(jiān)測抽油機井運行狀態(tài)。

2）抽油機井時率監(jiān)測裝置單臺成本低，經(jīng)濟效益顯著。

3）抽油機井時率監(jiān)測裝置可以應(yīng)用到地處偏遠、不便于管理以及日產(chǎn)量較高的抽油機井上，從而使油井管理模式發(fā)生根本性變化，有效解決監(jiān)管不易的痛點、難點。

4）在抽油機井生產(chǎn)過程中，需要不斷地監(jiān)測懸點載荷與懸點位移。隨著自動監(jiān)測技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，采用準(zhǔn)確、高效、實時的抽油機井工況自動監(jiān)控技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)抽油機井故障，把傳統(tǒng)的事后維修變?yōu)楣收咸崆邦A(yù)警，正確分析判斷抽油井系統(tǒng)的工況，提供維護管理的有效措施，降低無功消耗，提高開井時率是未來的發(fā)展趨勢。抽油機時率監(jiān)測裝置僅能通過遠程監(jiān)測電信號有無判斷抽油機啟停狀態(tài)，所傳送數(shù)據(jù)較少，功能較仍需要進一步完善。