抽油機(jī)盤根盒漏油報警系統(tǒng)的研制和應(yīng)用

楊毅　姚江龍　柏宗憲　李兵

摘 要：本文設(shè)計了一款抽油機(jī)盤根盒漏油報警系統(tǒng)，對油田帶盤根設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)測，同時借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將智能平臺收集的設(shè)備運行信息進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。利用該裝置可減少現(xiàn)場員工的監(jiān)測工作量，降低設(shè)備在惡劣天氣下因人工巡檢不及時可能引發(fā)的安全事故。通過實時監(jiān)測設(shè)備的各項運行參數(shù)并設(shè)定報警值，可有效降低設(shè)備的故障發(fā)生率。

關(guān)鍵詞：設(shè)備盤根;物聯(lián)網(wǎng);智能控制平臺;監(jiān)測;報警;遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：ET46文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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

抽油機(jī)是油田生產(chǎn)的重要設(shè)備，其作用是通過抽油桿連接抽油泵，將深埋于地下幾千米的原油抽出地面、流入生產(chǎn)管線。其中，盤根盒用來密封抽油桿，防止地下原油流淌到地面。由于現(xiàn)場存在抽油桿偏斜、表面毛刺、產(chǎn)出液不均勻、油稠等諸多復(fù)雜情況，導(dǎo)致盤根盒密封效果不理想，經(jīng)常出現(xiàn)漏油的情況。如果盤根盒漏油發(fā)現(xiàn)不及時，不但增加清潔工作量，而且光桿運動會進(jìn)一步對盤根盒造成損壞，井筒內(nèi)壓力不斷從盤根盒釋放出來，導(dǎo)致盤根盒出現(xiàn)刺漏現(xiàn)象，最終引發(fā)大面積污染。從各油田對抽油機(jī)盤根盒漏油的監(jiān)控方法來看，目前主要依靠采油工現(xiàn)場巡井發(fā)現(xiàn)抽油機(jī)盤根盒漏油現(xiàn)象。由于采油工巡井受巡井時間的限制，因此，很難在盤根盒漏油初期發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。此外，在夜間發(fā)生盤根盒漏油時，如果巡井時未對油井進(jìn)行近距離巡檢，也很難發(fā)現(xiàn)盤根盒漏油現(xiàn)象。因此，有必要研制抽油機(jī)盤根盒漏油自動報警裝置，以解決員工巡檢強度大的問題，同時彌補現(xiàn)階段有效監(jiān)測技術(shù)的空白。

1 系統(tǒng)方案研究與分析

對油井盤根盒發(fā)生滲漏進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，發(fā)生滲漏的油井中含水量比較大，占生產(chǎn)油井總數(shù)的95%以上，尤其是在油田發(fā)展的中后期。因此，針對高含水油井盤根盒漏油的監(jiān)測是重點研究對象。首先，對滲漏介質(zhì)進(jìn)行分析可知，高含水井的產(chǎn)出液中，原油具備高阻態(tài)，一般不具備導(dǎo)電性，而產(chǎn)出的水則具有良好的導(dǎo)電性，因此，可以利用水的導(dǎo)電性實現(xiàn)對盤根盒漏油的監(jiān)測。其次，需要考慮雨雪天氣對系統(tǒng)信號的干擾和影響。如果持續(xù)下雨，會導(dǎo)致報警裝置誤報，減少電池的使用壽命，由此，可通過軟件設(shè)定判斷程序，外加雨滴傳感器的聯(lián)鎖設(shè)置，規(guī)避誤報警。

2 系統(tǒng)組成、外觀及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

抽油機(jī)盤根盒漏油報警系統(tǒng)主要由主控電路、雙聯(lián)電路、雨滴感應(yīng)器、雙絲導(dǎo)電環(huán)、PC上位機(jī)等部分組成。其中，主控電路包含單片機(jī)處理器、聲光報警器、通信模塊、晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor-Logic，TTL）采集電路、短信息報警電路和存儲擴(kuò)展電路;雙聯(lián)電路包含9 V直流電源、門電路和直流電源芯片，直流電源芯片為主電路提供5 V直流電壓，門電路與雨滴感應(yīng)器和雙絲導(dǎo)電環(huán)相連接，雙絲導(dǎo)電環(huán)和雨滴感應(yīng)器均為常開電路。雙絲導(dǎo)電環(huán)和所述雨滴感應(yīng)器通過門電路與TTL采集電路相連接[1]。

2.2 外觀部分

為了使報警器外殼方便拆裝，研究者將其設(shè)計成弧狀，并采用3D打印技術(shù)打印完成，且內(nèi)嵌磁扣，以方便吸附在盤根盒壓蓋上（見圖1）。

漏油感應(yīng)板由兩條相互交錯且不相交的銅皮貼附于塑料板上，且該塑料板不能完全閉合，以方便在現(xiàn)場安裝時，能夠穿過光桿，放置于盤根盒壓蓋上端（如圖2所示）。

