油田自動(dòng)化系統(tǒng)中油井監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用分析

陳 思，李 陽(yáng)

（1.新疆油田公司采油二廠，新疆克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

在自動(dòng)化系統(tǒng)的支持下，油田能夠更高效地完成勘探開(kāi)發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)人力成本的合理控制。在自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)控技術(shù)在油井中的應(yīng)用必不可少。油田可以借助油井監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)參數(shù)、狀態(tài)的精準(zhǔn)把控，確保各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)化提升。隨著國(guó)內(nèi)油田開(kāi)發(fā)工作的持續(xù)推進(jìn)，監(jiān)控系統(tǒng)在油田開(kāi)發(fā)工作中的作用日益凸顯，油田需要持續(xù)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究與改進(jìn)，借助技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)油井開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量的提升，為企業(yè)發(fā)展獲取更多效益。

1 油井抽油機(jī)井采油原理及計(jì)算方法

在國(guó)內(nèi)油田的油井開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采油工作大多借助有桿抽油泵來(lái)完成，而此類抽油泵中的常見(jiàn)形式為游梁式抽油機(jī)。在結(jié)構(gòu)方面，該抽油機(jī)主要包括減速箱、驢頭、曲柄機(jī)構(gòu)、連桿及游梁等部分。抽油期間的工作效率和電量成本的控制通常需要根據(jù)相關(guān)參數(shù)來(lái)進(jìn)行，這些參數(shù)主要有壓力、位移參數(shù)、電量參數(shù)、抽油桿載荷、油井內(nèi)外溫度等。油田可以借助這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)油井開(kāi)采工作的優(yōu)化控制，并借助自動(dòng)化系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)最優(yōu)控制。這些參數(shù)的獲取離不開(kāi)監(jiān)控系統(tǒng)的支持。在載荷位移參數(shù)的支持下，油田工作人員能夠完成相關(guān)函數(shù)曲線的繪制工作，借助示功圖直觀地展示抽油機(jī)作業(yè)期間面臨的異常情況，從而及時(shí)地對(duì)水、稠油、砂等影響因素進(jìn)行處理[1]。

示功圖對(duì)于油井產(chǎn)液量具有一定幫助，在應(yīng)用過(guò)程中，工作人員可以在示功圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)油管、液柱以及桿柱的三維振動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)泵功圖和柱功圖的求解，進(jìn)而通過(guò)識(shí)別泵功圖的方式完成產(chǎn)液量的計(jì)算工作。有桿泵抽油的過(guò)程中，涉及到的三維振動(dòng)主要體現(xiàn)在油管、液柱及桿柱3 個(gè)方面，相關(guān)數(shù)學(xué)模型主要說(shuō)明了三者之間的運(yùn)動(dòng)和作用關(guān)系。在受力方面，油管、液柱及桿柱相互之間的作用力包括振動(dòng)力、慣性力、垂力及摩擦力等，通過(guò)合成力的方式能夠求得相應(yīng)的偏微分方程組，用以描述三者的運(yùn)動(dòng)情況。

在掌握邊界及初始條件的情況下，可以通過(guò)方程組求解的方式掌握功隨時(shí)間變化曲線、位移、深度、載荷、壓力等參數(shù)，從而根據(jù)各類物理參數(shù)的變化情況和泵功圖完成抽油泵在油井下方運(yùn)行指標(biāo)、參數(shù)的精準(zhǔn)診斷，進(jìn)而獲取充滿系數(shù)、沖程等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)泵排量、油井排量的有效計(jì)算。

在計(jì)算機(jī)軟件模型的支持下，油田工作人員能夠?qū)⒌孛婀D這一存在嚴(yán)重波動(dòng)問(wèn)題的圖形轉(zhuǎn)化為更加實(shí)用性的示功圖（圖1），這對(duì)于精準(zhǔn)診斷抽油情況具有積極意義。

圖1 地面功圖轉(zhuǎn)換成示功圖

產(chǎn)液量的計(jì)算需要以精準(zhǔn)的油井診斷結(jié)果為依據(jù)，在生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及地面功圖等已知信息的支持下，能夠?qū)Τ橛蜋C(jī)狀態(tài)和產(chǎn)液量進(jìn)行分析計(jì)算、對(duì)抽油泵排列進(jìn)行分析，還可以結(jié)合柱桿等應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行油井作業(yè)故障情況的自動(dòng)診斷。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，油田工作人員需要結(jié)合實(shí)際工作需求對(duì)相關(guān)功能模型基于簡(jiǎn)單實(shí)用的原則進(jìn)行優(yōu)化融合，具體框架如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)組成

