廖啟新

摘 要：WiFi網(wǎng)絡(luò)近年來(lái)得到快速發(fā)展，其具有帶寬寬、部署便捷、自成體系和成本低等特點(diǎn)。采用WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)抽油機(jī)油井系統(tǒng)作為油井監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，不僅可以實(shí)現(xiàn)油井工況參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸，還可實(shí)現(xiàn)音視頻傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用云端架構(gòu)，所有的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均存儲(chǔ)于云端服務(wù)器上，通過Web服務(wù)發(fā)布到各終端。對(duì)傳統(tǒng)抽油機(jī)的游梁尾梁采用自動(dòng)調(diào)平衡裝置，通過控制其前后移動(dòng)，改變力矩調(diào)節(jié)抽油機(jī)的平衡，以達(dá)到節(jié)能。數(shù)字化控制技術(shù)將自動(dòng)平衡、電機(jī)控制、工況監(jiān)測(cè)集成為一個(gè)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)工況參數(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：WiFi網(wǎng)絡(luò)；數(shù)字化控制；抽油機(jī)

中圖分類號(hào)：TE933 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 技術(shù)背景

能源緊缺是全球共同面臨的嚴(yán)峻問題，對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，能源緊缺問題尤其嚴(yán)重，節(jié)能是我國(guó)的基本國(guó)策。目前我國(guó)抽油機(jī)的保有量在10萬(wàn)臺(tái)以上，電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘吭?5MW，年耗電量105億kWh。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在油田生產(chǎn)成本中約有1/2為電能消耗，而游梁式抽油機(jī)消耗的電能約占總電能消耗的80%。抽油機(jī)的運(yùn)行效率較低，在我國(guó)平均運(yùn)行效率僅為26%，國(guó)外平均水平為30%，年節(jié)能潛力10多億kWh。隨著世界經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，能源越來(lái)越緊缺的問題也十分突出，節(jié)能降耗是當(dāng)今世界各國(guó)亟待解決的共同難題。因此，抽油機(jī)的節(jié)能改造從來(lái)也沒有停止過步伐。

2 技術(shù)方案

2.1 基于WiFi數(shù)字化抽油機(jī)的技術(shù)方案

2.1.1 選擇游梁式抽油機(jī)、無(wú)游梁式抽油機(jī)為載體，采用數(shù)字化技術(shù)改造傳統(tǒng)游梁式抽油機(jī)和無(wú)游梁式抽油機(jī)。

2.1.2 自動(dòng)平衡移動(dòng)裝置。該裝置安裝在游梁尾部，它是由伺服電機(jī)、微型減速器、絲杠、配重、滾輪等構(gòu)成。伺服電機(jī)接受控制系統(tǒng)的指令，當(dāng)懸點(diǎn)負(fù)荷變化，電流隨之也變化，控制系統(tǒng)感知后便指令電機(jī)作順（逆）時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)配重箱向外（內(nèi)）移動(dòng)，調(diào)節(jié)力臂距離，及時(shí)獲得新的平衡，從而達(dá)到節(jié)能。

2.1.3 采用專業(yè)的傳感器。如在懸繩器上安裝壓力傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)出懸點(diǎn)負(fù)荷；在井口裝置出油管線上安裝溫度傳感器，隨時(shí)測(cè)出井下原油的溫度；在井下環(huán)形空間液面設(shè)置浮式位置傳感器，及時(shí)測(cè)量井下液面的高度；在生產(chǎn)閥門出口處安裝流量傳感器和比重傳感器，及時(shí)測(cè)出抽油機(jī)所采出的原油的產(chǎn)量以及測(cè)出所開采原油的含水量。

2.1.4 集中處理器（CPU）。CPU有著處理指令、執(zhí)行操作、控制時(shí)間、處理數(shù)據(jù)四大作用。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的抽油機(jī)生產(chǎn)過程。自動(dòng)接受各種傳感器的技術(shù)數(shù)據(jù)，通過建模和自動(dòng)綜合分析形成各種可輸出信息，并根據(jù)預(yù)先輸入的參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)抽油機(jī)的工作參數(shù)，如圖1所示。

2.1.5 WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)集中處理器形成的各類數(shù)據(jù)，通過WiFi無(wú)線傳輸，隨時(shí)傳輸技術(shù)參數(shù)和音視頻。

