抽油机盘根盒漏油报警系统的研制和应用

杨毅　姚江龙　柏宗宪　李兵

摘 要：本文设计了一款抽油机盘根盒漏油报警系统，对油田带盘根设备进行智能监测，同时借助物联网技术，将智能平台收集的设备运行信息进行远程传输。利用该装置可减少现场员工的监测工作量，降低设备在恶劣天气下因人工巡检不及时可能引发的安全事故。通过实时监测设备的各项运行参数并设定报警值，可有效降低设备的故障发生率。

关键词：设备盘根;物联网;智能控制平台;监测;报警;远程控制

中图分类号：ET46文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）11-0040-03

Development and Application of Oil-spill Alarm System for the

Root Box of Oil Pumping Unit

YANG Yi YAO Jianglong BAI Zongxian LI Bing

（Operation Area of Nanpu Oilfield， Jidong Oilfield Company of CNPC，Tangshan Hebei 063200）

Abstract： In this paper， an oil leakage alarm system of pumping unit packing box is designed， which can intelligently monitor the equipment with packing in the oil field. At the same time， with the help of Internet of things technology， the equipment operation information collected by the intelligent platform can be remotely transmitted. The use of the device could reduce the monitoring workload of field staff and reduce the safety accidents that may be caused by manual inspection in bad weather. By monitoring the operation parameters of the equipment in real time and setting the alarm value， the failure rate of the equipment can be effectively reduced.

Keywords： equipment packing; internet of things; intelligent control platform; monitoring;alarm; remote control

抽油机是油田生产的重要设备，其作用是通过抽油杆连接抽油泵，将深埋于地下几千米的原油抽出地面、流入生产管线。其中，盘根盒用来密封抽油杆，防止地下原油流淌到地面。由于现场存在抽油杆偏斜、表面毛刺、产出液不均匀、油稠等诸多复杂情况，导致盘根盒密封效果不理想，经常出现漏油的情况。如果盘根盒漏油发现不及时，不但增加清洁工作量，而且光杆运动会进一步对盘根盒造成损坏，井筒内压力不断从盘根盒释放出来，导致盘根盒出现刺漏现象，最终引发大面积污染。从各油田对抽油机盘根盒漏油的监控方法来看，目前主要依靠采油工现场巡井发现抽油机盘根盒漏油现象。由于采油工巡井受巡井时间的限制，因此，很难在盘根盒漏油初期发现问题并采取措施。此外，在夜间发生盘根盒漏油时，如果巡井时未对油井进行近距离巡检，也很难发现盘根盒漏油现象。因此，有必要研制抽油机盘根盒漏油自动报警装置，以解决员工巡检强度大的问题，同时弥补现阶段有效监测技术的空白。

1 系统方案研究与分析

对油井盘根盒发生渗漏进行分析可发现，发生渗漏的油井中含水量比较大，占生产油井总数的95%以上，尤其是在油田发展的中后期。因此，针对高含水油井盘根盒漏油的监测是重点研究对象。首先，对渗漏介质进行分析可知，高含水井的产出液中，原油具备高阻态，一般不具备导电性，而产出的水则具有良好的导电性，因此，可以利用水的导电性实现对盘根盒漏油的监测。其次，需要考虑雨雪天气对系统信号的干扰和影响。如果持续下雨，会导致报警装置误报，减少电池的使用寿命，由此，可通过软件设定判断程序，外加雨滴传感器的联锁设置，规避误报警。

2 系统组成、外观及工作原理

2.1 系统组成

抽油机盘根盒漏油报警系统主要由主控电路、双联电路、雨滴感应器、双丝导电环、PC上位机等部分组成。其中，主控电路包含单片机处理器、声光报警器、通信模块、晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor-Logic，TTL）采集电路、短信息报警电路和存储扩展电路;双联电路包含9 V直流电源、门电路和直流电源芯片，直流电源芯片为主电路提供5 V直流电压，门电路与雨滴感应器和双丝导电环相连接，双丝导电环和雨滴感应器均为常开电路。双丝導电环和所述雨滴感应器通过门电路与TTL采集电路相连接[1]。

2.2 外观部分

为了使报警器外壳方便拆装，研究者将其设计成弧状，并采用3D打印技术打印完成，且内嵌磁扣，以方便吸附在盘根盒压盖上（见图1）。

漏油感应板由两条相互交错且不相交的铜皮贴附于塑料板上，且该塑料板不能完全闭合，以方便在现场安装时，能够穿过光杆，放置于盘根盒压盖上端（如图2所示）。

2.3 抽油机盘根盒漏油报警系统的工作原理

抽油机盘根盒漏油报警系统的工作原理如图3所示。该系统在工作时，雨滴感应器和双丝导电环均为常开触点，在盘根盒发生渗漏时，因为油水为导电介质，双丝导电环接通，为高电平，雨滴感应器断路，为低电平，TTL采集电路通过门电路采集高电平的电压信号，并发送给单片机处理器，单片机处理器立即驱动声光报警器工作，并通过通信模块发送报警短信息，同时将信息传到上位机，以便后续的数据处理工作。在雨雪天气情况下，雨滴感应器和双丝导电环的线路同时被接通，门电路对两个高电平转换成低电平，TTL采集电路采集到的门电路为低电平的电压信号，发送给单片机处理器，单片机处理器无法驱动声光报警器工作，减少了盘根盒漏油的误报，确保了抽油机盘根盒漏油器报警信息的准确率[2]。

3 硬件电路设计

图4为系统硬件原理图。该系统以AT89C2051[2 KB可重编程FLASH存储器（10 000次），2级程序存储器保密锁定，15条可编程I/O线，6个中断源，高精度电压比较器，直接驱动LED的输出端口，和MCS-51产品兼容]为核心，外扩一片AT24C256（可编程只读存储器，8引脚双排直插式封装，内部可组成32 K×8存储单元，2线串行接口，双向数据传送协议，硬件写保护引脚和软件数据保护功能，12C总线方式，32KEEPROM），增加数据在断电情况下长时间保存的功能，利用门电路连接双丝导电环和雨滴传感器，通过单片机P1.1进行信号采集，利用单片机的串口连接4G通信模块，实现测试系统与上位机的串行通信。受井口直径较小（一般为10～15 cm）的条件限制，研究者最终将电路板做成3 cm×3.5 cm，以达到小型化要求[3]。

4 软件设计

4.1 下位机程序设计

下位机程序采用Keil uVision4编写，其主要任务是控制并协调电路中各部分正常有序工作。具体包括初始化、接受上位机命令、采样处理保存数据并与上位机通信等四部分。由于系统对采样速率要求不是很高，故对采样间隔采用循环查询方式，在一个时间段对两个通道进行十次采样，存入存储模块。由于下位机与上位机采用4G模块的通信连接方式，通过数据传输单元（Data Transfer Unit，DTU）实现4G与max232的转换，故规定其通信协议为：采用TCP/IP协议栈、通过DTU连接到固定的公网IP端口的服务器;发送数据进行网络通信;数据按字符的形式传送;可设置自动发送数据和设置自动发送数据的时间间隔。这样既保证了数据传输的正确率，又提高了传输速率[4]。

4.2 上位机程序设计

上位机程序采用面向对象的C#程序设计语言编写，操作界面简单，符合现场要求，针对性强[5]。程序的主要任务是与下位机通信，并将下位机回传的数据进行后期处理和报表制作，包括初始化、发送、接收、数据库、报表制作和绘图等功能模块。系统采用B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）模式，如图5所示，建立在广域网之上，适应范围广，只要有操作系统和浏览器就可以操作，维护成本低，模块兼容性强，软件版本与客户端操作系统无关，软件可跨平台使用。操作人员可以通过手机或者浏览器登录Web服务端对数据库进行访问，查看相关运行数据，实现对现场抽油机井盘根盒状态的监测和故障预警的功能。

5 效果分析

抽油机盘根盒漏油报警系统研制成功后，在南堡油田作业区采油五区试用，效果良好。一年多以来，未因盘根漏油而产生污染赔偿费用。报警装置整体设计结构紧凑，价格低廉，且容易安装与拆卸。抽油机盘根盒漏油报警器，通过油水介质导电的特性，通过采集传感器信号，利用单片机对数据的处理和发送，实现对盘根渗漏的实时监测，达到减轻工作负担和防止环境污染的目的。

参考文献：

[1]何立民.单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：12.

[2]范力旻.单片机原理及应用技术[M].北京：电子工业出版社，2009：56.

[3]李琬瑩.浅谈物联网技术在油田中的应用[J].中国管理信息化，2016（1）：66-67.

[4]高国忠，刘敬东，孙彦辉.物联网技术在油田生产中的应用研究[J].科技风，2014（13）：270.

[5]艾明祥.关于单片机在温湿测控技术中的应用研究[J].电子世界，2021（5）：61-62.