油田自動化系統中油井監控技術的應用分析

陳 思，李 陽

（1.新疆油田公司采油二廠，新疆克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

在自動化系統的支持下，油田能夠更高效地完成勘探開發工作，實現對人力成本的合理控制。在自動化系統運行過程中，監控技術在油井中的應用必不可少。油田可以借助油井監控系統實現對相關參數、狀態的精準把控，確保各項指標的優化提升。隨著國內油田開發工作的持續推進，監控系統在油田開發工作中的作用日益凸顯，油田需要持續加強對相關技術的研究與改進，借助技術手段實現油井開發效率和質量的提升，為企業發展獲取更多效益。

1 油井抽油機井采油原理及計算方法

在國內油田的油井開發過程中，采油工作大多借助有桿抽油泵來完成，而此類抽油泵中的常見形式為游梁式抽油機。在結構方面，該抽油機主要包括減速箱、驢頭、曲柄機構、連桿及游梁等部分。抽油期間的工作效率和電量成本的控制通常需要根據相關參數來進行，這些參數主要有壓力、位移參數、電量參數、抽油桿載荷、油井內外溫度等。油田可以借助這些參數實現對油井開采工作的優化控制，并借助自動化系統完成實時最優控制。這些參數的獲取離不開監控系統的支持。在載荷位移參數的支持下，油田工作人員能夠完成相關函數曲線的繪制工作，借助示功圖直觀地展示抽油機作業期間面臨的異常情況，從而及時地對水、稠油、砂等影響因素進行處理[1]。

示功圖對于油井產液量具有一定幫助，在應用過程中，工作人員可以在示功圖的基礎上，通過油管、液柱以及桿柱的三維振動模型實現對泵功圖和柱功圖的求解，進而通過識別泵功圖的方式完成產液量的計算工作。有桿泵抽油的過程中，涉及到的三維振動主要體現在油管、液柱及桿柱3 個方面，相關數學模型主要說明了三者之間的運動和作用關系。在受力方面，油管、液柱及桿柱相互之間的作用力包括振動力、慣性力、垂力及摩擦力等，通過合成力的方式能夠求得相應的偏微分方程組，用以描述三者的運動情況。

在掌握邊界及初始條件的情況下，可以通過方程組求解的方式掌握功隨時間變化曲線、位移、深度、載荷、壓力等參數，從而根據各類物理參數的變化情況和泵功圖完成抽油泵在油井下方運行指標、參數的精準診斷，進而獲取充滿系數、沖程等關鍵參數，實現泵排量、油井排量的有效計算。

在計算機軟件模型的支持下，油田工作人員能夠將地面功圖這一存在嚴重波動問題的圖形轉化為更加實用性的示功圖（圖1），這對于精準診斷抽油情況具有積極意義。

圖1 地面功圖轉換成示功圖

產液量的計算需要以精準的油井診斷結果為依據，在生產數據以及地面功圖等已知信息的支持下，能夠對抽油機狀態和產液量進行分析計算、對抽油泵排列進行分析，還可以結合柱桿等應力計算結果進行油井作業故障情況的自動診斷。因此，在系統設計過程中，油田工作人員需要結合實際工作需求對相關功能模型基于簡單實用的原則進行優化融合，具體框架如圖2 所示。

圖2 系統組成

2 油井監控系統的設計方案

為了確保油田開發工作的高效性，油田工作人員需要進一步加強對自動化系統的研發和投用工作，其中，實時、精準、簡單高效的監控系統非常關鍵。在生產運作期間，油田通常需要在惡劣的環境中開展作業?？紤]到相對雜亂的油井布局，在監控系統開發設計期間，油田需要盡可能基于離散分布的原則設計優化監控系統。在控制油井生產作業期間，監控系統應能夠結合工況變化、油井環境條件變化、季節變化、通信差異性等對控制功能進行自動調整，盡可能地提升系統的實時性和可靠性，同時需要避免給維護檢修工作造成困難。

在網絡通信方面，油田可以借助無線局域網實現對各油井監控裝置的綜合管理，確保管理中心的終端計算機能夠借助先進的數據通信技術和設備，實現對油井現場采油相關信息數據的實時收集，從而實時監控各生產設備在油井等相關區域的運行狀況，避免出現設備長期運行異常而無人發現的問題。在路由器、交換機等相關設備及無線網絡技術的支持下，油田監控中心能夠實時查看油井采集作業情況，進而通過與企業網站連接的方式實現相關生產信息的實時共享，便于相關管理人員更精準地把控現場情況，監控系統結構如圖3 所示。

