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(tǒng)的支持下，油田能夠更高效地完成勘探開發(fā)工作，實現(xiàn)對人力成本的合理控制。在自動化系統(tǒng)運行過程中，監(jiān)控技術(shù)在油井中的應(yīng)用必不可少。油田可以借助油井監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對相關(guān)參數(shù)、狀態(tài)的精準(zhǔn)把控，確保各項指標(biāo)的優(yōu)化提升。隨著國內(nèi)油田開發(fā)工作的持續(xù)推進(jìn)，監(jiān)控系統(tǒng)在油田開發(fā)工作中的作用日益凸顯，油田需要持續(xù)加強(qiáng)對相關(guān)技術(shù)的研究與改進(jìn)，借助技術(shù)手段實現(xiàn)油井開發(fā)效率和質(zhì)量的提升，為企業(yè)發(fā)展獲取更多效益。

1 油井抽油機(jī)井采油原理及計算方法

在國內(nèi)油田的油井開發(fā)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(jī)。在結(jié)構(gòu)方面，該抽油機(jī)主要包括減速箱、驢頭、曲柄機(jī)構(gòu)、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(jù)相關(guān)參數(shù)來進(jìn)行，這些參數(shù)主要有壓力、位移參數(shù)、電量參數(shù)、抽油桿載荷、油井內(nèi)外溫度等。油田可以借助這些參數(shù)實現(xiàn)對油井開采工作的優(yōu)化控制，并借助自動化系統(tǒng)完成實時最優(yōu)控制。這些參數(shù)的獲取離不開監(jiān)控系統(tǒng)的支持。在載荷位移參數(shù)的支持下，油田工作人員能夠完成相關(guān)函數(shù)曲線的繪制工作，借助示功圖直觀地展示抽油機(jī)作業(yè)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(jìn)行處理[1]。

示功圖對于油井產(chǎn)液量具有一定幫助，在應(yīng)用過程中，工作人員可以在示功圖的基礎(chǔ)上，通過油管、液柱以及桿柱的三維振動模型實現(xiàn)對泵功圖和柱功圖的求解，進(jìn)而通過識別泵功圖的方式完成產(chǎn)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(xiàn)在油管、液柱及桿柱3 個方面，相關(guān)數(shù)學(xué)模型主要說明了三者之間的運動和作用關(guān)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(yīng)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(shù)，從而根據(jù)各類物理參數(shù)的變化情況和泵功圖完成抽油泵在油井下方運行指標(biāo)、參數(shù)的精準(zhǔn)診斷，進(jìn)而獲取充滿系數(shù)、沖程等關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)泵排量、油井排量的有效計算。

在計算機(jī)軟件模型的支持下，油田工作人員能夠?qū)⒌孛婀D這一存在嚴(yán)重波動問題的圖形轉(zhuǎn)化為更加實用性的示功圖（圖1），這對于精準(zhǔn)診斷抽油情況具有積極意義。

圖1 地面功圖轉(zhuǎn)換成示功圖

產(chǎn)液量的計算需要以精準(zhǔn)的油井診斷結(jié)果為依據(jù)，在生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及地面功圖等已知信息的支持下，能夠?qū)Τ橛蜋C(jī)狀態(tài)和產(chǎn)液量進(jìn)行分析計算、對抽油泵排列進(jìn)行分析，還可以結(jié)合柱桿等應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行油井作業(yè)故障情況的自動診斷。因此，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，油田工作人員需要結(jié)合實際工作需求對相關(guān)功能模型基于簡單實用的原則進(jìn)行優(yōu)化融合，具體框架如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)組成

2 油井監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案

為了確保油田開發(fā)工作的高效性，油田工作人員需要進(jìn)一步加強(qiáng)對自動化系統(tǒng)的研發(fā)和投用工作，其中，實時、精準(zhǔn)、簡單高效的監(jiān)控系統(tǒng)非常關(guān)鍵。在生產(chǎn)運作期間，油田通常需要在惡劣的環(huán)境中開展作業(yè)?？紤]到相對雜亂的油井布局，在監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計期間，油田需要盡可能基于離散分布的原則設(shè)計優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)。在控制油井生產(chǎn)作業(yè)期間，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠結(jié)合工況變化、油井環(huán)境條件變化、季節(jié)變化、通信差異性等對控制功能進(jìn)行自動調(diào)整，盡可能地提升系統(tǒng)的實時性和可靠性，同時需要避免給維護(hù)檢修工作造成困難。