2 油井監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

為了確保油田開(kāi)發(fā)工作的高效性，油田工作人員需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的研發(fā)和投用工作，其中，實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、簡(jiǎn)單高效的監(jiān)控系統(tǒng)非常關(guān)鍵。在生產(chǎn)運(yùn)作期間，油田通常需要在惡劣的環(huán)境中開(kāi)展作業(yè)?？紤]到相對(duì)雜亂的油井布局，在監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)期間，油田需要盡可能基于離散分布的原則設(shè)計(jì)優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)。在控制油井生產(chǎn)作業(yè)期間，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠結(jié)合工況變化、油井環(huán)境條件變化、季節(jié)變化、通信差異性等對(duì)控制功能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，盡可能地提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，同時(shí)需要避免給維護(hù)檢修工作造成困難。

在網(wǎng)絡(luò)通信方面，油田可以借助無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各油井監(jiān)控裝置的綜合管理，確保管理中心的終端計(jì)算機(jī)能夠借助先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井現(xiàn)場(chǎng)采油相關(guān)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控各生產(chǎn)設(shè)備在油井等相關(guān)區(qū)域的運(yùn)行狀況，避免出現(xiàn)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行異常而無(wú)人發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。在路由器、交換機(jī)等相關(guān)設(shè)備及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，油田監(jiān)控中心能夠?qū)崟r(shí)查看油井采集作業(yè)情況，進(jìn)而通過(guò)與企業(yè)網(wǎng)站連接的方式實(shí)現(xiàn)相關(guān)生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)共享，便于相關(guān)管理人員更精準(zhǔn)地把控現(xiàn)場(chǎng)情況，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 油井動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化在油井的實(shí)施構(gòu)建

在系統(tǒng)搭建過(guò)程中，油田可以借助RTU 采集技術(shù)、GPRS 技術(shù)、網(wǎng)橋搭建技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。相對(duì)于PLC，RTU 作為一種遠(yuǎn)程測(cè)控裝置，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往在存儲(chǔ)容量和通信功能方面更具優(yōu)勢(shì)，下面對(duì)相關(guān)技術(shù)模塊進(jìn)行分別論述。

3.1 油井參數(shù)RTU 采集系統(tǒng)組成

在系統(tǒng)架構(gòu)方面，RTU 主板組件與模擬信號(hào)處理裝置連接，收集電壓、位移、電流等相關(guān)傳感器所提供的數(shù)據(jù)信息，并由GPRS/GSM 模塊實(shí)現(xiàn)通信功能。

3.2 數(shù)據(jù)采集裝置在抽油機(jī)上的應(yīng)用

在抽油機(jī)運(yùn)行監(jiān)控過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有較大作用，該設(shè)備具有光電隔離的傳輸接口。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需求對(duì)RS232、RS485 接口方式等進(jìn)行自由設(shè)置。其中，RS232 接口能夠輔助完成適配器、傳輸電臺(tái)等無(wú)線通信設(shè)備的有效連接，RS485接口則能夠有效連接控制器總線。RS232 接口對(duì)于裝置現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)、操作及裝配等功能的實(shí)現(xiàn)具有重要作用。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電箱三相電源的狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集裝置在交流電環(huán)節(jié)設(shè)置了相應(yīng)的采集接口。示功圖的接口包括采集抽油機(jī)沖次、負(fù)荷等相關(guān)參數(shù)。在報(bào)警、照明方面，借助2 個(gè)控制端口完成按鈕制動(dòng)的有效控制。針對(duì)模擬量的開(kāi)關(guān)中斷和采集，則依靠監(jiān)控節(jié)點(diǎn)完成控制，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)為4～20 mA，數(shù)量為12 個(gè)，能夠?qū)崿F(xiàn)自由調(diào)整功能。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，如果為輸入狀態(tài)，則能夠連接流量、油溫、水壓、油壓相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)儀表，便于實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控油井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)作情況；如果為中斷狀態(tài)，則能夠從控制柜運(yùn)行、報(bào)警器開(kāi)啟、電機(jī)啟停機(jī)等方面完成相關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控示功圖狀態(tài)，接口數(shù)據(jù)采集以每秒50 個(gè)節(jié)點(diǎn)的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)采集，持續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)，每次都能夠超出運(yùn)行周期的2.5 倍。與示功圖相似，電流圖也是按照運(yùn)行周期2.5 倍以上的周期進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，接口數(shù)據(jù)采集也能夠以每秒50 個(gè)節(jié)點(diǎn)的頻率進(jìn)行采集，而且采集器自身具備自檢模塊，能夠及時(shí)針對(duì)設(shè)備的異常情況進(jìn)行報(bào)警，有效提升故障處理效率。而且采集器還與UPS 供電設(shè)備相連，能夠在停電狀況下維持正常運(yùn)行狀態(tài)，確保后臺(tái)監(jiān)控人員能夠?qū)崟r(shí)掌握抽油機(jī)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井生產(chǎn)作業(yè)的不間斷有效監(jiān)控。