2.1.6 太陽(yáng)能電池。任何裝置均離不開動(dòng)力，數(shù)字化抽油機(jī)的各類傳感器同樣離不開能源，采用太陽(yáng)能光伏電池，無(wú)污染，無(wú)噪聲，無(wú)須外接電源。

2.1.7 接受系統(tǒng)。直接利用WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在辦公室內(nèi)打開電腦，輸入網(wǎng)址，即可獲得抽油機(jī)井的各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)和井場(chǎng)音視頻，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析油井是否正常，是否需要采取措施，如修井、換泵等。

2.1.8 利用電機(jī)的電參數(shù)作為信息源，據(jù)此自動(dòng)控制出最佳運(yùn)行模式。

2.2 基于WiFi數(shù)字化抽油機(jī)工作原理

2.2.1 自動(dòng)平衡技術(shù)。游梁式抽油機(jī)是一種變形的四連桿機(jī)構(gòu)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動(dòng)力就可以使抽油機(jī)連續(xù)不間斷地工作，也就是說(shuō)抽油機(jī)的節(jié)能技術(shù)取決于平衡的好壞，在平衡度為100%時(shí)，電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力。其工作原理邏輯關(guān)系圖如圖2所示。

2.2.2 數(shù)學(xué)化技術(shù)將自動(dòng)平衡、電機(jī)控制、工況監(jiān)測(cè)集成為控制系統(tǒng)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡、電機(jī)控制、工況監(jiān)測(cè)功能，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的參數(shù)還可以判斷油井的沖程沖次、懸點(diǎn)載荷等工況參數(shù)，這樣工況監(jiān)視也無(wú)須設(shè)置另外的傳感器。由于系統(tǒng)具有工況檢測(cè)與電機(jī)控制功能，可以根據(jù)工況參數(shù)實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化運(yùn)行。

2.2.3 WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。WiFi網(wǎng)絡(luò)近年來(lái)得到快速發(fā)展，具有帶寬寬、部署便捷和成本低等特點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)油井工況參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸，還可實(shí)現(xiàn)音視頻傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用云端架構(gòu)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)于云端服務(wù)器上，通過Web服務(wù)發(fā)布到終端。

2.3 關(guān)鍵性創(chuàng)新技術(shù)

2.3.1 自動(dòng)調(diào)平衡裝置。傳統(tǒng)調(diào)平衡度的方式是人工調(diào)整，需要在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，需要由3人配合，需要吊車輔助，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。同時(shí)由于地層條件、井筒工作狀況以及油井作業(yè)、工作制度等動(dòng)態(tài)因素變化的影響，抽油機(jī)的平衡狀態(tài)經(jīng)常改變，不可能經(jīng)常停車調(diào)平衡，因此發(fā)明了自動(dòng)調(diào)平衡裝置。

2.3.2 將自動(dòng)平衡、電機(jī)控制、工況監(jiān)測(cè)集成為一個(gè)整體，利用一套控制系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)這3種功能。將自動(dòng)平衡、電機(jī)控制、工況監(jiān)測(cè)集成為一個(gè)整體，各模塊之間的信息得以相互溝通，特別是不僅將電機(jī)及其控制器作為一個(gè)動(dòng)力源，還將其作為一個(gè)傳感源。采用電機(jī)控制器調(diào)節(jié)沖次等抽汲參數(shù)則非常便捷，如運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行方向、上下行電流、沖程沖次完全可以通過電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和相電流等運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出來(lái)，通過對(duì)比上下行程的電機(jī)電流還可以獲得抽油機(jī)平衡情況，從而為自動(dòng)平衡控制提供反饋信息，而自動(dòng)平衡模塊將平衡塊的位置信息提供給電機(jī)控制器，結(jié)合電機(jī)電流即可計(jì)算出懸繩負(fù)荷，節(jié)約了大量的傳感設(shè)備。傳統(tǒng)方案與本項(xiàng)目提出的方案結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖3所示。

2.3.3 采用WiFi網(wǎng)絡(luò)作為油井監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)多利用GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)油井的遠(yuǎn)程監(jiān)控，其弊端在于GPRS網(wǎng)絡(luò)帶寬較小，僅有幾十KB/s到幾百KB/s，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有限，特別是無(wú)法傳輸視頻與音頻信號(hào)，在無(wú)人區(qū)無(wú)法使用，連接于公共網(wǎng)絡(luò)上安全性較差。而WiFi網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到了幾到幾百M(fèi)B/s，帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)。采用一臺(tái)WiFi主站覆蓋10km2區(qū)域范圍內(nèi)的所有油井，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行技術(shù)參數(shù)及音視頻傳輸，且無(wú)網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)，組成的專用網(wǎng)絡(luò)不受公網(wǎng)安全威脅。

