抽油机井掺水流量自动监控系统研究

史慧（大庆油田国际勘探开发公司）

鉴于目前北方的油田，为了保证冬季油气的正常生产，需对部分机采井采用掺水伴热生产流程[1]，而在实际生产过程中对掺水流量、压力难于科学控制。当参数设置过低时，容易发生地面管线冻堵，影响正常生产；过高时，相应中转站站点的能耗就会增大，造成能源浪费。通过开展抽油机井掺水流量自动监控系统研究，对于降低抽油机井及油田转油站的运行成本具有重要意义[2]。

1 系统总体设计

首先对抽油机井掺水流量自动监测系统进行总体结构设计，然后以STC 单片机为主控制器[3]，利用PT100 温度传感器监测井口管内流体的实时温度，并与设定温度值进行比较；由主控制器通过调节球阀的开度来控制掺水管流量，从而达到温度监控的目的。最后由GPRS 通讯模块将采集到的数据传输到控制中心管理系统，数据传输时遵循TCP/IP协议[4]。当出现异常情况时，及时短信报警，由此实现井口掺水流量自动监测功能。

抽油机井掺水流量自动监控系统是一个实时的、高度自动化的智能监控系统。利用与抽油机井井口管线接触的PT100温度传感器实时监测管内流体温度，由主控制器读取温度值并且与温度设定值相比较，给出4～20 mA 的控制信号来调节球阀开度，从而实现管内流体温度的动态保持。

同时，由主控制器将采集到的数据通过GPRS通讯模块传输到控制中心管理系统[5]，出现异常情况时，及时报警并将报警信息发送到预先设定的负责人手机中。抽油机井相应的管理人员，可以根据温度曲线并结合生产实际设定合理的掺水参数，从而达到保稳产、降能耗的目的。掺水流量自动监控系统组成如图1所示。

图1 掺水流量自动监控系统组成

1.1 系统硬件

1.1.1 主控制器模块

本系统采用STC12C5A60S2 单片机作为主控芯片， STC12C5A60S2 单片机包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART 串口、串口2、I/O接口、PCA、看门狗、片内R/C 振荡器和外部振荡电路等模块。此单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称为一个片上系统[6]。

1.1.2 流量监控模块

流量监控模块由QHZ型电动调节球阀组成。通过接收主控制器给出的4～20 mA控制信号来驱动阀门，以改变阀芯和阀座之间的截面积大小，从而控制掺水管内介质的流量参数，实现自动化调节功能。电动机运行时，通过齿轮运转，由三接头的滑动变阻器输出阀门的4～20 mA反馈信号，将反馈信号引入1 个250 Ω 的电阻并转化为1～5 V 电压信号，而主控制器对此信号做A/D转化。由对应的数字量可知阀门开度，再根据目前的管线介质温度对调节球阀[7]做出下一步的执行操作。

球阀与执行机构的连接采用直连方式，具有结构紧凑、尺寸小、质量轻、阻力小、动作稳定可靠等优点。球阀的关闭件是一个带孔的球体，球体随阀杆转动，实现阀门的开启或关闭。调节球阀旋转90°即可全关全开，与相同规格的闸阀、截止阀比较，球阀体积小、质量轻，便于管道安装。

针对本系统的具体应用环境，选择电动调节阀[8]主要有以下优势：

1）无需特殊的气源和空气净化等装置，即使电源失电时，也能保持原执行位置。

2）可远距离传输信号，电缆敷设比气体、液体管道敷设方便得多，且便于线路检查。

3）与计算机连接方便简洁，更适应采用电子信息新技术。

1.1.3 温度监测模块

温度监测模块主要由PT100 温度变送器组成。PT100 是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT 后的100 即表示它在0 时阻值为100 Ω，在100 ℃时它的阻值约为138.5 Ω。其工作原理是：在0 时它的阻值为100 Ω，且会随着温度上升而成近似匀速增长；但它们之间的关系并不是简单的正比关系，而更应该趋近于1条抛物线。

PT100 温度变送器直接安装于PT100 接线盒内（与不同结构形式的铂电阻构成热电阻一体化温度变送器），将PT100 信号转化为二线制4～20 mA输出。

1.1.4 GPRS通讯模块

通过GPRS 通讯模块将主控制器采集到的数据发送到特定公网IP的设定端口上，即控制中心管理系统的监听端口，并在发生故障时向控制中心发送远程报警信号。GPRS 通讯模块与主控制器的串行口2进行全双工通信，向控制中心发送数据时遵循TCP/IP通信协议，数据稳定性好，可靠性高。

1.1.5 供电电源模块

本系统通过UPS 电源模块将220 V 交流电转换成24 V 和5 V 直流电给系统供电，且配有后备电池。由UPS 电源模块同时给出220 V 掉电和电池低电压2路TTL电平报警信号。正常工作状态下，备用电瓶处于充电状态，一旦220 V 突然掉电，在0 时间内切换到电瓶供电模式，同时发出220 V 掉电报警信号。电池独立供电时间可达1 周左右.在电瓶电量即将耗尽时，还会发出电瓶电压过低的报警信号，报警状态由GPRS通讯模块实时发出。

整套系统都放在密闭的防爆壳体内，各个箱体之间的接线通过防爆软管密封，系统工作时具有较高的可靠性。

1.2 系统软件流程

本系统的总体软件流程主要包括：

1）判断220 V是否掉电，备用电池是否电压低并做相应的处理。

2）读取监测点温度信号，通过控制器A/D 转换将所得温度值与设定温度值相比较，判断温差是否在精度允许范围内，由比较结果决定对球阀的操作。

3）读取阀门的反馈信号，判断球阀的开度，阀门开大或关小后，再次读取温度传感器值，由温差变化来决定下一步执行操作。掺水流量自动监控系统流程如图2所示。

图2 掺水流量自动监控系统流程

4）通过定时器定时，以固定的时间间隔由GPRS 通讯模块将相应的数据按规定格式发送到计算机控制中心系统。

2 系统现场试验

某采油队共有带掺水生产流程抽油机井49口，配套掺水炉1 台，掺水泵2 台（运行1 台，备用1 台）。每年掺水生产阶段为10 月初至次年4 月初，约180天。

在抽油机井口安装掺水流量自动监控系统[9]，记录未投用前相应的回油温度、掺水压力、掺水泵排量、掺水炉耗气值。利用掺水流量自动监控系统逐渐调小回油温度设定值，并记录其他参数变化情况（表1）。

表1 回油温度、掺水压力等参数的设定

以掺水炉、掺水泵均运行在合理范围为参数设定依据[10]，选取回油温度为40 ℃的相应参数，并更换46 m3/h的掺水泵1台。

某采油队应用掺水流量自动监控系统后，掺水炉日节气900 m3，年节气约16.2×104m3；掺水泵日节电1 560 kWh，年节电约28.08×104kWh；年度掺水周期内减少处理地面管线冻堵2次；年节省运行成本约58.9万元。

3 结论

应用掺水流量自动监控系统，可实现掺水流量的智能监测与调节，简化操作流程，降低冬季巡检的劳动强度，还能对冬季掺水伴热生产流程进行24 h监控。当管线中油气介质温度低于设定温度时及时报警，管理人员可对潜在的生产问题进行预判，并采取相应的处理措施。在实时掺水温度、流量数据和生产数据的支撑下，可以更科学合理地制定掺水压力、温度、流量等参数，达到节能降耗的目的，具有一定的推广前景。