圖3 油井動化監控系統結構

3 監控系統自動化在油井的實施構建

在系統搭建過程中，油田可以借助RTU 采集技術、GPRS 技術、網橋搭建技術、數據存儲技術及數據實時分析技術實現對現場設備的監控。相對于PLC，RTU 作為一種遠程測控裝置，在實際應用時往往在存儲容量和通信功能方面更具優勢，下面對相關技術模塊進行分別論述。

3.1 油井參數RTU 采集系統組成

在系統架構方面，RTU 主板組件與模擬信號處理裝置連接，收集電壓、位移、電流等相關傳感器所提供的數據信息，并由GPRS/GSM 模塊實現通信功能。

3.2 數據采集裝置在抽油機上的應用

在抽油機運行監控過程中，數據采集設備具有較大作用，該設備具有光電隔離的傳輸接口。在實際應用中，可以根據需求對RS232、RS485 接口方式等進行自由設置。其中，RS232 接口能夠輔助完成適配器、傳輸電臺等無線通信設備的有效連接，RS485接口則能夠有效連接控制器總線。RS232 接口對于裝置現場調節、操作及裝配等功能的實現具有重要作用。

為了實時監測配電箱三相電源的狀態，數據采集裝置在交流電環節設置了相應的采集接口。示功圖的接口包括采集抽油機沖次、負荷等相關參數。在報警、照明方面，借助2 個控制端口完成按鈕制動的有效控制。針對模擬量的開關中斷和采集，則依靠監控節點完成控制，節點運行參數為4～20 mA，數量為12 個，能夠實現自由調整功能。在調節過程中，如果為輸入狀態，則能夠連接流量、油溫、水壓、油壓相關參數的檢測儀表，便于實時采集、監控油井現場生產運作情況；如果為中斷狀態，則能夠從控制柜運行、報警器開啟、電機啟停機等方面完成相關設備的實時控制。

為了能夠實時監控示功圖狀態，接口數據采集以每秒50 個節點的頻率進行監測采集，持續監測時，每次都能夠超出運行周期的2.5 倍。與示功圖相似，電流圖也是按照運行周期2.5 倍以上的周期進行連續監測，接口數據采集也能夠以每秒50 個節點的頻率進行采集，而且采集器自身具備自檢模塊，能夠及時針對設備的異常情況進行報警，有效提升故障處理效率。而且采集器還與UPS 供電設備相連，能夠在停電狀況下維持正常運行狀態，確保后臺監控人員能夠實時掌握抽油機相關設備的運行狀態，實現對油井生產作業的不間斷有效監控。

在系統配置過程中，油田可以將工控機配置為監控現場情況的監控主機，主機中顯示的各類信息則來自于上述各監控節點，借助物聯通信、串口通信等方式實現現場采集控制設備與監控節點之間的數據交換，確保工控機能夠借助監控節點實現對現場設備的控制及狀態確認。

3.3 數據傳輸結構及功能

在數據傳統系統方面，該部分主要為通信傳輸鏈路，涉及油田信息中心與各油井的GPRS 裝置。在借助無線網橋進行設備網絡通信時，需要安裝相應的配套設施。一般而言，借助無線通信技術連接抽油機狀態采集裝置與后臺監控主機的過程中，通常需要借助移動通信終端以及數據傳輸電臺等配套設備。雖然無線通信能夠更加便捷、低成本地完成采油油井現場數據中心與后臺管理中心之間的通信連接，但在實際應用中也會采用有線通信方式，具體選擇需要結合油田各油井工區分別情況來設計。

在有線通信的應用中，不適合建立布局偏移、分散的油井與監控主機之間的網絡聯系，而無線通信技術則更加實用、有效。在無線通信技術的發展過程中，油田監控系統對數據采集網絡通信技術進行了優化改進，其專用通信網絡通常包括無線網橋、CDMAIX 及GPRS 等部分。

3.4 數據分析處理部分介紹

在系統軟件方面，監控系統通常需要完成多項任務的同步處理工作，油井生產作業往往會涉及采集抽油機運行數據參數、控制抽油機運行狀態及其他各項信息的處理工作。在軟件開發過程中，可以借助C 語言平臺開展，具體可以選擇庫函數較為豐富的Dynamic C 平臺，更加便捷地完成多任務系統功能設計工作。數據分析處理系統主要包括硬件和軟件兩方面，其中，硬件主要為UPS、打印機、計算機；軟件主要涉及報警、工況診斷、油井優化設計、數據分析、報表查詢、產液量分析、監控、采集等功能模塊[2]。

在軟件系統開發方面，工作人員可以借助SQL 數據庫建立系統所需的數據庫，軟件功能模塊主要涉及數據采集、數據傳輸、油井操作、油井查詢、油井控制、數據庫管理、生產數據分析處理以及賬戶管理相關模塊。在巡檢軟件運行方面，需要先初始化電腦，然后依次進行油井信息輸入、巡檢時間、內容、方式、油井數據相關信息，在巡檢周期內借助RTU、GPRS 進行數據信息交互，同步完成指令下發、數據存儲與處理工作。