3 技術(shù)特征

基于WiFi數(shù)字化抽油機(jī)（W型曳引抽油機(jī)作為載體）自2016年5月13日安裝到中原油田采油三廠28號(hào)站W(wǎng)C77-9井試用以來(lái)，運(yùn)行正常，質(zhì)量可靠。

3.1 技術(shù)指標(biāo)

3.1.1 懸點(diǎn)負(fù)荷：30kn～220kn。

3.1.2 沖程：1m～4m（游梁抽油機(jī)），5m～7m（無(wú)游梁抽油機(jī)）。

3.1.3 沖次：3～9次/min（游梁抽油機(jī)），1～4次/min（無(wú)游梁抽油機(jī)）。

3.1.4 平衡度：95%～100%。

3.1.5 電機(jī)功率因素≥99%

3.1.6 整機(jī)電網(wǎng)污染THD≤5%

3.1.7 WiFi網(wǎng)絡(luò)帶寬達(dá)到2MB/s。

3.1.8 WiFi主站覆蓋范圍大于10km2。

3.1.9 實(shí)時(shí)工況無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸10次/min。

3.1.10 遙控遙測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守。

3.2 性能特征

3.2.1 節(jié)能效果顯著。原游梁式抽油機(jī)電機(jī)功率為45kW，本機(jī)為22kW，功率配備下降51%。

3.2.2 減排。原游梁式抽油機(jī)噪聲標(biāo)準(zhǔn)為87dB，而本機(jī)為54dB，降低33dB，下降39%；全機(jī)不用潤(rùn)滑油，無(wú)污染。

3.2.3 提高效率。采用稀土永磁外轉(zhuǎn)子同步電機(jī)與數(shù)字化控制系統(tǒng)配套，刪除減速傳動(dòng)裝置，精減曲柄四連桿機(jī)構(gòu)，采用長(zhǎng)沖程低沖次工作方式，系統(tǒng)效率提高20%。

3.2.4 控制自動(dòng)化。能自動(dòng)計(jì)量日耗電量、采液量、示功圖、壓力、溫度、系統(tǒng)效率分析、自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行平衡率、自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)電流達(dá)到最佳節(jié)能狀態(tài)。

3.2.5 管理智能化。抽油機(jī)即時(shí)工況，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況隨時(shí)通過WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端設(shè)備，遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)現(xiàn)遙控遙測(cè)。

3.2.6 無(wú)線傳輸自成體系。采用WiFi無(wú)線傳輸，無(wú)須單獨(dú)布線，不受其他網(wǎng)絡(luò)干擾，自成體系，維護(hù)簡(jiǎn)單，不用繳費(fèi)。

3.2.7 計(jì)量準(zhǔn)確。采集數(shù)據(jù)精度準(zhǔn)確率高，對(duì)耗電量，采液量等自動(dòng)計(jì)量，自動(dòng)生成報(bào)表，便于統(tǒng)計(jì)管理，避免人為誤差。

3.2.8 大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。工人在值班室值班同時(shí)可對(duì)若干臺(tái)抽油機(jī)集中監(jiān)控，節(jié)省大量勞動(dòng)力，壓降采油成本。

結(jié)論

綜上所述，基于WiFi數(shù)字化抽油機(jī)具有控制自動(dòng)化、管理智能化、無(wú)線傳輸自成體系、計(jì)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，是節(jié)能、減排、高效、控制自動(dòng)化新產(chǎn)品，其技術(shù)先進(jìn)可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]戴志宏.數(shù)字化抽油機(jī)在長(zhǎng)慶油田采油六廠的應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（9）：94-97.

[2]北京艾匯商科技有限公司.GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)油井遠(yuǎn)程監(jiān)控[Z].技術(shù)報(bào)告，2014年I版.

[3]廖大林，楊進(jìn)京，白億平，等.[J]，石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（7）：73-77.

[4]唐任遠(yuǎn)，安忠良，赫榮富.高效永磁電動(dòng)機(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電氣技術(shù)，2008，23（9）：1-6.

專利項(xiàng)目：國(guó)家發(fā)明專利“M型曳引數(shù)字化抽油機(jī)”（ZL2013105871894）。