李兵元?吳斌?李愷?馬驥

摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外油田低產(chǎn)井開采數(shù)量不斷增加的現(xiàn)狀，為滿足采油生產(chǎn)的需要，在油田開始推廣低沖次抽油機(jī)，實(shí)現(xiàn)了低沖次采油，可以降本增效，并有效避免空抽。但在實(shí)際工作中，測(cè)量油井井下泵工作情況的一體化示功儀，尤其是采用了加速度式采集位移的一體化示功儀采出的功圖，存在功圖亂，沖程、沖次算不準(zhǔn)，圖形不標(biāo)準(zhǔn)等異常問題，為了解決這些問題，通過軟件和硬件相結(jié)合，并采用新的算法，優(yōu)化了一體化無線示功儀的設(shè)計(jì)，提升了性能，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，能夠采集到正確的功圖，滿足油田生產(chǎn)和管理工作的需要。

關(guān)鍵詞：低沖次；示功儀；節(jié)能增效

一、前言

隨著油田開發(fā)的推移，我國(guó)大多數(shù)油田已進(jìn)入開發(fā)的中后期，低產(chǎn)井開采數(shù)量不斷增加。目前，國(guó)內(nèi)普通游梁式抽油機(jī)受電機(jī)和減速比的限制，沖次最低只能達(dá)到4/min，有的機(jī)型最低達(dá)到6/min，導(dǎo)致低產(chǎn)井普遍出現(xiàn)空抽現(xiàn)象。常規(guī)機(jī)型應(yīng)用于供液不足的低產(chǎn)油井，不僅產(chǎn)量低，而且功率消耗大，油管、抽油桿、抽油泵磨損嚴(yán)重，降低了使用壽命。低沖次抽油機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、操作維護(hù)方便、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，全國(guó)各地油田對(duì)長(zhǎng)沖程、低沖次抽油機(jī)的需求大幅度增加。目前，在低沖次抽油機(jī)上應(yīng)用的傳統(tǒng)一體化無線示功儀，存在采集功圖亂，沖程、沖次算不準(zhǔn)，圖形不標(biāo)準(zhǔn)等異常問題，主要原因是示功儀內(nèi)部數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單和精度不夠。在西北地區(qū)，冬季低溫時(shí)，無線示功儀有時(shí)無法采集功圖或無法完整傳輸功圖數(shù)據(jù)，導(dǎo)致后臺(tái)無功圖，功圖間隔出現(xiàn)等異常問題。這種故障的發(fā)生主要是由于低溫下電池放電性能下降及電容的性能下降造成的。為了解決現(xiàn)有一體化示功儀上述存在的問題，需要從硬件和軟件兩方面進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，使其能夠滿足低沖次抽油機(jī)的需求。

二、總體設(shè)計(jì)

（一）加速度式示功儀硬件架構(gòu)

無線加速度式示功儀通常由電源系統(tǒng)、存儲(chǔ)、微處理器、加速度傳感器、載荷傳感器、通信模組及交互用的指示燈、按鈕、干簧管等組成，在微控制器的控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)加速度、載荷數(shù)值采集、運(yùn)算處理、存儲(chǔ)、無線通信等功能。

（二）模塊及功能設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)包含電池或電池組、保護(hù)電路、電源芯片，主要用于為整個(gè)系統(tǒng)提供所需電源。

微控制單元（MCU）作為示功儀的核心控制單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、計(jì)算、控制、存儲(chǔ)和通信等多項(xiàng)功能。

傳感器部分包含載荷傳感器和加速度傳感器。

載荷傳感器是一種用于測(cè)量物體受力情況的傳感器。它可以測(cè)量受力物體所受的壓力、重量或負(fù)荷，并將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)輸出。它使用一種稱為應(yīng)變片的薄而靈敏的金屬片或電阻片，放置在金屬塊內(nèi)部。當(dāng)金屬塊受到外力或負(fù)荷時(shí)，應(yīng)變片會(huì)發(fā)生微小的形變，即產(chǎn)生應(yīng)變。這種形變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片內(nèi)部電阻發(fā)生變化，進(jìn)而改變電阻值，影響基準(zhǔn)電壓在該電阻上的電壓分量。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）采集該電壓，經(jīng)過計(jì)算獲得金屬塊所受壓力。

加速度傳感器是一種測(cè)量物體加速度的傳感器。它可以檢測(cè)和測(cè)量物體在三維空間中的線性加速度，即物體在某個(gè)方向上的速度變化率。在示功儀應(yīng)用中，主要計(jì)算示功儀實(shí)時(shí)位移。

通信模塊主要作用為將采集到的功圖數(shù)據(jù)上傳，在測(cè)試環(huán)節(jié)可以提供原始數(shù)據(jù)發(fā)送。存儲(chǔ)模塊用來存儲(chǔ)功圖計(jì)算的過程數(shù)據(jù)和配置參數(shù)。

按鍵（干簧管）、指示燈等作為示功儀的人機(jī)交互界面，在戶外的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要滿足高防護(hù)等級(jí)，以及機(jī)械碰撞等惡劣使用環(huán)境下的使用要求，主要通過磁棒觸發(fā)、按鍵短按長(zhǎng)按等方式實(shí)現(xiàn)輸入操作，通過指示燈的亮滅，甚至閃爍頻率實(shí)現(xiàn)操作過程及狀態(tài)的反饋。

每個(gè)模塊所實(shí)現(xiàn)的功能如表1所示。

（三）程序流程設(shè)計(jì)

示功儀的運(yùn)行過程存在多個(gè)狀態(tài)的切換，通常采用狀態(tài)機(jī)模型描述，可以分為以下幾個(gè)狀態(tài)。

喚醒狀態(tài)：示功儀從休眠或關(guān)機(jī)狀態(tài)中被喚醒，此時(shí)示功儀準(zhǔn)備進(jìn)行工作。在喚醒狀態(tài)下，示功儀會(huì)檢測(cè)并初始化各個(gè)功能模塊和接口，確保正常運(yùn)行。

低功耗休眠狀態(tài)：示功儀在一段時(shí)間內(nèi)沒有操作或需要降低功耗時(shí)，會(huì)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。在該狀態(tài)下，示功儀會(huì)關(guān)閉一些不必要的電路或進(jìn)入低功耗模式，以節(jié)省能量并延長(zhǎng)電池壽命。示功儀可以通過喚醒信號(hào)或按鍵觸發(fā)來退出低功耗休眠狀態(tài)。

等待響應(yīng)狀態(tài)：當(dāng)示功儀處于工作狀態(tài)但沒有正在進(jìn)行的測(cè)量任務(wù)時(shí)，它會(huì)進(jìn)入等待響應(yīng)狀態(tài)。在該狀態(tài)下，示功儀可能等待用戶輸入或接收其他設(shè)備的命令。例如，用戶可以通過按鍵選擇測(cè)量模式或參數(shù)，或者計(jì)算機(jī)給示功儀發(fā)送命令啟動(dòng)測(cè)量任務(wù)。

數(shù)據(jù)采集狀態(tài)：示功儀進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)后，開始進(jìn)行具體的功率測(cè)量工作。它會(huì)與被測(cè)電路或裝置連接，并通過測(cè)量電流、電壓等參數(shù)來獲取數(shù)據(jù)。示功儀會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣率和時(shí)間窗口采集一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)，以用于后續(xù)的功率計(jì)算和分析。

數(shù)據(jù)處理狀態(tài)：在數(shù)據(jù)采集完成后，示功儀會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理狀態(tài)。它會(huì)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、均值計(jì)算、功率計(jì)算等操作，以得到準(zhǔn)確的功率結(jié)果。示功儀還可以根據(jù)預(yù)設(shè)的配置參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)或顯示相關(guān)圖表。

發(fā)送參數(shù)狀態(tài)：當(dāng)示功儀需要將配置參數(shù)或測(cè)量結(jié)果發(fā)送給其他設(shè)備或用戶時(shí)，它會(huì)進(jìn)入發(fā)送參數(shù)狀態(tài)。示功儀可以通過串口、無線通信或網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)傳輸出去，以滿足不同的應(yīng)用需求。

發(fā)送功圖狀態(tài)：某些示功儀可能支持功率曲線圖的繪制和發(fā)送功能。在發(fā)送功圖狀態(tài)下，示功儀會(huì)將之前準(zhǔn)備好的功圖數(shù)據(jù)按照協(xié)議要求，分包多次發(fā)送給接收端。在這個(gè)過程中，發(fā)送、接收雙方按照協(xié)議要求，會(huì)校核每一包功圖數(shù)據(jù)，如果不完整，會(huì)在最后集中補(bǔ)傳，最終實(shí)現(xiàn)完整功圖的數(shù)據(jù)傳輸。

返回等待狀態(tài)：完成參數(shù)和功圖的發(fā)送后，示功儀返回等待狀態(tài)，繼續(xù)等待新的指令或操作。

具體狀態(tài)切換流轉(zhuǎn)如圖1所示。

三、電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)示功儀工作環(huán)境溫度較低時(shí)，部分示功儀電路出現(xiàn)工作異常情況，需要提高低溫下電池放電性能和電容的性能來優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

（一）電池功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合電池的性能曲線，當(dāng)溫度降低時(shí)，電池放電能力下降，表現(xiàn)為電路供電異常。解決方法是在不增加電池容量的情況下，第一，溫度敏感器件采用寬溫型器件，增加抗低溫性能；第二，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，從硬件上實(shí)現(xiàn)睡眠功能，同時(shí)優(yōu)化電源管理程序，智能判斷工作情況，主動(dòng)降低系統(tǒng)功耗。

優(yōu)化方式從兩個(gè)方面開展：采用具有能耗管理模式的單片機(jī)，并優(yōu)化其他模組或器件的電路設(shè)計(jì)，具備降低能耗的功能。

睡眠狀態(tài)：在一個(gè)工作周期里，單片機(jī)在采樣、計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞锥螘r(shí)序中正常工作，其他時(shí)間處于睡眠模式。其他模組或器件由單片機(jī)控制，在工作時(shí)，就喚醒，非工作時(shí)，對(duì)待機(jī)功耗較高的器件進(jìn)行徹底關(guān)斷供電，優(yōu)化電源管理程序，對(duì)待機(jī)功耗較低的器件置于空閑模式，進(jìn)一步降低待機(jī)功耗。

深度睡眠狀態(tài)：通過加速度采樣時(shí)，判斷示功儀處于長(zhǎng)期（30秒至60秒）靜止?fàn)顟B(tài)，將把示功儀整體設(shè)置進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)。

（二）電路設(shè)計(jì)優(yōu)化

在檢查現(xiàn)用的一體化示功儀的硬件電路時(shí)，發(fā)現(xiàn)電源芯片用到一個(gè)電容，由于布板空間狹窄、器件干涉，電容距離電源芯片較遠(yuǎn)。因?yàn)殡娫葱酒尿?qū)動(dòng)能力主要與其輸出電流能力有關(guān)，與輸入電容的距離關(guān)系相對(duì)較小。這雖然不會(huì)直接導(dǎo)致電源芯片的驅(qū)動(dòng)能力下降，但如果電容距離電源芯片太遠(yuǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致輸出電壓在瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)出現(xiàn)更大的振蕩，從而影響電源芯片的輸出穩(wěn)定性和負(fù)載能力。

為了保持電源芯片的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，重新設(shè)計(jì)電路，優(yōu)化了電容和電路布局，使得電容與電源芯片之間的距離最小化，確保電源芯片的穩(wěn)定性和驅(qū)動(dòng)能力。

四、示功儀算法優(yōu)化

（一）異常現(xiàn)象

功圖異常的現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：不出功圖、功圖曲線出現(xiàn)多處交叉、曲線出現(xiàn)明顯畸變等。

在使用傳統(tǒng)一體化無線示功儀時(shí)，游梁式抽油機(jī)在沖次低于1.5/min且沖程較大時(shí)容易出現(xiàn)功圖異常；立式抽油機(jī)在沖次低于2/min，功圖異常概率明顯更高。同時(shí)，采用相同示功儀及數(shù)據(jù)采集處理程序時(shí)，不同的井，示功儀工作情況也會(huì)有明顯差異。

（二）異常原因分析

經(jīng)過仔細(xì)檢測(cè)和分析，功圖異常與抽油機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式、沖程長(zhǎng)度、沖次、采樣頻率都有關(guān)。

游梁式抽油機(jī)功圖異常較少，立式抽油機(jī)功圖異常概率較大；沖程長(zhǎng)度大和沖次很低時(shí)，有較大的概率出現(xiàn)異常。在采樣頻率較低時(shí)，立式抽油機(jī)功圖異常概率較大。

游梁式抽油機(jī)與立式抽油機(jī)在機(jī)械架構(gòu)和傳動(dòng)方式上有很大的不同[2]。

游梁式抽油機(jī)懸點(diǎn)位移x（t）可以簡(jiǎn)單表示為：

x（t）=-（V×T/2π）×cos（2πt/T）+C

其中，V為最大速度，T為周期，t為時(shí)間，C為積分常數(shù)，可以根據(jù)初始條件（例如初始位移）確定。

游梁式抽油機(jī)加速度過程較長(zhǎng)且加速度變化較為平緩，不會(huì)因?yàn)槟骋欢尾蓸雨P(guān)鍵點(diǎn)的采樣誤差造成很大的累積誤差。

立式抽油機(jī)加減速階段的運(yùn)動(dòng)位移很短，在極短的時(shí)間內(nèi)，懸點(diǎn)位移加速度短促而劇烈。

在上下死區(qū)往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間，運(yùn)動(dòng)距離較長(zhǎng)，近似以勻速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，懸點(diǎn)位移加速度極小或?yàn)?，在相同的現(xiàn)場(chǎng)背景噪聲下，往往因?yàn)樾旁氡忍投鵁o法準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，位移累積誤差很大，就需要提高加速度采樣率，以避免計(jì)算位移時(shí)的累計(jì)誤差。

當(dāng)工作場(chǎng)景處在沖程長(zhǎng)，沖次低情況下，兩種類型的抽油機(jī)的懸點(diǎn)位移加速度都會(huì)很小，加速度采樣的信噪比就很低，噪聲的影響就大，加速度采樣值計(jì)算誤差就大，根據(jù)加速度采樣值積分計(jì)算的懸點(diǎn)位移誤差會(huì)更大，功圖異常概率增加。相同示功儀及數(shù)據(jù)采集處理程序，不同的井、不同的現(xiàn)場(chǎng)噪聲及加速度傳感器采樣噪聲，功圖也可能發(fā)生異常。

在示功儀工作實(shí)際場(chǎng)景中，示功儀檢測(cè)到信號(hào)疊加了機(jī)械振動(dòng)、井下的阻尼、風(fēng)沙的影響，采集到的加速度信號(hào)中，可用于計(jì)算速度、位移的加速度分量往往被各種噪聲影響，信噪比較低。

采集不同沖次抽油機(jī)的數(shù)據(jù)分析，不同沖次中可用加速度信號(hào)與加速度傳感器噪聲的幅值特性見圖2。

噪聲會(huì)對(duì)可用信號(hào)進(jìn)行干擾，從整體趨勢(shì)上，相同沖程下，沖次越低，加速度可用信號(hào)越小，也更容易被噪聲覆蓋干擾。在沖次很低時(shí)，加速度可用信號(hào)很小，可能隨機(jī)出現(xiàn)的一個(gè)干擾幅值會(huì)遠(yuǎn)大于可用信號(hào)本身，這個(gè)干擾信號(hào)的尖峰有可能通過程序的驗(yàn)證，被當(dāng)做真正的加速度采集信號(hào)，參與沖次和沖程的計(jì)算，從而帶來很大的沖程和沖次誤差。

（三）算法優(yōu)化

示功儀處理數(shù)據(jù)過程分為6個(gè)步驟：采樣、數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析、計(jì)算、存儲(chǔ)、發(fā)送。

通過以上分析，需要優(yōu)化的是前兩個(gè)步驟。不同的抽油機(jī)類型和不同的井需要采用不同的采樣策略和數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。

在采樣階段，主要針對(duì)立式抽油機(jī)需要通過模擬和實(shí)測(cè)，選取合適的采樣頻率，以避免在死點(diǎn)附近因采樣率低丟失關(guān)鍵點(diǎn)的加速度采樣。

數(shù)據(jù)預(yù)處理階段就是去除原始數(shù)據(jù)中的噪聲，消除對(duì)后期示功儀處理運(yùn)算的影響。

數(shù)據(jù)預(yù)處理采用濾波、校準(zhǔn)、去除異常值等方法。

濾波方法是優(yōu)化算法的主要手段。不同的濾波方式有不同的應(yīng)用效果，且同一種濾波方式，采用不同的參數(shù)設(shè)置，針對(duì)不同的信號(hào)幅頻特性，也會(huì)有不同的濾波效果。