在系統(tǒng)配置過(guò)程中，油田可以將工控機(jī)配置為監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況的監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)中顯示的各類信息則來(lái)自于上述各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，借助物聯(lián)通信、串口通信等方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集控制設(shè)備與監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，確保工控機(jī)能夠借助監(jiān)控節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制及狀態(tài)確認(rèn)。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)及功能

在數(shù)據(jù)傳統(tǒng)系統(tǒng)方面，該部分主要為通信傳輸鏈路，涉及油田信息中心與各油井的GPRS 裝置。在借助無(wú)線網(wǎng)橋進(jìn)行設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，需要安裝相應(yīng)的配套設(shè)施。一般而言，借助無(wú)線通信技術(shù)連接抽油機(jī)狀態(tài)采集裝置與后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)的過(guò)程中，通常需要借助移動(dòng)通信終端以及數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)等配套設(shè)備。雖然無(wú)線通信能夠更加便捷、低成本地完成采油油井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)中心與后臺(tái)管理中心之間的通信連接，但在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)采用有線通信方式，具體選擇需要結(jié)合油田各油井工區(qū)分別情況來(lái)設(shè)計(jì)。

在有線通信的應(yīng)用中，不適合建立布局偏移、分散的油井與監(jiān)控主機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，而無(wú)線通信技術(shù)則更加實(shí)用、有效。在無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，油田監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，其專用通信網(wǎng)絡(luò)通常包括無(wú)線網(wǎng)橋、CDMAIX 及GPRS 等部分。

3.4 數(shù)據(jù)分析處理部分介紹

在系統(tǒng)軟件方面，監(jiān)控系統(tǒng)通常需要完成多項(xiàng)任務(wù)的同步處理工作，油井生產(chǎn)作業(yè)往往會(huì)涉及采集抽油機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)、控制抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及其他各項(xiàng)信息的處理工作。在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以借助C 語(yǔ)言平臺(tái)開(kāi)展，具體可以選擇庫(kù)函數(shù)較為豐富的Dynamic C 平臺(tái)，更加便捷地完成多任務(wù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)工作。數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩方面，其中，硬件主要為UPS、打印機(jī)、計(jì)算機(jī)；軟件主要涉及報(bào)警、工況診斷、油井優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表查詢、產(chǎn)液量分析、監(jiān)控、采集等功能模塊[2]。

在軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面，工作人員可以借助SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)建立系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)庫(kù)，軟件功能模塊主要涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、油井操作、油井查詢、油井控制、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析處理以及賬戶管理相關(guān)模塊。在巡檢軟件運(yùn)行方面，需要先初始化電腦，然后依次進(jìn)行油井信息輸入、巡檢時(shí)間、內(nèi)容、方式、油井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)信息，在巡檢周期內(nèi)借助RTU、GPRS 進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，同步完成指令下發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理工作。

移動(dòng)控制終端能夠?qū)ΡO(jiān)控中心中的功能模塊進(jìn)行調(diào)用，輔助油田工作人員更加便捷地獲取油井?dāng)?shù)據(jù)、控制抽油機(jī)相關(guān)設(shè)備等，使得工作人員在移動(dòng)設(shè)備的支持下，脫離控制中心完成油井監(jiān)控工作。針對(duì)控制終端，工作人員需要采取模塊化的理念對(duì)軟件功能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)中心、工作站、無(wú)線通信、數(shù)據(jù)采集終端等模塊。其中，油井口部位需要放置能夠采集油井關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)的采集終端，借助GPRS 模塊為工作站實(shí)時(shí)或在設(shè)定時(shí)間范圍內(nèi)傳輸相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，同時(shí)完成工作站、移動(dòng)終端所發(fā)布指令的接收與執(zhí)行工作。