移動控制終端能夠對監控中心中的功能模塊進行調用，輔助油田工作人員更加便捷地獲取油井數據、控制抽油機相關設備等，使得工作人員在移動設備的支持下，脫離控制中心完成油井監控工作。針對控制終端，工作人員需要采取模塊化的理念對軟件功能進行合理設計，包括數據中心、工作站、無線通信、數據采集終端等模塊。其中，油井口部位需要放置能夠采集油井關鍵數據參數的采集終端，借助GPRS 模塊為工作站實時或在設定時間范圍內傳輸相應格式的數據，同時完成工作站、移動終端所發布指令的接收與執行工作。

4 油井監控終端設備總體結構

遠程終端作為監控系統的核心部件（圖4），終端設備的核心處理器為C8051F120，并配有相關電路以及GPRS 模塊，具備LED 顯示、聲光報警等功能，能夠借助RS485 總線完成溫度、負荷位移、電壓、電流等油井數據信息的實時采集，并借助處理器中的算法軟件完成信息的存儲和處理工作，并借助GPRS 模塊實現數據傳輸工作，實現油井現場采集設備與遠程監控主機的聯系。設備配置有UPS 電源，能夠有效應對突發停電故障。

圖4 RTU 系統結構

系統通過RS485 總線與各參數采集傳感器共同構建了油田監控系統的數據采集模塊，RS485 總線能夠實時采集油井運行參數，實現傳感器與處理器之間的聯系，能夠在14 s 左右的油井沖程周期里完成各溫度、電壓、電流、壓力以負荷等參數的采集和傳輸工作[1]。在運行過程中，溫度和壓力傳感器的采集頻率為每秒1 次，其他傳感器的采集頻率為每秒20 次，紅外線傳感器主要用于防盜報警工作。

5 GPRS 模塊硬件設計

在構建GPRS 通信模塊的過程中，需要借助具有收發RTU功能的MC55 模塊來實現，該模塊能夠在處理基站分組數據或終端IP 包的基礎上完成數據轉發工作。該模塊具有結構精巧的特點，在滿足數據傳輸條件的基礎上還具備傳真、短消息、語音等功能，TCP/IP 協議的嵌入也使得該模塊能夠在GPRS 網絡內部完成各類Internet 服務調用工作[4]。

5.1 SIM 卡電路設計

在MC55 的應用中，還可以為其配置SIM 卡，借助SIM 卡加密數據信息并完成數據存儲工作。在引腳電平的設計方面，設計人員需要結合實際需求進行調節，通常為高電平表明SIM 卡插入后系統開始運行，反之可以配置為低電平狀態。

5.2 指示燈設計

由于MC55 GPRS 模塊僅用于數據傳輸工作，因此可以應用SYN 指示燈進行相關電路設計工作，借助該指示燈顯示模塊的運行狀態。實際配置過程中，指示燈為熄滅狀態時，表明MC55狀態為睡眠、關機相關狀態；指示燈以1200 ms 的周期持續閃爍時，表明MC55 狀態為網絡搜索或SIM 卡未插入；指示燈按照亮75 ms、滅3 s 的模式循環運行時，表明MC55 與GPRS 網絡已經相互連接；指示燈按照亮0.5 s、滅0.5 s 的模式循環運行時，表明MC55 正在通過GPRS 網絡進行數據傳輸工作；指示燈持續點亮時，表明MC55 正在接入電話。指示燈的具體電路設計如圖5 所示。

圖5 指示燈接口電路

5.3 繼電器設計

油井電機運行電流相對較高，無法直接與處理器進行連接，需要設計驅動電路（圖6）[5]。在光電隔離的基礎上，對JZC-23F 型繼電器的驅動工作需要借助晶體管實現，最終完成電機的啟停機控制。在繼電器為低電平輸出期間，光電耦合器輸出高電平，VT1 導通，使繼電器線圈導通，常開觸點閉合；光電耦合器輸出低電平，VT1 關斷，使繼電器線圈失電，常閉觸點閉合。

圖6 繼電器控制電路

6 結束語

綜上所述，油田在發展過程中需要持續引進先進的自動化技術，充分重視監控技術在油井高效開發方面的重要作用，借助自動化監控系統完成油井內部相關參數的采集、分析處理、存儲以及設備自動化控制等各項工作。在系統開發過程中，油田工作人員需要結合現場油井分布情況合理選擇通信技術方案，結合實際需求做好數據采集裝置的配置應用工作，并做好GPRS 模塊和控制終端模塊的軟、硬件設計優化工作，確保油井自動化監控系統功能的有效發揮。