2.3 抽油機(jī)盤根盒漏油報警系統(tǒng)的工作原理

抽油機(jī)盤根盒漏油報警系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。該系統(tǒng)在工作時，雨滴感應(yīng)器和雙絲導(dǎo)電環(huán)均為常開觸點，在盤根盒發(fā)生滲漏時，因為油水為導(dǎo)電介質(zhì)，雙絲導(dǎo)電環(huán)接通，為高電平，雨滴感應(yīng)器斷路，為低電平，TTL采集電路通過門電路采集高電平的電壓信號，并發(fā)送給單片機(jī)處理器，單片機(jī)處理器立即驅(qū)動聲光報警器工作，并通過通信模塊發(fā)送報警短信息，同時將信息傳到上位機(jī)，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。在雨雪天氣情況下，雨滴感應(yīng)器和雙絲導(dǎo)電環(huán)的線路同時被接通，門電路對兩個高電平轉(zhuǎn)換成低電平，TTL采集電路采集到的門電路為低電平的電壓信號，發(fā)送給單片機(jī)處理器，單片機(jī)處理器無法驅(qū)動聲光報警器工作，減少了盤根盒漏油的誤報，確保了抽油機(jī)盤根盒漏油器報警信息的準(zhǔn)確率[2]。

3 硬件電路設(shè)計

圖4為系統(tǒng)硬件原理圖。該系統(tǒng)以AT89C2051[2 KB可重編程FLASH存儲器（10 000次），2級程序存儲器保密鎖定，15條可編程I/O線，6個中斷源，高精度電壓比較器，直接驅(qū)動LED的輸出端口，和MCS-51產(chǎn)品兼容]為核心，外擴(kuò)一片AT24C256（可編程只讀存儲器，8引腳雙排直插式封裝，內(nèi)部可組成32 K×8存儲單元，2線串行接口，雙向數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，硬件寫保護(hù)引腳和軟件數(shù)據(jù)保護(hù)功能，12C總線方式，32KEEPROM），增加數(shù)據(jù)在斷電情況下長時間保存的功能，利用門電路連接雙絲導(dǎo)電環(huán)和雨滴傳感器，通過單片機(jī)P1.1進(jìn)行信號采集，利用單片機(jī)的串口連接4G通信模塊，實現(xiàn)測試系統(tǒng)與上位機(jī)的串行通信。受井口直徑較小（一般為10～15 cm）的條件限制，研究者最終將電路板做成3 cm×3.5 cm，以達(dá)到小型化要求[3]。

4 軟件設(shè)計

4.1 下位機(jī)程序設(shè)計

下位機(jī)程序采用Keil uVision4編寫，其主要任務(wù)是控制并協(xié)調(diào)電路中各部分正常有序工作。具體包括初始化、接受上位機(jī)命令、采樣處理保存數(shù)據(jù)并與上位機(jī)通信等四部分。由于系統(tǒng)對采樣速率要求不是很高，故對采樣間隔采用循環(huán)查詢方式，在一個時間段對兩個通道進(jìn)行十次采樣，存入存儲模塊。由于下位機(jī)與上位機(jī)采用4G模塊的通信連接方式，通過數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）實現(xiàn)4G與max232的轉(zhuǎn)換，故規(guī)定其通信協(xié)議為：采用TCP/IP協(xié)議棧、通過DTU連接到固定的公網(wǎng)IP端口的服務(wù)器;發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信;數(shù)據(jù)按字符的形式傳送;可設(shè)置自動發(fā)送數(shù)據(jù)和設(shè)置自動發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔。這樣既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率，又提高了傳輸速率[4]。

4.2 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)程序采用面向?qū)ο蟮腃#程序設(shè)計語言編寫，操作界面簡單，符合現(xiàn)場要求，針對性強[5]。程序的主要任務(wù)是與下位機(jī)通信，并將下位機(jī)回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理和報表制作，包括初始化、發(fā)送、接收、數(shù)據(jù)庫、報表制作和繪圖等功能模塊。系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）模式，如圖5所示，建立在廣域網(wǎng)之上，適應(yīng)范圍廣，只要有操作系統(tǒng)和瀏覽器就可以操作，維護(hù)成本低，模塊兼容性強，軟件版本與客戶端操作系統(tǒng)無關(guān)，軟件可跨平臺使用。操作人員可以通過手機(jī)或者瀏覽器登錄Web服務(wù)端對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，查看相關(guān)運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對現(xiàn)場抽油機(jī)井盤根盒狀態(tài)的監(jiān)測和故障預(yù)警的功能。

5 效果分析

抽油機(jī)盤根盒漏油報警系統(tǒng)研制成功后，在南堡油田作業(yè)區(qū)采油五區(qū)試用，效果良好。一年多以來，未因盤根漏油而產(chǎn)生污染賠償費用。報警裝置整體設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，且容易安裝與拆卸。抽油機(jī)盤根盒漏油報警器，通過油水介質(zhì)導(dǎo)電的特性，通過采集傳感器信號，利用單片機(jī)對數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送，實現(xiàn)對盤根滲漏的實時監(jiān)測，達(dá)到減輕工作負(fù)擔(dān)和防止環(huán)境污染的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：12.

[2]范力旻.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：56.

[3]李琬瑩.淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油田中的應(yīng)用[J].中國管理信息化，2016（1）：66-67.

[4]高國忠，劉敬東，孫彥輝.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].科技風(fēng)，2014（13）：270.

[5]艾明祥.關(guān)于單片機(jī)在溫濕測控技術(shù)中的應(yīng)用研究[J].電子世界，2021（5）：61-62.