在網(wǎng)絡(luò)通信方面，油田可以借助無線局域網(wǎng)實現(xiàn)對各油井監(jiān)控裝置的綜合管理，確保管理中心的終端計算機(jī)能夠借助先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)對油井現(xiàn)場采油相關(guān)信息數(shù)據(jù)的實時收集，從而實時監(jiān)控各生產(chǎn)設(shè)備在油井等相關(guān)區(qū)域的運行狀況，避免出現(xiàn)設(shè)備長期運行異常而無人發(fā)現(xiàn)的問題。在路由器、交換機(jī)等相關(guān)設(shè)備及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，油田監(jiān)控中心能夠?qū)崟r查看油井采集作業(yè)情況，進(jìn)而通過與企業(yè)網(wǎng)站連接的方式實現(xiàn)相關(guān)生產(chǎn)信息的實時共享，便于相關(guān)管理人員更精準(zhǔn)地把控現(xiàn)場情況，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 油井動化監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)控系統(tǒng)自動化在油井的實施構(gòu)建

在系統(tǒng)搭建過程中，油田可以借助RTU 采集技術(shù)、GPRS 技術(shù)、網(wǎng)橋搭建技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)及數(shù)據(jù)實時分析技術(shù)實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。相對于PLC，RTU 作為一種遠(yuǎn)程測控裝置，在實際應(yīng)用時往往在存儲容量和通信功能方面更具優(yōu)勢，下面對相關(guān)技術(shù)模塊進(jìn)行分別論述。

3.1 油井參數(shù)RTU 采集系統(tǒng)組成

在系統(tǒng)架構(gòu)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(guān)傳感器所提供的數(shù)據(jù)信息，并由GPRS/GSM 模塊實現(xiàn)通信功能。

3.2 數(shù)據(jù)采集裝置在抽油機(jī)上的應(yīng)用

在抽油機(jī)運行監(jiān)控過程中，數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有較大作用，該設(shè)備具有光電隔離的傳輸接口。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需求對RS232、RS485 接口方式等進(jìn)行自由設(shè)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(shè)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(xiàn)場調(diào)節(jié)、操作及裝配等功能的實現(xiàn)具有重要作用。

為了實時監(jiān)測配電箱三相電源的狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集裝置在交流電環(huán)節(jié)設(shè)置了相應(yīng)的采集接口。示功圖的接口包括采集抽油機(jī)沖次、負(fù)荷等相關(guān)參數(shù)。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(guān)中斷和采集，則依靠監(jiān)控節(jié)點完成控制，節(jié)點運行參數(shù)為4～20 mA，數(shù)量為12 個，能夠?qū)崿F(xiàn)自由調(diào)整功能。在調(diào)節(jié)過程中，如果為輸入狀態(tài)，則能夠連接流量、油溫、水壓、油壓相關(guān)參數(shù)的檢測儀表，便于實時采集、監(jiān)控油井現(xiàn)場生產(chǎn)運作情況；如果為中斷狀態(tài)，則能夠從控制柜運行、報警器開啟、電機(jī)啟停機(jī)等方面完成相關(guān)設(shè)備的實時控制。

為了能夠?qū)崟r監(jiān)控示功圖狀態(tài)，接口數(shù)據(jù)采集以每秒50 個節(jié)點的頻率進(jìn)行監(jiān)測采集，持續(xù)監(jiān)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(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，接口數(shù)據(jù)采集也能夠以每秒50 個節(jié)點的頻率進(jìn)行采集，而且采集器自身具備自檢模塊，能夠及時針對設(shè)備的異常情況進(jìn)行報警，有效提升故障處理效率。而且采集器還與UPS 供電設(shè)備相連，能夠在停電狀況下維持正常運行狀態(tài)，確保后臺監(jiān)控人員能夠?qū)崟r掌握抽油機(jī)相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對油井生產(chǎn)作業(yè)的不間斷有效監(jiān)控。

在系統(tǒng)配置過程中，油田可以將工控機(jī)配置為監(jiān)控現(xiàn)場情況的監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)中顯示的各類信息則來自于上述各監(jiān)控節(jié)點，借助物聯(lián)通信、串口通信等方式實現(xiàn)現(xiàn)場采集控制設(shè)備與監(jiān)控節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換，確保工控機(jī)能夠借助監(jiān)控節(jié)點實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制及狀態(tài)確認(rèn)。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)及功能

在數(shù)據(jù)傳統(tǒng)系統(tǒng)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(wǎng)橋進(jìn)行設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信時，需要安裝相應(yīng)的配套設(shè)施。一般而言，借助無線通信技術(shù)連接抽油機(jī)狀態(tài)采集裝置與后臺監(jiān)控主機(jī)的過程中，通常需要借助移動通信終端以及數(shù)據(jù)傳輸電臺等配套設(shè)備。雖然無線通信能夠更加便捷、低成本地完成采油油井現(xiàn)場數(shù)據(jù)中心與后臺管理中心之間的通信連接，但在實際應(yīng)用中也會采用有線通信方式，具體選擇需要結(jié)合油田各油井工區(qū)分別情況來設(shè)計。

在有線通信的應(yīng)用中，不適合建立布局偏移、分散的油井與監(jiān)控主機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，而無線通信技術(shù)則更加實用、有效。在無線通信技術(shù)的發(fā)展過程中，油田監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，其專用通信網(wǎng)絡(luò)通常包括無線網(wǎng)橋、CDMAIX 及GPRS 等部分。

3.4 數(shù)據(jù)分析處理部分介紹

在系統(tǒng)軟件方面，監(jiān)控系統(tǒng)通常需要完成多項任務(wù)的同步處理工作，油井生產(chǎn)作業(yè)往往會涉及采集抽油機(jī)運行數(shù)據(jù)參數(shù)、控制抽油機(jī)運行狀態(tài)及其他各項信息的處理工作。在軟件開發(fā)過程中，可以借助C 語言平臺開展，具體可以選擇庫函數(shù)較為豐富的Dynamic C 平臺，更加便捷地完成多任務(wù)系統(tǒng)功能設(shè)計工作。數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩方面，其中，硬件主要為UPS、打印機(jī)、計算機(jī)；軟件主要涉及報警、工況診斷、油井優(yōu)化設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、報表查詢、產(chǎn)液量分析、監(jiān)控、采集等功能模塊[2]。

在軟件系統(tǒng)開發(fā)方面，工作人員可以借助SQL 數(shù)據(jù)庫建立系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)庫，軟件功能模塊主要涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、油井操作、油井查詢、油井控制、數(shù)據(jù)庫管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析處理以及賬戶管理相關(guān)模塊。在巡檢軟件運行方面，需要先初始化電腦，然后依次進(jìn)行油井信息輸入、巡檢時間、內(nèi)容、方式、油井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)信息，在巡檢周期內(nèi)借助RTU、GPRS 進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，同步完成指令下發(fā)、數(shù)據(jù)存儲與處理工作。

移動控制終端能夠?qū)ΡO(jiān)控中心中的功能模塊進(jìn)行調(diào)用，輔助油田工作人員更加便捷地獲取油井?dāng)?shù)據(jù)、控制抽油機(jī)相關(guān)設(shè)備等，使得工作人員在移動設(shè)備的支持下，脫離控制中心完成油井監(jiān)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(jìn)行合理設(shè)計，包括數(shù)據(jù)中心、工作站、無線通信、數(shù)據(jù)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(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)的采集終端，借助GPRS 模塊為工作站實時或在設(shè)定時間范圍內(nèi)傳輸相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，同時完成工作站、移動終端所發(fā)布指令的接收與執(zhí)行工作。

