基于物聯(lián)網(wǎng)的柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)

摘 要：隨著氣井?dāng)?shù)字智慧化建設(shè)的快速推進，針對氣井開采中后期自噴能力下降與產(chǎn)氣量下降問題，研發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸及智能監(jiān)控平臺三部分組成，基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)對氣井積液面、井口壓力、產(chǎn)氣量及柱塞泵工作頻率等生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行實時采集、傳輸及智能分析與控制，采用模糊控制策略，實現(xiàn)了柱塞泵工作頻率的優(yōu)化控制。實際應(yīng)用結(jié)果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)能夠有效調(diào)控氣井積液面，提高氣井產(chǎn)氣量，對氣井的高效開采具有較高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：氣井；物聯(lián)網(wǎng)；柱塞泵；排水采氣；模糊控制；SQL Server

中圖分類號：TP39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-0-03

0 引 言

在氣田開發(fā)的中后期，地層壓力和氣井產(chǎn)量逐漸下降，當(dāng)產(chǎn)量下降到臨界流量以下后，氣井無法將產(chǎn)出的地層水全部帶出到地面，部分液體回落至井底形成積液，導(dǎo)致氣井自噴能量下降，攜液能力減弱，最終致使氣井水淹停產(chǎn)[1-3]。

排水采氣技術(shù)工藝是解決氣井井底積液問題、恢復(fù)和保障氣井產(chǎn)能的有效方法[4]。其中，泡沫排水采氣技術(shù)使用設(shè)備相對簡單、施工容易，成本低，見效快，對氣井正常生產(chǎn)影響小，但存在使用范圍有限和泡沫控制的問題[5]。速度管柱排水采氣技術(shù)具有施工周期短、增產(chǎn)見效快、產(chǎn)氣周期長及避免傷害地層等優(yōu)點，但存在更換管柱復(fù)雜、作業(yè)難度高及配件復(fù)雜等問題[6]。

為克服泡沫排水采氣技術(shù)和速度管柱排水采氣技術(shù)的缺點，針對氣井開發(fā)過程中的積液問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與模糊控制，研發(fā)設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，依據(jù)不同的工況自動調(diào)節(jié)柱塞泵電機的工作頻率，實現(xiàn)柱塞泵自動啟?？刂?，對于氣井開發(fā)增效具有重要意義。

1 柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及應(yīng)用監(jiān)控層組成[7]，其核心是柱塞泵控制器，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。數(shù)據(jù)采集層由安裝在井口的積液面監(jiān)測儀、流量計、變頻器、壓力計以及柱塞泵控制器組成，實時采集氣井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將所采集的氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層傳輸至后臺服務(wù)器和監(jiān)控主機，為柱塞控制器執(zhí)行頻率調(diào)節(jié)控制提供算法依據(jù)。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袠?，由柱塞控制器?nèi)部安裝的4G模塊形成的4G無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。應(yīng)用監(jiān)控層由監(jiān)控主機和后臺服務(wù)器組成，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層獲取實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行綜合分析與實時存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫建立、數(shù)據(jù)實時顯示與歷史查詢等功能，監(jiān)控平臺通過4G網(wǎng)絡(luò)進行遠(yuǎn)程指令控制和遠(yuǎn)程參數(shù)配置。

2 柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 柱塞泵控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)硬件組成如圖2所示，主要包括積液面監(jiān)測儀、壓力計、流量計、柱塞泵控制器、變頻器、啟動繼電器、停止繼電器、柱塞泵、電源、4G模塊和監(jiān)控平臺及服務(wù)器等。

2.2 柱塞泵控制器硬件設(shè)計

柱塞泵控制器選擇STM32F103RET6單片機作為主控制器，硬件外圍電路主要包括RS 485采集模塊、4G模塊、觸摸屏電路、柱塞泵啟停電路、存儲模塊、按鍵模塊、復(fù)位電路、電源模塊及調(diào)試電路等。柱塞泵控制器硬件組成如圖3所示。工作時，控制器通過RS 485采集模塊實時采集井口檢測儀表數(shù)據(jù)；觸控屏用來進行數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置及人機交互等；存儲模塊用于存儲采集的數(shù)據(jù)；通過4G模塊傳輸采集數(shù)據(jù)至監(jiān)控平臺并接收控制指令；柱塞泵啟停電路實現(xiàn)柱塞泵的手動或自動控制。

2.3 監(jiān)控平臺

柱塞泵排水采氣系統(tǒng)監(jiān)控平臺主要由服務(wù)器和監(jiān)控主機組成，運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)構(gòu)建了積液面計算模型、模糊控制算法模型、井底壓力計算模型及柱塞泵自動啟停算法模型等[8]，對接收的氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析與處理，以數(shù)據(jù)包形式下發(fā)指令至柱塞泵控制器。監(jiān)控平臺將處理結(jié)果存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，在界面顯示數(shù)據(jù)結(jié)果，方便作業(yè)人員查詢數(shù)據(jù)或設(shè)置參數(shù)。

3 柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成

柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計須在Keil MDK運用C語言和C++語言采用模塊化編程思想進行功能開發(fā)。柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成如圖4所示。柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集與傳輸程序、數(shù)據(jù)解析與計算程序及柱塞泵工作頻率調(diào)節(jié)程序組成。

3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸程序設(shè)計

柱塞泵控制器通過RS 485和Modbus協(xié)議完成與各井口檢測儀表之間的信息通信。系統(tǒng)初始化后，各井口檢測儀表開始采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)采集完成后，柱塞泵控制器向各檢測儀表發(fā)送數(shù)據(jù)讀取指令，檢測儀表收到讀取指令后向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。柱塞泵控制器讀取采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完成后，對數(shù)據(jù)進行封包、加密處理，通過4G無線網(wǎng)絡(luò)和TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)包發(fā)送至監(jiān)控平臺[9]。數(shù)據(jù)采集與傳輸流程如圖5所示。

3.3 數(shù)據(jù)解析與計算程序設(shè)計

系統(tǒng)初始化后，監(jiān)控平臺與柱塞泵控制器建立4G網(wǎng)絡(luò)連接，待數(shù)據(jù)包接收完畢后，調(diào)用系統(tǒng)軟件的積液面計算模型和井底壓力計算模型計算積液面值、井底壓力值。當(dāng)積液面變化超過預(yù)設(shè)閾值時，柱塞泵停止工作；待恢復(fù)至閾值及以下后，柱塞泵啟動。將處理結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，在監(jiān)控主機上實時顯示，便于查詢，并將數(shù)據(jù)發(fā)回柱塞泵控制器在觸控屏上顯示，供現(xiàn)場人員查詢[10]。數(shù)據(jù)解析與計算程序流程如圖6所示。

3.4 柱塞泵工作頻率調(diào)節(jié)程序設(shè)計

系統(tǒng)初始化后，讀取當(dāng)前積液面值和柱塞泵工作頻率，計算積液面值與預(yù)設(shè)值之間的偏差e和偏差率ec，對e和ec進行模糊化處理，查詢預(yù)先編程完成的模糊數(shù)據(jù)表得到實際工作頻率值[11]；將實際工作頻率值和當(dāng)前工作頻率值進行比對，二者不同時，系統(tǒng)下發(fā)變頻指令至柱塞泵控制器進行變頻操作。柱塞泵工作頻率調(diào)節(jié)流程如圖7所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果與分析

2023年4月，在榆林地區(qū)某氣井對基于物聯(lián)網(wǎng)的柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)進行測試，測試數(shù)據(jù)見表1所列。實際應(yīng)用效果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量積液面值，依據(jù)積液面變化自動調(diào)節(jié)柱塞泵工作頻率，提高產(chǎn)氣量，達到穩(wěn)定增產(chǎn)的效果。

5 結(jié) 語

（1）該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實現(xiàn)了對氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸和處理，以及柱塞泵工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，具有良好的準(zhǔn)確性與可靠性。

（2）基于物聯(lián)網(wǎng)的柱塞泵排水采氣控制系統(tǒng)通過對積液面數(shù)據(jù)的分析與處理，結(jié)合模糊控制算法，能夠自動調(diào)節(jié)柱塞泵工作頻率，完成柱塞泵自動啟?？刂?，實現(xiàn)積液面閉環(huán)控制，有效提高氣井的產(chǎn)氣量和生產(chǎn)效率。

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