鄭 飛 張會森 閆蘇斌 賈銀娟 余洪林

中國石油長慶培訓中心，陜西 西安 710021

0 前言

長慶油田公司在推進油田數(shù)字化管理的過程中，全面推進地面設施的遠程管理。通過使用新技術及研發(fā)新裝備最終實現(xiàn)采油作業(yè)的全自動化、智能化、網(wǎng)絡化管理。抽油機是采油作業(yè)中最主要的地面設備及耗能大戶，國內(nèi)外圍繞抽油機的自動化、數(shù)字化改造做了大量工作［1～3］。長慶油田公司機械制造總廠自主研發(fā)的數(shù)字化抽油機，集油井監(jiān)控技術和變頻控制技術于一體，將數(shù)字化管理與節(jié)能技術相結合，具備了智能調(diào)節(jié)沖次、自動調(diào)節(jié)平衡、油井工況智能診斷與計量及遠程啟?？刂频裙δ埽?～5］。

1 數(shù)字化抽油機控制系統(tǒng)組成

數(shù)字化抽油機控制系統(tǒng)由井口RTU（遠程終端控制器）控制和增壓站站控系統(tǒng)遠程控制兩部分組成，其控制系統(tǒng)整體結構見圖1。

1.1 傳感器

通過載荷傳感器、位移傳感器、電流互感器等實現(xiàn)載荷、位移以及電參數(shù)的實時采集與傳輸。

1.2 變頻器

通過變頻器改變電流頻率，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)抽油機沖次目的，實現(xiàn)電機的軟啟動及多項保護功能。

1.3 平衡調(diào)節(jié)裝置

由平衡塊、絲杠、電機和平衡臂組成，根據(jù)RTU的指令，調(diào)節(jié)平衡塊的力臂來自動調(diào)節(jié)抽油機平衡。

1.4 遠程啟停模塊

接收站控系統(tǒng)指令，實現(xiàn)抽油機遠程啟停。

1.5 井口RTU

接收傳感器送來的載荷、位移、電參及抽油機啟停狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過控制軟件實現(xiàn)沖次與平衡的邏輯運算與智能控制；并通過無線通訊模將井口數(shù)據(jù)上傳，實現(xiàn)本機與站控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 數(shù)字化抽油機控制系統(tǒng)整體結構

1.6 井場通訊設備

井場電桿上安裝一個井場無線模塊及一個串口聯(lián)網(wǎng)服務器，其中井場無線模塊負責與井場內(nèi)的井口RTU建立通訊連接，串口聯(lián)網(wǎng)服務器把井場無線模塊的串口信號變成TCP/IP格式連接到無線網(wǎng)橋，通過無線網(wǎng)橋建立井場和增壓站站控系統(tǒng)的通訊連接。

1.7 站控系統(tǒng)軟件

增壓站內(nèi)工控機的站控系統(tǒng)軟件分三部分：

a）RTU驅(qū)動軟件，通過工控機—站內(nèi)無線網(wǎng)橋—井場無線網(wǎng)橋—串口聯(lián)網(wǎng)服務器—井場無線模塊—井口RTU建立的通訊鏈路，完成對單井的信息采集和控制命令發(fā)送。

b）標準站控軟件，完成單井信息的顯示，提供操作界面。

c）功圖分析及計量軟件，接收RTU驅(qū)動軟件提供的數(shù)據(jù)，對功圖進行分析，得出功圖分析結果和產(chǎn)液量。

2 數(shù)字化抽油機關鍵控制技術

2．1 抽油機最佳沖次判定及調(diào)節(jié)技術

自動監(jiān)測并實時顯示抽油機的沖次?？梢允謩訜o級調(diào)節(jié)沖次；也可由井口RTU根據(jù)功圖反映的油井產(chǎn)液量大小，自動尋找最佳沖次；也可由站控系統(tǒng)推薦最佳沖次，即按照工控機指令，將抽油機調(diào)節(jié)到最佳沖次。數(shù)字化抽油機沖次、平衡調(diào)節(jié)面板見圖2。

圖2 數(shù)字化抽油機沖次、平衡調(diào)節(jié)面板

2.1.1 手動沖次調(diào)節(jié)

將“沖次調(diào)節(jié)”旋鈕旋至“手動”，轉(zhuǎn)動“手動沖次調(diào)節(jié)”旋鈕。向右旋轉(zhuǎn)沖次增加，向左旋轉(zhuǎn)沖次減小。

2.1.2 自動沖次調(diào)節(jié)

將“沖次調(diào)節(jié)”旋鈕旋轉(zhuǎn)至“自動”，沖次由RTU進行自動控制。沖次自動調(diào)節(jié)模式下，手動沖次調(diào)節(jié)無效。

自動調(diào)節(jié)沖次模式下，井口RTU根據(jù)產(chǎn)液量的大小，利用沖次優(yōu)化算法自動計算出最優(yōu)沖次，利用變頻器自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使抽油機沖次調(diào)整到最合理狀態(tài)。該算法是利用地面光桿示功圖，找到其與泵功圖的映射關系，確定出油井產(chǎn)液量與抽油機沖次間的關系，來判定抽油機的合理沖次，并將抽油機沖次調(diào)整到最佳沖次。在保證產(chǎn)液量的情況下，沖次調(diào)整到最小，達到最佳節(jié)能效果。

RTU沖次判定軟件使抽油機沖次調(diào)節(jié)實現(xiàn)了單機閉環(huán)運行，有效地解決了由于網(wǎng)絡故障而無法從站控系統(tǒng)取得產(chǎn)液量數(shù)據(jù)進行沖次判斷的問題，對邊緣井最佳沖次判定及調(diào)節(jié)尤其重要。

2．2 抽油機平衡度自動判定及調(diào)節(jié)技術

自動監(jiān)測并實時顯示抽油機的平衡狀況，可手動或自動將抽油機調(diào)整到最佳平衡狀況，降低峰值電流，達到保護減速器和節(jié)能的目的。自動調(diào)節(jié)平衡的數(shù)字化抽油機見圖3。

圖3 自動調(diào)節(jié)平衡的數(shù)字化抽油機

2.2.1 手動平衡調(diào)節(jié)

將“平衡調(diào)節(jié)”旋鈕旋至“手動”，轉(zhuǎn)動“手動平衡調(diào)節(jié)”旋鈕。伸長：抽油機尾平衡塊向遠離驢頭方向運動，平衡重力矩變大；縮短：抽油機尾平衡塊向驢頭方向運動，平衡重力矩變小。

2.2.2 自動平衡調(diào)節(jié)

將“平衡調(diào)節(jié)”旋鈕旋至“自動”，平衡由RTU進行自動控制。平衡自動調(diào)節(jié)模式下，手動平衡調(diào)節(jié)無效。

抽油機平衡自動判定采用電功率平衡法（Q/SY 1233-2009），通過EDA電能監(jiān)測模塊，實時獲取抽油機上下沖程的電流及電功率，經(jīng)過RTU運算電路分析計算得到平衡度，控制電路根據(jù)計算結果控制伺服電機旋轉(zhuǎn)，帶動平衡塊在游梁上往復移動，改變平衡重力矩，實現(xiàn)抽油機平衡調(diào)節(jié)。平衡調(diào)節(jié)過程自動完成，提高了調(diào)參時效性，減輕了員工勞動強度，降低了安全風險。

2．3 功圖法油井工況診斷及計量技術

在抽油機上安裝載荷、位移傳感器，采集載荷、位移數(shù)據(jù)。通過載荷、位移關系曲線即示功圖反映油井的工作狀況和產(chǎn)油狀態(tài)，能及時發(fā)現(xiàn)卡桿、斷桿等故障及單井計量，減輕工人巡井的工作量。

功圖法油井工況診斷與計量技術是基于桿、管、泵三維振動學原理，從反映抽油系統(tǒng)有桿泵工況的地面實測示功圖（載荷、位移數(shù)據(jù)）入手，把定向井有桿泵抽油系統(tǒng)視為一個復雜的三維振動系統(tǒng)（包含抽油桿、油管和液柱三個振動子系統(tǒng)），結合油井數(shù)據(jù)，研究建立了定向井有桿泵抽油系統(tǒng)的力學、數(shù)學模型及算法，計算在不同示功圖激勵下的泵功圖響應，采用矢量特征法對泵功圖進行分析，對故障進行識別診斷，確定出抽油泵的有效沖程，計算出油井產(chǎn)液量。功圖法油井工況診斷及計量技術原理見圖4。

2．4 抽油機電參采集及啟停控制

在抽油機井口RTU機柜配套電流互感器，監(jiān)測抽油機電機三相電流/電壓參數(shù)變化情況，監(jiān)視抽油機運行狀態(tài)，對電機缺相、過載、空轉(zhuǎn)等故障實現(xiàn)自動報警，并能接站控系統(tǒng)指令實現(xiàn)抽油機遠程啟停控制。遠程啟停時，站控軟件發(fā)送的命令通過無線網(wǎng)橋傳輸?shù)骄赗TU，RTU通過RS 485通訊線把命令傳給啟停模塊，將啟停模塊的接線端子與電機柜的啟動按鈕并聯(lián)，實現(xiàn)抽油機的遠程啟動控制；與停止按鈕串聯(lián)，實現(xiàn)抽油機電機遠程停止控制。

圖4 功圖法油井工況診斷及計量技術原理

3 結語

數(shù)字化抽油機控制技術的成功運用，最大限度地降低了一線員工的勞動強度并減少了一線員工的用工總量；同時減少了安全隱患，節(jié)約了能源，提高了采油效率。數(shù)字化抽油機控制技術使采油作業(yè)現(xiàn)場操作實現(xiàn)了從傳統(tǒng)人工方式向自動化、數(shù)字化管理方式的重大變革。

［1］Fink K，劉先剛.計算機控制系統(tǒng)簡化試井/監(jiān)控［J］.天然氣與石油，1996，14（2）：64-66.

［2］徐 勇，封宜剛，劉培橋，等.油井數(shù)字化監(jiān)控在計量及節(jié)能中的應用［J］.油氣田地面工程，2010，29（4）：66-67.

［3］楊 茂，牟 健，劉 兵.管理數(shù)字化施工管理［J］.天然氣與石油，2010，28（3）：1-4.

［4］張會森，閆蘇斌，賈銀娟，等.長慶油田數(shù)字化采油技術［J］.油氣田地面工程，2011，30（1）：1－4.

［5］冉新權，朱天壽.油氣田數(shù)字化管理［M］.北京：石油工業(yè)出社，2011.97-100.