4 油井監(jiān)控終端設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程終端作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件（圖4），終端設(shè)備的核心處理器為C8051F120，并配有相關(guān)電路以及GPRS 模塊，具備LED 顯示、聲光報(bào)警等功能，能夠借助RS485 總線完成溫度、負(fù)荷位移、電壓、電流等油井?dāng)?shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集，并借助處理器中的算法軟件完成信息的存儲(chǔ)和處理工作，并借助GPRS 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸工作，實(shí)現(xiàn)油井現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的聯(lián)系。設(shè)備配置有UPS 電源，能夠有效應(yīng)對(duì)突發(fā)停電故障。

圖4 RTU 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過(guò)RS485 總線與各參數(shù)采集傳感器共同構(gòu)建了油田監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，RS485 總線能夠?qū)崟r(shí)采集油井運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器與處理器之間的聯(lián)系，能夠在14 s 左右的油井沖程周期里完成各溫度、電壓、電流、壓力以負(fù)荷等參數(shù)的采集和傳輸工作[1]。在運(yùn)行過(guò)程中，溫度和壓力傳感器的采集頻率為每秒1 次，其他傳感器的采集頻率為每秒20 次，紅外線傳感器主要用于防盜報(bào)警工作。

5 GPRS 模塊硬件設(shè)計(jì)

在構(gòu)建GPRS 通信模塊的過(guò)程中，需要借助具有收發(fā)RTU功能的MC55 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊能夠在處理基站分組數(shù)據(jù)或終端IP 包的基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作。該模塊具有結(jié)構(gòu)精巧的特點(diǎn)，在滿足數(shù)據(jù)傳輸條件的基礎(chǔ)上還具備傳真、短消息、語(yǔ)音等功能，TCP/IP 協(xié)議的嵌入也使得該模塊能夠在GPRS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部完成各類Internet 服務(wù)調(diào)用工作[4]。

5.1 SIM 卡電路設(shè)計(jì)

在MC55 的應(yīng)用中，還可以為其配置SIM 卡，借助SIM 卡加密數(shù)據(jù)信息并完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。在引腳電平的設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常為高電平表明SIM 卡插入后系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，反之可以配置為低電平狀態(tài)。

5.2 指示燈設(shè)計(jì)

由于MC55 GPRS 模塊僅用于數(shù)據(jù)傳輸工作，因此可以應(yīng)用SYN 指示燈進(jìn)行相關(guān)電路設(shè)計(jì)工作，借助該指示燈顯示模塊的運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際配置過(guò)程中，指示燈為熄滅狀態(tài)時(shí)，表明MC55狀態(tài)為睡眠、關(guān)機(jī)相關(guān)狀態(tài)；指示燈以1200 ms 的周期持續(xù)閃爍時(shí)，表明MC55 狀態(tài)為網(wǎng)絡(luò)搜索或SIM 卡未插入；指示燈按照亮75 ms、滅3 s 的模式循環(huán)運(yùn)行時(shí)，表明MC55 與GPRS 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)相互連接；指示燈按照亮0.5 s、滅0.5 s 的模式循環(huán)運(yùn)行時(shí)，表明MC55 正在通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作；指示燈持續(xù)點(diǎn)亮?xí)r，表明MC55 正在接入電話。指示燈的具體電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 指示燈接口電路

5.3 繼電器設(shè)計(jì)

油井電機(jī)運(yùn)行電流相對(duì)較高，無(wú)法直接與處理器進(jìn)行連接，需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路（圖6）[5]。在光電隔離的基礎(chǔ)上，對(duì)JZC-23F 型繼電器的驅(qū)動(dòng)工作需要借助晶體管實(shí)現(xiàn)，最終完成電機(jī)的啟停機(jī)控制。在繼電器為低電平輸出期間，光電耦合器輸出高電平，VT1 導(dǎo)通，使繼電器線圈導(dǎo)通，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合；光電耦合器輸出低電平，VT1 關(guān)斷，使繼電器線圈失電，常閉觸點(diǎn)閉合。

圖6 繼電器控制電路

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，油田在發(fā)展過(guò)程中需要持續(xù)引進(jìn)先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，充分重視監(jiān)控技術(shù)在油井高效開(kāi)發(fā)方面的重要作用，借助自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)完成油井內(nèi)部相關(guān)參數(shù)的采集、分析處理、存儲(chǔ)以及設(shè)備自動(dòng)化控制等各項(xiàng)工作。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，油田工作人員需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)油井分布情況合理選擇通信技術(shù)方案，結(jié)合實(shí)際需求做好數(shù)據(jù)采集裝置的配置應(yīng)用工作，并做好GPRS 模塊和控制終端模塊的軟、硬件設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，確保油井自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮。