薛小寶，屈文強(qiáng)，甄 浩，馬江波，賀可可，李 剛

(1.陜西延長(zhǎng)石油股份有限公司杏子川采油廠 勘探開(kāi)發(fā)研究所，陜西 延安 717400；2.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048)

由于油層開(kāi)發(fā)整體不斷趨向老齡化，抽油機(jī)抽汲能力遠(yuǎn)大于油井的滲透能力，油泵空抽及其造成的電能大量浪費(fèi)、抽油機(jī)壽命縮短問(wèn)題持續(xù)惡化，嚴(yán)重時(shí)破壞井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)及原有壓力平衡，致使油井提前枯竭。同時(shí)，油田現(xiàn)場(chǎng)還存在抽油機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷實(shí)時(shí)性差、可靠性低等問(wèn)題。這不僅危害采油生產(chǎn)安全，降低油田生產(chǎn)能力，給國(guó)家和油田企業(yè)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失，也給油田企業(yè)及社會(huì)的穩(wěn)定與和諧發(fā)展造成嚴(yán)重影響。

目前節(jié)能技術(shù)主要從節(jié)能電機(jī)的匹配、無(wú)功補(bǔ)償、抽油機(jī)平衡調(diào)整、變頻控制系統(tǒng)改造、降低運(yùn)行負(fù)荷等方面著手，但低滲透油田典型的低產(chǎn)液特性限制了常規(guī)節(jié)能改造技術(shù)，常規(guī)節(jié)能改造技術(shù)的特點(diǎn)是噸液能耗高、系統(tǒng)效率低，不能有效解決油泵空抽造成的電能浪費(fèi)問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，為了提高抽油機(jī)的舉升效率，降低能耗，該研究通過(guò)數(shù)據(jù)采集、分析和綜合應(yīng)用，形成了一套智能節(jié)能抽油機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了抽油機(jī)的優(yōu)化控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)控系統(tǒng)由后臺(tái)PC、以數(shù)字信號(hào)處理器和單片機(jī)結(jié)構(gòu)為核心的智能測(cè)控裝置和GPRS通信模塊組成。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化抽油節(jié)能測(cè)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)采用PC作為整個(gè)系統(tǒng)的高層管理設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理單臺(tái)或多臺(tái)抽油機(jī)的工作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)諸如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、分類統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)保護(hù)、實(shí)時(shí)報(bào)警、信息查詢等功能。同時(shí)工作人員可以通過(guò)后臺(tái)PC對(duì)抽油機(jī)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的遠(yuǎn)程啟、?？刂?。下位機(jī)采用以DSP+MCU為核心的智能測(cè)控裝置作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)全電量的監(jiān)測(cè)計(jì)量，對(duì)抽油機(jī)自適應(yīng)間抽控制的準(zhǔn)確實(shí)施以及對(duì)抽油機(jī)系統(tǒng)的故障保護(hù)；同時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及信息通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊上傳給監(jiān)控中心后臺(tái)PC，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管控。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能化抽油節(jié)能測(cè)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制柜

該測(cè)控系統(tǒng)中的控制柜包括核心測(cè)控裝置和控制柜內(nèi)部接線。控制柜與驅(qū)動(dòng)電機(jī)以三相三線連接，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相電壓送到核心測(cè)控裝置的電壓采集口，通過(guò)電流互感器將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相電流變換為合適的電流，送到核心測(cè)控裝置的電流采集口。通過(guò)主回路上塑殼斷路器的分合對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟停控制；核心測(cè)控裝置通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出給繼電器，繼電器控制電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，完成電機(jī)的控制。由電網(wǎng)為電機(jī)和控制柜內(nèi)部提供電源；經(jīng)過(guò)380 V/220 V變壓器向核心測(cè)控裝置供電。智能化抽油節(jié)能控制柜內(nèi)部接線圖如圖2所示。

圖2 智能化抽油節(jié)能控制柜內(nèi)部接線圖

由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)是油井的動(dòng)力源，所以該測(cè)控系統(tǒng)由控制柜控制抽油機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并通過(guò)控制柜傳輸數(shù)據(jù)。在實(shí)際工作中，電機(jī)由380 V交流電供電，主電路配有一個(gè)塑殼斷路器(型號(hào)CM1-63LP/3320)和一個(gè)電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)(型號(hào)CD2-63/DC220V)，電機(jī)可通過(guò)塑殼斷路器手動(dòng)啟停，核心測(cè)控裝置通過(guò)電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)控制電機(jī)的啟停；電機(jī)信號(hào)開(kāi)關(guān)量的采集是通過(guò)繼電器(型號(hào)JQX-10F-2Z)的輔助觸點(diǎn)接入核心測(cè)控裝置開(kāi)關(guān)量輸入電路完成的；電壓采集電路和電流采集電路與核心測(cè)控裝置的電壓和電流輸入電路相連，完成電機(jī)模擬量的采集和監(jiān)控；根據(jù)采集的電氣參數(shù)輸出控制信號(hào)，然后通過(guò)繼電器將開(kāi)關(guān)量輸出給電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，完成間歇抽油控制和故障時(shí)的動(dòng)作。

2.2 智能化抽油節(jié)能核心測(cè)控裝置

該測(cè)控系統(tǒng)中智能抽油機(jī)節(jié)能核心測(cè)控裝置的原理設(shè)計(jì)如圖3所示，由游梁式抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電參數(shù)處理單元(A)、游梁式抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電參數(shù)及其他信號(hào)量檢測(cè)單元(B)和輸出執(zhí)行單元(C)三部分組成，分別通過(guò)相應(yīng)的接口與游梁式抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電參數(shù)處理單元相連。

圖3 智能化抽油節(jié)能核心測(cè)控裝置原理圖

2.2.1 測(cè)控裝置的輸入、輸出部分

1)模擬信號(hào)采集部分

系統(tǒng)模擬量主要為抽油機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相電流、電壓，經(jīng)過(guò)精密測(cè)量互感器HPT304和HCT255(西安橫山微型互感器研究所生產(chǎn))二次隔離變換，再經(jīng)過(guò)模擬量調(diào)理電路進(jìn)行濾波、去噪、幅值變換，最終輸入DSP系統(tǒng)模塊進(jìn)行處理。

2)開(kāi)關(guān)量輸入部分

開(kāi)關(guān)量輸入主要用來(lái)采集外部開(kāi)關(guān)信號(hào)，判斷抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。采用光電耦合器TLP181將外部輸入信號(hào)進(jìn)行隔離后輸入CPLD邏輯與組合回路，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾性，避免外部輸入回路對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的干擾。

3)控制量輸出部分

系統(tǒng)輸出控制4個(gè)繼電器，其中一個(gè)繼電器完成抽油機(jī)啟動(dòng)控制，一個(gè)進(jìn)行抽油機(jī)電機(jī)保護(hù)，一個(gè)進(jìn)行電容器補(bǔ)償控制，一個(gè)進(jìn)行抽油機(jī)啟動(dòng)前預(yù)報(bào)警。由單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出控制命令，經(jīng)過(guò)CPLD進(jìn)行邏輯運(yùn)算和鎖存后，通過(guò)TLP127進(jìn)行光電隔離后輸出給控制繼電器。

2.2.2 核心處理部分

核心處理部分主要由電參量采集處理、系統(tǒng)管理及控制、系統(tǒng)外部邏輯擴(kuò)展3個(gè)部分構(gòu)成。該部分將采集信號(hào)進(jìn)行處理后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置完成系統(tǒng)功能。

1)DSP系統(tǒng)模塊

DSP系統(tǒng)模塊采用計(jì)量芯片ATT7002C，作為專用的高精度防盜電三相電能計(jì)量芯片，主要完成三相電壓、三相電流的采樣，預(yù)留一路用于完成零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣；芯片支持純軟件校表，有效提高了采樣精度。通過(guò)SPI接口與外部系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。

2)單片機(jī)系統(tǒng)模塊

單片機(jī)系統(tǒng)模塊采用dsPIC30F6014A芯片，它集單片機(jī)的控制功能和數(shù)字信號(hào)處理器的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐量于一體，具備強(qiáng)大的外圍設(shè)備和快速中斷處理能力。該芯片主要完成整個(gè)系統(tǒng)的管理、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理及控制功能。

3)系統(tǒng)外部邏輯擴(kuò)展CPLD

該系統(tǒng)采用Altera公司MAX7000系列產(chǎn)品的EPM7128STC100-10型CPLD，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行I/O擴(kuò)展，通過(guò)SPI總線完成單片機(jī)系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、M41T94及液晶之間的連接；運(yùn)用CPLD豐富的I/O口資源完成4路繼電器控制輸出，12路開(kāi)關(guān)量輸入以及按鍵模塊和狀態(tài)指示的輸入和輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理；利用譯碼技術(shù)輸出片選信號(hào)，防止由于電氣干擾引起的誤碼導(dǎo)致誤動(dòng)作，提高系統(tǒng)控制的可靠性。

2.2.3 通信部分

為了方便與上位機(jī)通信，測(cè)控裝置作為下位機(jī)，通過(guò)擴(kuò)展專用通信芯片，實(shí)現(xiàn)基于RS-232和RS-485兩種標(biāo)準(zhǔn)通信接口，為該裝置與后臺(tái)上位機(jī)或多個(gè)裝置的級(jí)聯(lián)提供了物理基礎(chǔ)。當(dāng)單臺(tái)裝置與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，可選擇RS-232或RS-485方式，多臺(tái)裝置進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)選擇RS-485方式。

2.2.4 人機(jī)接口部分

在保證系統(tǒng)功能的前提下，提供良好的人機(jī)接口，保證工作人員能夠及時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行人工干預(yù)。

1)液晶顯示

液晶顯示模塊采用帶有中文字庫(kù)的128×64點(diǎn)陣型液晶顯示器。為了節(jié)省單片機(jī)系統(tǒng)的I/O口，同時(shí)提高系統(tǒng)的抗干擾性，采用串行方式，將CPLD通過(guò)高速光電隔離器后與液晶模塊相連，單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)CPLD控制液晶模塊進(jìn)行參數(shù)顯示。

2)按鍵控制及運(yùn)行狀態(tài)顯示

按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、參數(shù)設(shè)置的功能，是人工干預(yù)的主要手段。智能化抽油核心測(cè)控裝置使用非編碼鍵獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)，利用硬件防抖，采用循環(huán)掃描方式。功能鍵有復(fù)位、確認(rèn)、退出、加鍵、減鍵。4個(gè)功能鍵產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)TLP181耦合后直接送給CPLD。2個(gè)指示燈顯示系統(tǒng)通信或故障狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

該智能化抽油節(jié)能測(cè)控裝置的軟件設(shè)計(jì)主要包括:①主程序設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)初始化，調(diào)用各子程序；②讀取并處理抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電氣參數(shù)，測(cè)量并計(jì)算抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)的電流、電壓、有功功率等參數(shù)；③間抽控制程序和間抽時(shí)間修正子程序判斷電流信號(hào)和有功功率信號(hào)特征是否出現(xiàn)，并根據(jù)自適應(yīng)修正算法修正間抽時(shí)間，從而確定最佳間抽時(shí)間，最終輸出控制信號(hào)給電機(jī)；④抽油機(jī)電機(jī)保護(hù)程序，完成啟動(dòng)保護(hù)、速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)高或過(guò)低電壓保護(hù)等功能。各部分的程序流程如圖4～圖8所示。

圖4 主程序流程圖

圖5 電參量讀取并處理子程序流程圖

圖6 電機(jī)保護(hù)子程序流程圖

圖7 抽油機(jī)間開(kāi)控制子程序流程圖

圖8 抽油機(jī)間開(kāi)時(shí)間修正子程序流程圖

圖4是整套測(cè)控系統(tǒng)的主程序流程圖，通過(guò)開(kāi)啟初始化程序和封面顯示程序進(jìn)入主界面，通過(guò)調(diào)用電氣參數(shù)讀取和處理子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)抽油機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電氣參數(shù)的采集和處理功能，之后遙控信號(hào)和遙信控制處理程序?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)量的采集和控制輸出，空抽時(shí)發(fā)出抽油機(jī)控制信號(hào)，故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該測(cè)控系統(tǒng)在延長(zhǎng)油田杏子川采油廠314井組、313井組進(jìn)行了試驗(yàn)和跟蹤測(cè)試,系統(tǒng)安裝前后節(jié)能效果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在不影響產(chǎn)量的前提下安裝該測(cè)控系統(tǒng)可節(jié)電30%以上，不僅節(jié)約了大量的電能，提高了抽油機(jī)工作效率，同時(shí)解決了空抽時(shí)的機(jī)械磨損和液積問(wèn)題，故障判定準(zhǔn)確率≥80%，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，并預(yù)計(jì)3年收回成本，使杏子川采油廠獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。

表1 杏子川采油廠21口井節(jié)能統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

該研究將抽油系統(tǒng)電參數(shù)賦予別樣的含義，提出了以地面電力能耗預(yù)測(cè)井筒油液量的新方法，利用所設(shè)計(jì)的智能化抽油節(jié)能測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“有油就抽，無(wú)油就停”。系統(tǒng)成功應(yīng)用于延長(zhǎng)油田杏子川采油廠，經(jīng)過(guò)一年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效解決油泵空抽導(dǎo)致的電能浪費(fèi)問(wèn)題，節(jié)電率30%以上，大大提高了機(jī)采效率，同時(shí)具有工作可靠性強(qiáng)、操作方便等優(yōu)勢(shì),證明了間抽控制應(yīng)用在數(shù)字化油田的必要性、可行性，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗提供了一種新思路。