基于WiFi数字化抽油机研究

2018-09-03廖启新

中国新技术新产品 2018年11期

廖启新

摘要：WiFi网络近年来得到快速发展，其具有带宽宽、部署便捷、自成体系和成本低等特点。采用WiFi无线网络对抽油机油井系统作为油井监控系统的网络基础，不仅可以实现油井工况参数的远程传输，还可实现音视频传输。监控系统的软件设计采用云端架构，所有的监控数据均存储于云端服务器上，通过Web服务发布到各终端。对传统抽油机的游梁尾梁采用自动调平衡装置，通过控制其前后移动，改变力矩调节抽油机的平衡，以达到节能。数字化控制技术将自动平衡、电机控制、工况监测集成为一个控制系统，可以根据工况参数实现电机运行参数的自动调整，从而实现最优化运行。

关键词：WiFi网络；数字化控制；抽油机

中图分类号：TE933 文献标志码：A

1 技术背景

能源紧缺是全球共同面临的严峻问题，对我国来说，能源紧缺问题尤其严重，节能是我国的基本国策。目前我国抽油机的保有量在10万台以上，电动机装机总容量在35MW，年耗电量105亿kWh。据统计，在油田生产成本中约有1/2为电能消耗，而游梁式抽油机消耗的电能约占总电能消耗的80%。抽油机的运行效率较低，在我国平均运行效率仅为26%，国外平均水平为30%，年节能潜力10多亿kWh。随着世界经济的日益发展，能源越来越紧缺的问题也十分突出，节能降耗是当今世界各国亟待解决的共同难题。因此，抽油机的节能改造从来也没有停止过步伐。

2 技术方案

2.1 基于WiFi数字化抽油机的技术方案

2.1.1 选择游梁式抽油机、无游梁式抽油机为载体，采用数字化技术改造传统游梁式抽油机和无游梁式抽油机。

2.1.2 自动平衡移动装置。该装置安装在游梁尾部，它是由伺服电机、微型减速器、丝杠、配重、滚轮等构成。伺服电机接受控制系统的指令，当悬点负荷变化，电流随之也变化，控制系统感知后便指令电机作顺（逆）时针旋转，带动配重箱向外（内）移动，调节力臂距离，及时获得新的平衡，从而达到节能。

2.1.3 采用专业的传感器。如在悬绳器上安装压力传感器，实时测出悬点负荷；在井口装置出油管线上安装温度传感器，随时测出井下原油的温度；在井下环形空间液面设置浮式位置传感器，及时测量井下液面的高度；在生产阀门出口处安装流量传感器和比重传感器，及时测出抽油机所采出的原油的产量以及测出所开采原油的含水量。

2.1.4 集中处理器（CPU）。CPU有着处理指令、执行操作、控制时间、处理数据四大作用。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的抽油机生产过程。自动接受各种传感器的技术数据，通过建模和自动综合分析形成各种可输出信息，并根据预先输入的参数，自动调节抽油机的工作参数，如图1所示。

2.1.5 WiFi无线网络。根据集中处理器形成的各类数据，通过WiFi无线传输，随时传输技术参数和音视频。

2.1.6 太阳能电池。任何装置均离不开动力，数字化抽油机的各类传感器同样离不开能源，采用太阳能光伏电池，无污染，无噪声，无须外接电源。

2.1.7 接受系统。直接利用WiFi无线网络，在办公室内打开电脑，输入网址，即可获得抽油机井的各项技术数据和井场音视频，再根据这些数据分析油井是否正常，是否需要采取措施，如修井、换泵等。

2.1.8 利用电机的电参数作为信息源，据此自动控制出最佳运行模式。

2.2 基于WiFi数字化抽油机工作原理

2.2.1 自动平衡技术。游梁式抽油机是一种变形的四连杆机构，其整机结构像一架天平，一端是抽油载荷，另一端是平衡配重载荷。如果抽油载荷和平衡载荷形成的扭矩相等或变化一致，那么用很小的动力就可以使抽油机连续不间断地工作，也就是说抽油机的节能技术取决于平衡的好坏，在平衡度为100%时，电动机提供的动力仅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力。其工作原理逻辑关系图如图2所示。

2.2.2 数学化技术将自动平衡、电机控制、工况监测集成为控制系统。同時实现自动平衡、电机控制、工况监测功能，根据电机运行的参数还可以判断油井的冲程冲次、悬点载荷等工况参数，这样工况监视也无须设置另外的传感器。由于系统具有工况检测与电机控制功能，可以根据工况参数实现电机运行参数的自动调整，从而实现最优化运行。

2.2.3 WiFi无线网络作为网络基础。WiFi网络近年来得到快速发展，具有带宽宽、部署便捷和成本低等特点，不仅可以实现油井工况参数远程传输，还可实现音视频传输。监控系统的软件设计采用云端架构，监控数据存储于云端服务器上，通过Web服务发布到终端。

2.3 关键性创新技术

2.3.1 自动调平衡装置。传统调平衡度的方式是人工调整，需要在停机状态下进行，需要由3人配合，需要吊车辅助，费时费力，工人劳动强度大。同时由于地层条件、井筒工作状况以及油井作业、工作制度等动态因素变化的影响，抽油机的平衡状态经常改变，不可能经常停车调平衡，因此发明了自动调平衡装置。

2.3.2 将自动平衡、电机控制、工况监测集成为一个整体，利用一套控制系统同时实现这3种功能。将自动平衡、电机控制、工况监测集成为一个整体，各模块之间的信息得以相互沟通，特别是不仅将电机及其控制器作为一个动力源，还将其作为一个传感源。采用电机控制器调节冲次等抽汲参数则非常便捷，如运行状态和运行方向、上下行电流、冲程冲次完全可以通过电机的转角、转速和相电流等运行参数计算出来，通过对比上下行程的电机电流还可以获得抽油机平衡情况，从而为自动平衡控制提供反馈信息，而自动平衡模块将平衡块的位置信息提供给电机控制器，结合电机电流即可计算出悬绳负荷，节约了大量的传感设备。传统方案与本项目提出的方案结构对比如图3所示。

2.3.3 采用WiFi网络作为油井监控系统的网络基础

传统的监控网络多利用GPRS/3G网络实现油井的远程监控，其弊端在于GPRS网络带宽较小，仅有几十KB/s到几百KB/s，传输的数据有限，特别是无法传输视频与音频信号，在无人区无法使用，连接于公共网络上安全性较差。而WiFi网络带宽达到了几到几百MB/s，带宽远远大于GPRS/3G网络。采用一台WiFi主站覆盖10km2区域范围内的所有油井，可实现运行技术参数及音视频传输，且无网络使用费，组成的专用网络不受公网安全威胁。

3 技术特征

基于WiFi数字化抽油机（W型曳引抽油机作为载体）自2016年5月13日安装到中原油田采油三厂28号站WC77-9井试用以来，运行正常，质量可靠。

3.1 技术指标

3.1.1 悬点负荷：30kn～220kn。

3.1.2 冲程：1m～4m（游梁抽油机），5m～7m（无游梁抽油机）。

3.1.3 冲次：3～9次/min（游梁抽油机），1～4次/min（无游梁抽油机）。

3.1.4 平衡度：95%～100%。

3.1.5 电机功率因素≥99%

3.1.6 整机电网污染THD≤5%

3.1.7 WiFi网络带宽达到2MB/s。

3.1.8 WiFi主站覆盖范围大于10km2。

3.1.9 实时工况无线远程传输10次/min。