宋麗梅 聞偉 劉志虎 劉鴻娜 郝存河 魏新民

1中國(guó)石油華北油田第二采油廠

2中國(guó)石油華北油田公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院

油田生產(chǎn)原油的主力設(shè)備為抽油機(jī)，抽油機(jī)正常運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生異常停電、故障停機(jī)、皮帶燒毀等各種故障而導(dǎo)致停井。由于油井地處偏遠(yuǎn)，分布分散，靠人工巡井發(fā)現(xiàn)故障停井普遍存在滯后問(wèn)題。部分油井與值班室供電線路不一致，時(shí)常出現(xiàn)“站內(nèi)有電，站外無(wú)電”現(xiàn)象，導(dǎo)致油井停電不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)；對(duì)于“出工不出力、出力成本高”的低效井，通常采取間開的方式。為實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理，降低用電成本，部分間開井在谷電時(shí)段開井，峰電時(shí)段關(guān)井。一線員工需要在凌晨關(guān)井，但該時(shí)段值班員工精神疲倦，易發(fā)生安全事故，同時(shí)還存在停井延時(shí)現(xiàn)象，延長(zhǎng)了無(wú)效開井時(shí)間，增加了電能消耗。上述問(wèn)題嚴(yán)重影響了開井時(shí)率，降低了原油采收率，因此，為了方便一線員工操作，減少巡井次數(shù)，及時(shí)有效地監(jiān)控油井工況，提高現(xiàn)場(chǎng)管理水平，研制開發(fā)了手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)組成

油井工況手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制集成模塊、供電模塊、繼電器模塊和手機(jī)終端四部分組成，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)油井故障停井、對(duì)間開井定時(shí)啟停，并具有運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)查詢等功能。

1.1 遠(yuǎn)程控制集成模塊

通過(guò)在抽油機(jī)井安裝數(shù)據(jù)采集模塊、中央處理器、無(wú)線收發(fā)模塊，將分散、偏遠(yuǎn)油井的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)實(shí)時(shí)無(wú)線遠(yuǎn)傳。

遠(yuǎn)程控制集成模塊由霍爾傳感器、接近開關(guān)、監(jiān)控報(bào)警器、中央處理器四部分組成。主要用于皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)、執(zhí)行模塊和配電箱工作狀態(tài)的采集。通過(guò)中央處理器和無(wú)線收發(fā)模塊，可在手持控制終端實(shí)現(xiàn)查詢功能[2]。

1.2 供電模塊

供電模塊由不間斷電源模塊、穩(wěn)壓模塊組成，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控供電模式、無(wú)線收發(fā)模塊供電模式、間開供電模式三種模式，系統(tǒng)供電示意圖見圖1。

圖1 穩(wěn)壓電源框架圖Fig.1 Frame diagram of voltage-stabilized source

（1）電源變壓器將交流電壓變換成整流電路所需的交流電壓，并傳送給整流電路，副邊電壓的大小決定變壓器變比。輸入交流電壓為220 V±10%，頻率50 Hz。

（2）利用二極管的單向?qū)щ娦?，?shí)現(xiàn)整流電路的主要功能，即將正弦交流電壓變換成直流脈動(dòng)電壓，如圖2 所示。

圖2 整流單元電路圖Fig.2 Circuit diagram of rectifier unit

（3）利用電容器兩端的電壓不能突變和流過(guò)電感器的電流不能突變的特點(diǎn)，濾波電路將脈動(dòng)電壓中的脈動(dòng)紋波濾掉，使輸出電壓成為較為平滑的直流電壓。

（4）經(jīng)過(guò)整流、濾波，可得到平滑穩(wěn)定的直流電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載變化時(shí)輸出電壓也隨之變化，穩(wěn)壓電路的作用就是在這兩種情況下，將輸出電壓最終穩(wěn)定在12 V。

1.3 繼電器模塊

通過(guò)安裝220 V 繼電器模塊、12 V 繼電器模塊和時(shí)間繼電器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備定時(shí)停運(yùn)、監(jiān)控報(bào)警。

（1）電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)繼電器。電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片組成。線圈加上電壓時(shí)就會(huì)流過(guò)電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力作用下克服彈簧的拉力吸向鐵芯，帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與常開觸點(diǎn)吸合。當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁吸力消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用下返回到原來(lái)位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與常閉觸點(diǎn)吸合。這樣通過(guò)吸合、釋放，實(shí)現(xiàn)電路中的導(dǎo)通、切斷。

（2）間開時(shí)間繼電器。線圈得電時(shí)，延時(shí)常閉觸頭延時(shí)斷開，延時(shí)常開觸頭延時(shí)閉合。線圈失電時(shí)，延時(shí)常閉觸頭立即恢復(fù)閉合，延時(shí)常開觸頭立即恢復(fù)斷開。即通電開始計(jì)時(shí)，達(dá)到設(shè)定時(shí)間，觸點(diǎn)狀態(tài)切換，斷電后觸點(diǎn)狀態(tài)立即恢復(fù)。也就是說(shuō)通電延時(shí)，斷電不延時(shí)。

1.4 手機(jī)終端

通過(guò)安裝GSM 模塊檢測(cè)無(wú)線遠(yuǎn)程控制情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢、接收抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)。

GSM 短信控制器是一種基于SMS 服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能夠支持用戶通過(guò)手機(jī)編輯短信、發(fā)送短信信息指令遠(yuǎn)程控制電氣設(shè)備進(jìn)行工作[3]，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守場(chǎng)所自動(dòng)化控制。主要利用無(wú)線信號(hào)控制模塊中的繼電器來(lái)達(dá)到遠(yuǎn)程操作要求。短信控制器作為一種無(wú)線遠(yuǎn)程控制設(shè)備，使用SMS 服務(wù)，使得其能夠無(wú)局域限制，通俗地講，只要有手機(jī)信號(hào)的地方，短信控制器即能實(shí)現(xiàn)通信并工作。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of remote control system

油井工況遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工作原理：當(dāng)配電箱通斷電、配電箱內(nèi)部電子器件發(fā)生故障、皮帶燒毀時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊會(huì)將相應(yīng)的報(bào)警信息傳到終端進(jìn)行報(bào)警，也可通過(guò)手機(jī)終端進(jìn)行抽油現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)查詢。在終端接收到皮帶燒毀報(bào)警時(shí)，中央處理器控制抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)在10 s 后自動(dòng)停止。若抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)到間開時(shí)間設(shè)定時(shí)限，則間開時(shí)間繼電器的觸點(diǎn)會(huì)自動(dòng)斷開，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，或者可通過(guò)手機(jī)終端經(jīng)中央處理器直接控制電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，也可通過(guò)遠(yuǎn)程關(guān)閉供電模塊停止供電，進(jìn)而使間開時(shí)間繼電器觸點(diǎn)斷開，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)[1，4]。與此同時(shí)，霍爾傳感器接收抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)信號(hào)后，經(jīng)無(wú)線收發(fā)模塊把信號(hào)傳輸?shù)浇K端進(jìn)行報(bào)警，完成抽油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控[1，4]。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 遠(yuǎn)程控制模塊

霍爾傳感器、接近開關(guān)傳感器、監(jiān)控報(bào)警器采集的皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、執(zhí)行模塊工作狀態(tài)、配電箱工作狀態(tài)等狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)中央處理器和無(wú)線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)手持終端查詢，見圖4、圖5。

圖4 霍爾傳感器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.4 Field application of hall sensor

圖5 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行Fig.5 Field operation

2.2 供電模塊

不間斷電源模塊、穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)經(jīng)遠(yuǎn)程模塊來(lái)控制抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)3 種供電模式：①監(jiān)控供電模式，供電模塊給配電箱內(nèi)電子元件供電，設(shè)備正常啟動(dòng)；②無(wú)線收發(fā)模塊供電模式，供電模塊給無(wú)線收發(fā)模塊供電，無(wú)線收發(fā)模塊開始工作；③間開供電模式，供電模塊給間開時(shí)間繼電器供電，間開時(shí)間繼電器觸點(diǎn)閉合，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

2.3 斷電器模塊

繼電器模塊可以實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)定時(shí)開、關(guān)控制。例如，在終端接收到皮帶燒毀報(bào)警的同時(shí)，中央處理器根據(jù)內(nèi)部程序控制間開時(shí)間繼電器工作，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)在幾秒后自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，防止抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸

由于該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)涉及互聯(lián)網(wǎng)，而油井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制命令極為敏感，數(shù)據(jù)卡采取中國(guó)移動(dòng)協(xié)議卡，通過(guò)短信傳輸數(shù)據(jù)，雖在主站軟件方面采取一定安全措施，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要進(jìn)一步加強(qiáng)[5-7]。

2.5 數(shù)據(jù)分析

以皮帶燒毀為例，當(dāng)出現(xiàn)皮帶燒毀問(wèn)題時(shí)，信息通過(guò)霍爾傳感器傳至中央處理器，再通過(guò)無(wú)線信息模板遠(yuǎn)傳至手機(jī)終端進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)繼電器控制電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，避免電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)[7]。

2.6 手機(jī)終端

安裝GSM 模塊后，可以通過(guò)手機(jī)接收?qǐng)?bào)警信息，利用手機(jī)短信發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程停運(yùn)。

抽油機(jī)工況手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警裝置分三個(gè)模式（現(xiàn)場(chǎng)具有切換開關(guān)）：

（1）霍爾運(yùn)行監(jiān)控模式。具有抽油機(jī)來(lái)電、停電報(bào)警提示，電氣故障、電纜防鋸斷報(bào)警提示，皮帶燒斷10 s后電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)自動(dòng)報(bào)警提示（時(shí)間可自設(shè)）。

（2）間開井模式。適用于谷電時(shí)段運(yùn)行的間開井及供液不足的間開井，根據(jù)間開井工作制度，通過(guò)設(shè)置間開時(shí)間（0～99 h），可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)停啟井功能，也具有人工遠(yuǎn)程啟停井功能，通過(guò)手機(jī)App 操作。同時(shí)具有異常情況報(bào)警功能。

（3）現(xiàn)場(chǎng)模式。當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行檢修或監(jiān)控系統(tǒng)出理故障時(shí)，可切換成現(xiàn)場(chǎng)模式，不影響抽油機(jī)的正常運(yùn)行。

2017 年華北油田采油二廠采用油井工況手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控抽油機(jī)井運(yùn)行狀態(tài)，其操作簡(jiǎn)單、實(shí)用，可有效避免員工對(duì)間開井頻繁現(xiàn)場(chǎng)操作，尤其可避免凌晨操作時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，能夠有效監(jiān)控油井運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)抽油機(jī)故障，避免了環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理，提高了油井自動(dòng)化管理水平[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于油田工況的復(fù)雜性，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)抽油機(jī)存在的實(shí)際問(wèn)題[8]。把手機(jī)終端和油井工況監(jiān)測(cè)結(jié)合在一起，屬于智慧員工的范疇，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，以較低的成本投入，可切實(shí)解決一線員工在生產(chǎn)過(guò)程中遇到的困難。油井工況手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的投用，有效地提高了機(jī)采井主要運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控水平，使管理者尤其是一線員工及時(shí)有效、方便快速地掌握油井的工作狀態(tài)。針對(duì)間開井進(jìn)行精細(xì)化管理，通過(guò)系統(tǒng)遠(yuǎn)程定時(shí)停機(jī)，降低能耗，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障停機(jī)，大大提高了開井時(shí)率，增加了油井產(chǎn)量，避免了故障停機(jī)造成的損失，極大減輕了一線員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)真正意義上的井場(chǎng)無(wú)人值守，提高油井生產(chǎn)自動(dòng)化與信息化水平，生產(chǎn)管理流程規(guī)范、高效，提供了有力的技術(shù)支持[9-10]。