抽油機(jī)的運(yùn)行具有很強(qiáng)的規(guī)律性，通過分析大量的加速度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的周期性，與其他環(huán)境噪聲在幅頻特性上有一定的差異。根據(jù)這一特征，在數(shù)據(jù)預(yù)處理上，除了常用的低通濾波、高通濾波和帶通濾波，還采用了以下濾波。

自適應(yīng)濾波：通過估計(jì)信號(hào)的功率譜密度或相關(guān)函數(shù)，動(dòng)態(tài)地調(diào)整頻率響應(yīng)，以適應(yīng)信號(hào)和噪聲幅頻特性的變化。

小波變換濾波：通過對(duì)小波系數(shù)的閾值處理，可以消除噪聲成分，并保留可用信號(hào)的特征。

根據(jù)具體井況、噪聲的特點(diǎn)以及可用信號(hào)的頻域特性，選用一種或者多種結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

（四）程序設(shè)計(jì)

按照普遍的井況和噪聲的特點(diǎn)，把示功儀程序按照現(xiàn)在流行的手機(jī)App模式編制成應(yīng)用程序，用于完成示功儀的采樣、數(shù)據(jù)預(yù)處理、分析、計(jì)算、存儲(chǔ)、發(fā)送全部工作。

在開發(fā)過程中或者實(shí)際使用時(shí)，需要重復(fù)調(diào)整算法參數(shù)時(shí)，希望能夠快速、方便地修改相應(yīng)的參數(shù)。在修改了算法或者程序有較大的變化時(shí)，希望能夠方便快捷地重新加載程序。為此，專門把示功儀程序設(shè)計(jì)成“引導(dǎo)加載程序（Bootloader）＋應(yīng)用程序（App）”模式，既有利于在開發(fā)階段算法的持續(xù)改進(jìn)，也有利于在后期實(shí)際應(yīng)用中升級(jí)迭代或針對(duì)井況靈活選擇合適的數(shù)據(jù)采集算法。

五、測(cè)試分析

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了驗(yàn)證算法在不同工況下的適應(yīng)性，主要從加速度信號(hào)噪聲處理方面考慮，結(jié)合不同抽油機(jī)的類型、沖程、沖次做對(duì)應(yīng)的測(cè)試。

為了滿足測(cè)試需要，通過示功儀的直通模式，收集各類功圖數(shù)據(jù)，并記錄功圖數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的抽油機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如沖程、沖次參數(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)匹配存儲(chǔ)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真處理。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，對(duì)抽油機(jī)上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的示功儀原始數(shù)據(jù)采集、記錄。在上位機(jī)及嵌入式上分別通過算法驗(yàn)證比對(duì)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)較為穩(wěn)定準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，則通過該工況測(cè)試。

按照上述內(nèi)容研制了一體化無線示功儀，支持Lora網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議[3]，未來可以根據(jù)需要支持其他無線協(xié)議，并在西北某油田完成多臺(tái)游梁式和立式抽油機(jī)的實(shí)測(cè)工作，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

六、應(yīng)用分析

隨著提高采收率難度不斷增大，針對(duì)油井供液不足、特低產(chǎn)井、稠油井等現(xiàn)象，西北某油田使用低沖次抽油機(jī)的采油井越來越普及，多個(gè)采油廠現(xiàn)有數(shù)百臺(tái)低沖次抽油機(jī)（這里低沖次指2次及2次以下采油井）采油井。在規(guī)劃中，低沖次抽油機(jī)采油井還有數(shù)百口，因此滿足低沖次要求的示功儀在油田市場(chǎng)必將大受歡迎[4]。

七、結(jié)語

我國(guó)主力油田進(jìn)入開發(fā)的中后期，地層能量遞減，低效井?dāng)?shù)量不斷增加。采用低沖次抽油機(jī)采油可以降本增效并有效避免空抽[5]。

抽油機(jī)低沖次示功儀的研制有效解決了目前油田現(xiàn)場(chǎng)低沖次采油井無線一體化示功儀在低沖次井上存在的功圖亂，沖程、沖次計(jì)算不準(zhǔn)，圖形不標(biāo)準(zhǔn)等問題，有力地推動(dòng)低沖次、高沖程抽油機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，破除國(guó)外相應(yīng)技術(shù)封鎖，促進(jìn)國(guó)內(nèi)能源行業(yè)又好又快發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯：張津平、尚丹