4 油井監(jiān)控終端設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程終端作為監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件（圖4），終端設(shè)備的核心處理器為C8051F120，并配有相關(guān)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(fù)荷位移、電壓、電流等油井?dāng)?shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸工作，實現(xiàn)油井現(xiàn)場采集設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的聯(lián)系。設(shè)備配置有UPS 電源，能夠有效應(yīng)對突發(fā)停電故障。

圖4 RTU 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過RS485 總線與各參數(shù)采集傳感器共同構(gòu)建了油田監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，RS485 總線能夠?qū)崟r采集油井運行參數(shù)，實現(xiàn)傳感器與處理器之間的聯(lián)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(fù)荷等參數(shù)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(shè)計

在構(gòu)建GPRS 通信模塊的過程中，需要借助具有收發(fā)RTU功能的MC55 模塊來實現(xiàn)，該模塊能夠在處理基站分組數(shù)據(jù)或終端IP 包的基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作。該模塊具有結(jié)構(gòu)精巧的特點，在滿足數(shù)據(jù)傳輸條件的基礎(chǔ)上還具備傳真、短消息、語音等功能，TCP/IP 協(xié)議的嵌入也使得該模塊能夠在GPRS 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部完成各類Internet 服務(wù)調(diào)用工作[4]。

5.1 SIM 卡電路設(shè)計

在MC55 的應(yīng)用中，還可以為其配置SIM 卡，借助SIM 卡加密數(shù)據(jù)信息并完成數(shù)據(jù)存儲工作。在引腳電平的設(shè)計方面，設(shè)計人員需要結(jié)合實際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常為高電平表明SIM 卡插入后系統(tǒng)開始運行，反之可以配置為低電平狀態(tài)。

5.2 指示燈設(shè)計

由于MC55 GPRS 模塊僅用于數(shù)據(jù)傳輸工作，因此可以應(yīng)用SYN 指示燈進(jìn)行相關(guān)電路設(shè)計工作，借助該指示燈顯示模塊的運行狀態(tài)。實際配置過程中，指示燈為熄滅狀態(tài)時，表明MC55狀態(tài)為睡眠、關(guān)機(jī)相關(guān)狀態(tài)；指示燈以1200 ms 的周期持續(xù)閃爍時，表明MC55 狀態(tài)為網(wǎng)絡(luò)搜索或SIM 卡未插入；指示燈按照亮75 ms、滅3 s 的模式循環(huán)運行時，表明MC55 與GPRS 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)相互連接；指示燈按照亮0.5 s、滅0.5 s 的模式循環(huán)運行時，表明MC55 正在通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作；指示燈持續(xù)點亮?xí)r，表明MC55 正在接入電話。指示燈的具體電路設(shè)計如圖5 所示。

圖5 指示燈接口電路

5.3 繼電器設(shè)計

油井電機(jī)運行電流相對較高，無法直接與處理器進(jìn)行連接，需要設(shè)計驅(qū)動電路（圖6）[5]。在光電隔離的基礎(chǔ)上，對JZC-23F 型繼電器的驅(qū)動工作需要借助晶體管實現(xiàn)，最終完成電機(jī)的啟停機(jī)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(dǎo)通，使繼電器線圈導(dǎo)通，常開觸點閉合；光電耦合器輸出低電平，VT1 關(guān)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(jié)束語

綜上所述，油田在發(fā)展過程中需要持續(xù)引進(jìn)先進(jìn)的自動化技術(shù)，充分重視監(jiān)控技術(shù)在油井高效開發(fā)方面的重要作用，借助自動化監(jiān)控系統(tǒng)完成油井內(nèi)部相關(guān)參數(shù)的采集、分析處理、存儲以及設(shè)備自動化控制等各項工作。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，油田工作人員需要結(jié)合現(xiàn)場油井分布情況合理選擇通信技術(shù)方案，結(jié)合實際需求做好數(shù)據(jù)采集裝置的配置應(yīng)用工作，并做好GPRS 模塊和控制終端模塊的軟、硬件設(shè)計優(yōu)化工作，確保油井自動化監(jiān)控系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮。