基于物聯網的油井智能間抽控制系統

賈志鵬，李 盼，念 彬，周 婷，余 杰

（1.長慶油田分公司隴東頁巖油開發項目部，甘肅 慶城 745100；2.西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065）

0 引 言

在低滲超低滲油田的開發過程中，由于油井供液不足，導致活塞在泵筒干磨，不僅降低了抽油機效率，并且損壞了活塞和泵筒，造成了資源的嚴重浪費，增加了采油成本。因此，需要根據油井的開采狀態，合理調整抽油制度[1-3]。目前，國內外各大油田主要采用單閉環控制系統對抽油機進行啟停控制。早在20世紀90年代，大慶油田就研制出了基于抽油桿載荷量的抽油機自動控制系統，這種方法實際應用時誤差大、停井時間過長，并沒有實質性地提升抽油效率[4]；中國石油大學在2011年研究了基于綜合診斷的抽油機變頻控制技術，通過對抽油機的溫度、載荷、電壓、電流、位移等數據進行綜合分析，得到最佳運行頻率，實現抽油機的自動變頻控制，該方法新穎，但算法過于復雜，并未實際推廣使用[5]。遼河油田于2012年研制了基于動液面的自動抽油機控制系統，現場使用效果不太理想[6]。此外，現場大多數抽油機控制系統采用無線WiFi的通信方式進行抽油機井口設備和遠程監控平臺之間數據傳輸，WiFi信號覆蓋范圍小，并不適合遠距離傳輸數據[7]。

本文通過對物聯網技術進行研究，提出了一種基于物聯網的油井智能間抽控制系統。該控制系統主要包括動液面監測儀、示功圖采集模塊、間抽控制柜和間抽監控后臺，形成雙閉環控制系統，基于無線4G網絡進行數據傳輸，實現了對抽油機工作狀態的實時采集、可靠傳輸、智能控制和動態監測等。現場運行結果表明：該系統實用可靠、整機性能良好，解決了低滲井能耗高、泵效低的問題，獲得了良好的經濟效益。

1 基于物聯網的智能間抽雙閉環控制系統原理

基于物聯網的智能間抽雙閉環控制系統原理如圖1所示。外環控制抽油機啟停，內環控制抽油機工作頻率，進而控制采油速度。

圖1 雙閉環控制系統原理

動液面監測儀實時監測油井動液面，并根據給定沉沒度，結合預置的抽油機啟停控制算法，得到啟動或者停止抽油機的指令，使得抽油機在給定沉沒度附近的某個誤差范圍內工作，形成外環閉環。示功圖采集模塊實時采集抽油桿的功圖，并根據給定功圖，采用傳統的PID控制算法控制抽油機工作頻率，從而根據當前出油快慢控制抽油機沖次，進而控制抽油速度，形成內環閉環。

2 基于物聯網的智能間抽控制系統構成

基于物聯網的油井智能間抽控制系統由感知層、傳輸層和應用層構成，系統構成如圖2所示[8]。

圖2 基于物聯網的間抽控制系統

感知層由動液面監測儀、示功圖采集模塊組成，實時采集井口數據，包括動液面位置和抽油桿功圖，并將采集數據通過傳輸層傳輸給遠程間抽監控平臺，為服務器執行間抽采油算法提供依據。傳輸層是間抽控制系統各構成部分間通信的橋梁，通過在各構成模塊內部集成4G模塊，采用無線4G信號傳輸的方式進行組網通信，可以實現系統間數據的長距離高速可靠傳輸。應用層包括后臺服務器、PC管理平臺等，內部集成獨有的動液面計算模型、功圖計算模型、間抽采油控制模型、大數據模型等，在線計算動液面位置、功圖和變頻器工作頻率，并支持數據和波形的遠程查看、數據導入導出以及遠程參數設置等。

3 智能間抽控制系統硬件實現

基于物聯網的間抽控制系統硬件部分如圖3所示，主要包括動液面監測儀、示功圖采集模塊、抽油機控制柜和間抽監控平臺。

圖3 間抽控制系統硬件組成

動液面監測儀選擇西安海聯石化科技有限公司出品的動液面監測控制器（外網），載荷傳感器和三相電參采集模塊采集計算功圖所需參數，間抽控制系統的硬件設計主要包括間抽采油控制器的硬件電路設計和間抽監控后臺的硬件設計。

3.1 間抽采油控制器硬件設計

間抽采油控制器采用基于ARM的STM32F103RET6作為微控制單元，包括觸摸屏、語音模塊、FLASH存儲器、4G模塊、繼電器等[9-10]。間抽采油控制器硬件組成如圖4所示。

圖4 間抽采油控制器硬件組成

間抽采油控制器主要接收遠程監控平臺傳輸的數據包，解析出抽油機啟動或者停止和變頻器工作頻率的指令，根據解析出的啟停指令控制啟動繼電器或者停止繼電器動作，達到控制電機啟停的目的，并將解析出的電機運行頻率值通過RS 485傳輸給變頻器，控制電機轉速，從而達到控制抽油機沖次的目的。控制器外配置了觸摸屏，現場人員可以通過觸摸屏手動開環控制抽油機啟停和調節抽油機沖次。間抽采油控制器內置有語音模塊，當抽油機啟動或者停止前10 s進行語音播報，提示現場工作人員安全撤離。

3.2 間抽監控平臺硬件設計

間抽監控平臺硬件部分主要包括服務器、顯示屏、鍵盤、鼠標等。服務器選用DELL的Poweredge R740架式服務器，利用獨有的動液面計算模型、功圖計算模型、間抽采油控制模型、大數據模型等，對接收的遠程井口數據進行解析、計算，得到抽油機啟停和工作頻率，并對數據進行封包、加密，傳輸給智能控制器。另外，服務器還將計算結果存入SQL Server數據庫，以供用戶或者工作人員通過PC管理平臺以網頁的形式查看數據與波形，設置參數等。

4 間抽控制系統軟件實現

4.1 間抽控制系統軟件組成

間抽控制系統軟件由數據采集與傳輸程序和數據解析與計算程序組成，如圖5所示。數據采集與傳輸程序包括井口數據采集、數據加密、4G傳輸3個子程序；數據解析與計算包括數據解析處理、抽油機自動啟停、抽油機沖次調節和數據展示與存儲4個子程序[10]。

圖5 間抽控制系統軟件組成

4.2 數據采集與傳輸程序設計

數據采集與傳輸程序將采集的井口動液面數據和電參數發送給后臺服務器，流程如圖6所示。

圖6 數據采集與傳輸程序流程

數據采集與傳輸程序定時采集井口數據，對采集數據進行數字濾波和A/D轉換后封包加密，并通過無線4G的方式傳輸給后臺服務器，若服務器無應答，將啟動3次傳輸機制，完成后定時器繼續計時，等待下一次定時器到達后，采集下一組數據。

4.3 數據解析與計算程序設計

數據解析與計算程序將井口設備通過4G網絡上傳的動液面數據、電參數數據等進行解析、運算、存儲和展示，流程如圖7所示。

圖7 數據解析與計算流程

數據解析與計算程序準備實時接收遠程井口設備傳來的動液面、電參數等數據，當服務器收到遠程儀表發送數據的請求后，準備好內存開始接收數據，并回傳連接成功的應答指令給遠程設備，服務器接收完數據后，對數據進行濾波、解密等處理，并將數據帶入嵌入的動液面計算模型、功圖計算模型、間抽采油控制模型、大數據模型等進行比較計算，當計算的動液面值不在給定的沉沒度范圍之內，則關閉抽油機，否則開啟抽油機，進行抽油機功圖的計算，調節抽油機的運行頻率，達到調節抽油機沖次的目的，保障抽油機高效運行。服務器計算完畢后，將實時數據存入SQL Server數據庫，以便用戶或管理員通過Web瀏覽器以網頁的形式查看抽油機的運行情況。

5 結 語

（1）該系統基于物聯網三層架構進行數據的采集、傳輸和應用，實現了對抽油機工作狀態的實時采集、可靠傳輸、智能控制和動態監測。

（2）基于物聯網的油井智能間抽控制系統采用動液面閉環和抽油機泵效閉環的雙閉環控制系統，利用4G作為傳輸方式，該系統經濟可行，運行可靠，節能效果良好，較好地解決了傳統抽油機系統泵效低、數據傳輸距離短等問題，對油田持續穩產和發展具有現實意義。