基于物联网的油井智能间抽控制系统

2021-07-31贾志鹏

物联网技术 2021年7期

贾志鹏，李盼，念彬，周婷，余杰

（1.长庆油田分公司陇东页岩油开发项目部，甘肃庆城 745100；2.西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065）

0 引言

在低渗超低渗油田的开发过程中，由于油井供液不足，导致活塞在泵筒干磨，不仅降低了抽油机效率，并且损坏了活塞和泵筒，造成了资源的严重浪费，增加了采油成本。因此，需要根据油井的开采状态，合理调整抽油制度[1-3]。目前，国内外各大油田主要采用单闭环控制系统对抽油机进行启停控制。早在20世纪90年代，大庆油田就研制出了基于抽油杆载荷量的抽油机自动控制系统，这种方法实际应用时误差大、停井时间过长，并没有实质性地提升抽油效率[4]；中国石油大学在2011年研究了基于综合诊断的抽油机变频控制技术，通过对抽油机的温度、载荷、电压、电流、位移等数据进行综合分析，得到最佳运行频率，实现抽油机的自动变频控制，该方法新颖，但算法过于复杂，并未实际推广使用[5]。辽河油田于2012年研制了基于动液面的自动抽油机控制系统，现场使用效果不太理想[6]。此外，现场大多数抽油机控制系统采用无线WiFi的通信方式进行抽油机井口设备和远程监控平台之间数据传输，WiFi信号覆盖范围小，并不适合远距离传输数据[7]。

本文通过对物联网技术进行研究，提出了一种基于物联网的油井智能间抽控制系统。该控制系统主要包括动液面监测仪、示功图采集模块、间抽控制柜和间抽监控后台，形成双闭环控制系统，基于无线4G网络进行数据传输，实现了对抽油机工作状态的实时采集、可靠传输、智能控制和动态监测等。现场运行结果表明：该系统实用可靠、整机性能良好，解决了低渗井能耗高、泵效低的问题，获得了良好的经济效益。

1 基于物联网的智能间抽双闭环控制系统原理

基于物联网的智能间抽双闭环控制系统原理如图1所示。外环控制抽油机启停，内环控制抽油机工作频率，进而控制采油速度。

图1 双闭环控制系统原理

动液面监测仪实时监测油井动液面，并根据给定沉没度，结合预置的抽油机启停控制算法，得到启动或者停止抽油机的指令，使得抽油机在给定沉没度附近的某个误差范围内工作，形成外环闭环。示功图采集模块实时采集抽油杆的功图，并根据给定功图，采用传统的PID控制算法控制抽油机工作频率，从而根据当前出油快慢控制抽油机冲次，进而控制抽油速度，形成内环闭环。

2 基于物联网的智能间抽控制系统构成

基于物联网的油井智能间抽控制系统由感知层、传输层和应用层构成，系统构成如图2所示[8]。

图2 基于物联网的间抽控制系统

感知层由动液面监测仪、示功图采集模块组成，实时采集井口数据，包括动液面位置和抽油杆功图，并将采集数据通过传输层传输给远程间抽监控平台，为服务器执行间抽采油算法提供依据。传输层是间抽控制系统各构成部分间通信的桥梁，通过在各构成模块内部集成4G模块，采用无线4G信号传输的方式进行组网通信，可以实现系统间数据的长距离高速可靠传输。应用层包括后台服务器、PC管理平台等，内部集成独有的动液面计算模型、功图计算模型、间抽采油控制模型、大数据模型等，在线计算动液面位置、功图和变频器工作频率，并支持数据和波形的远程查看、数据导入导出以及远程参数设置等。

3 智能间抽控制系统硬件实现

基于物联网的间抽控制系统硬件部分如图3所示，主要包括动液面监测仪、示功图采集模块、抽油机控制柜和间抽监控平台。

图3 间抽控制系统硬件组成

动液面监测仪选择西安海联石化科技有限公司出品的动液面监测控制器（外网），载荷传感器和三相电参采集模块采集计算功图所需参数，间抽控制系统的硬件设计主要包括间抽采油控制器的硬件电路设计和间抽监控后台的硬件设计。

3.1 间抽采油控制器硬件设计

间抽采油控制器采用基于ARM的STM32F103RET6作为微控制单元，包括触摸屏、语音模块、FLASH存储器、4G模块、继电器等[9-10]。间抽采油控制器硬件组成如图4所示。

图4 间抽采油控制器硬件组成

间抽采油控制器主要接收远程监控平台传输的数据包，解析出抽油机启动或者停止和变频器工作频率的指令，根据解析出的启停指令控制启动继电器或者停止继电器动作，达到控制电机启停的目的，并将解析出的电机运行频率值通过RS 485传输给变频器，控制电机转速，从而达到控制抽油机冲次的目的。控制器外配置了触摸屏，现场人员可以通过触摸屏手动开环控制抽油机启停和调节抽油机冲次。间抽采油控制器内置有语音模块，当抽油机启动或者停止前10 s进行语音播报，提示现场工作人员安全撤离。

3.2 间抽监控平台硬件设计

间抽监控平台硬件部分主要包括服务器、显示屏、键盘、鼠标等。服务器选用DELL的Poweredge R740架式服务器，利用独有的动液面计算模型、功图计算模型、间抽采油控制模型、大数据模型等，对接收的远程井口数据进行解析、计算，得到抽油机启停和工作频率，并对数据进行封包、加密，传输给智能控制器。另外，服务器还将计算结果存入SQL Server数据库，以供用户或者工作人员通过PC管理平台以网页的形式查看数据与波形，设置参数等。

4 间抽控制系统软件实现

4.1 间抽控制系统软件组成

间抽控制系统软件由数据采集与传输程序和数据解析与计算程序组成，如图5所示。数据采集与传输程序包括井口数据采集、数据加密、4G传输3个子程序；数据解析与计算包括数据解析处理、抽油机自动启停、抽油机冲次调节和数据展示与存储4个子程序[10]。

图5 间抽控制系统软件组成

4.2 数据采集与传输程序设计

数据采集与传输程序将采集的井口动液面数据和电参数发送给后台服务器，流程如图6所示。

图6 数据采集与传输程序流程

数据采集与传输程序定时采集井口数据，对采集数据进行数字滤波和A/D转换后封包加密，并通过无线4G的方式传输给后台服务器，若服务器无应答，将启动3次传输机制，完成后定时器继续计时，等待下一次定时器到达后，采集下一组数据。

4.3 数据解析与计算程序设计

数据解析与计算程序将井口设备通过4G网络上传的动液面数据、电参数数据等进行解析、运算、存储和展示，流程如图7所示。

图7 数据解析与计算流程

数据解析与计算程序准备实时接收远程井口设备传来的动液面、电参数等数据，当服务器收到远程仪表发送数据的请求后，准备好内存开始接收数据，并回传连接成功的应答指令给远程设备，服务器接收完数据后，对数据进行滤波、解密等处理，并将数据带入嵌入的动液面计算模型、功图计算模型、间抽采油控制模型、大数据模型等进行比较计算，当计算的动液面值不在给定的沉没度范围之内，则关闭抽油机，否则开启抽油机，进行抽油机功图的计算，调节抽油机的运行频率，达到调节抽油机冲次的目的，保障抽油机高效运行。服务器计算完毕后，将实时数据存入SQL Server数据库，以便用户或管理员通过Web浏览器以网页的形式查看抽油机的运行情况。