物聯網系統在油田采油工程上的應用

凌虹

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司裝備部，北京 100101）

物聯網系統在油田采油工程上的應用

凌虹

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司裝備部，北京 100101）

介紹了基于油井動液面實時監測的數字化系統，完成對數據進行傳輸、管理、分析統計等工作。同時解決在無人值守的條件下對油井動液面長期實施監測，可將每口井的信息組成網絡，進行數字化油田的實時監控及遠程控制。

采油工程；油井動液面；遠程監測

1 回聲法油井動液面監測

采油系統是依據地下產能情況，通過合理調整地面設備的運行參數，以較少的投入達到最大產出，追求最大產出以及最大產出/投入比。為了實現上述目的，首先需要對地下產能情況實時監測，在具體實踐中需要對油井動液面進行實時監測，以使在確保抽油泵正常工作的前提下，能夠最大限度的發揮地下產能。其次是地面設備能夠依據井底動液面的變化情況調整其運行參數。第三是整個設備要滿足數字化油田建設需要，能夠對數據進行傳輸、管理、分析統計等。第四是設備要滿足野外無人值守的使用條件。但是目前采用的動液面監測方法（回聲法）有一定的局限性，其主要原因是如下。

（1）儀器不能長期、野外自動工作，效率低且勞動強度大。

（2）主要誤差難以克服，采用聲速法，人工輸入的聲速不確定度較大；節箍法由于修復油管的長短不一，從而引入誤差。

（3）油井動液面數據有限。

（4）每口井每個月一般只測量2次，無法滿足生產管理需要。

（5）存在“假液面”現象，原因是原油中的溶解氣多的油井，不斷從油中分離出來的伴生氣在環空中容易形成氣液混合的泡沫段，使回聲儀無法測出準確的液面，即俗稱的“假液面”。

（6）不能滿足油田數字化發展要求。

（7）不能完成連續的自動測量。

2 非回聲法油井動液面監測

隨著科技的進步，要解決以下三個技術難點：第一，解決在無人值守的條件下對油井動液面長期實施監測。第二，設備的調速系統等設施能夠滿足野外無人值守的使用條件。第三，形成閉環控制的完整系統。

要解決上述三個技術難點，決定采用非回聲法油井動液面測量的方法，其工作原理是根據物質平衡原理，流入和流出油套環空的質量流量之差等于油套環空內的質量隨時間的變化率（圖1）。用電磁閥控制排氣周期及憋氣周期，通過測量壓力和溫度的變化，以及用孔板放氣機理換算得到放氣流量，便可以換算出油套環空的體積V，再除以環空面積A，即得液面深度H=V/A。

圖1

其優勢包括：可以克服“泡沫段”引起的假液面錯誤；可以進行連續不間斷測量，為實現自動控制提供了條件；可以與抽油電機組成反饋控制，進行自動調速；可以將每口井的信息（液面深度、抽油速度等）組成網絡，進行數字化油田的實時監控及遠程控制。

采用非回聲法油井動液面測量的方法，受到的制約是目前調速系統的局限，其主要表現在電機多為繞組電機，采用變頻調速系統，由于變頻調速系統不適合野外無人值守的工作條件，系統可靠性差。另外，若采用現場更換皮帶輪等機械方法進行調速，一方面不能實現無級調速，另一方面不能做到依據動液面變化情況進行調整。

為避免這個問題，我們選用開關磁阻電機及DSP調速系統，根據其控制原理及性能曲線，可以發現其具有以下優點：第一，電機調速范圍寬，電機效率高，尤其高效區寬。第二，與油井液面測量組成自動反饋調速系統。第三，工作溫度-40～85℃。第四，適合野外工作環境，防水，耐高低溫。第五，滿足野外無人值守工作條件，可以實現自動控制、遠控、數據及其它信息遠程傳輸功能。

3 集成模塊系統控制方案

為研發出自動控制系統，我們解決了以下技術難點。首先，解決了野外、運動設備多參數監控與控制部件耐溫、部件間絕緣與散熱、連接可靠等性能要求；其次，實現了以采油設備為核心的整個網絡控制。其技術方案：采用集成模塊系統控制技術，具有PLC+PC機功能。

結構集成：系統的主控單元、輸入/輸出單元、電源及驅動放大系統一體集成，可直接控制各種電液元件。功能集成：采集、處理、控制、遠控、無線傳輸集成。便于建立數據庫，對數據進行統計、分析，從而實現在線監測。適用溫度范圍寬。模塊的適用環境溫度-40～85℃。

在解決上述技術難點基礎上，完成了數字化油田網絡系統，該系統由油田作業現場的局域控制網，數據發送/接收, 及遠程監控中心組成。 數據發送/接收是利用現有的移動通訊網絡來完成，將每口井的數據發送到INTERNET網上。只要有手機信號的任何地方都可以工作。 在控制中心從INTERNET網下載數據，進行分析、統計、監控。具體表現如下：第一，在油田的每一口井上，由油井液面自動測量、電機自動調速組成無人值守的自動化系統。第二，由無線發射/接受組成數據的遠程監控系統。第三，將遠程傳輸的數據在控制中心進行統計、分析、優化，形成數字化油田網絡系統。第四，可以在控制中心對各個油井進行遠程控制操作（例如遠程調速等）。第五，系統可以廣泛的應用于游梁式抽油機、螺桿泵等采油系統。

4 結語

功能方面：實現基于動液面監測的數字化控制系統，智慧水平高。另外，采用開關磁組電機可以加寬電機的調速范圍，在不更換皮帶輪的前提下使抽油機具有很寬的沖次調整范圍，較為適合煤層氣井。

可靠性方面：采用SRD 調速系統，比感應電機的變頻調速系統更能適合野外工作。并且采用具有PLC+PC機功能的控制模塊，解決了控制系統多線聯接防潮、防雨與散熱、隔爆等問題。

信息化水平方面：具有目前數字化油田所具備的遠傳、監測、遠控、分析、統計處理及設備運行參數監測等各項功能。

同時還具備液面監測儀、PLC+PC機功能的控制模塊、運行方便、適用機型廣、便于實現產品+服務等技術優勢。

[1]李繼志等．石油鉆采機械概論[M]．山東；中國石油大學出版社，2012，8．

[2]劉洪等．集成化人工智能技術及其在石油工程中的應用[M]．石油工業出版社，2008，10．

[3]楊野等．采油工程主要措施效果預測與優化[M]．石油工業出版社，2012,1．

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1671-0711（2017）10（上）-0179-02