油田自动化系统中油井监控技术的应用分析

陈 思，李 阳

（1.新疆油田公司采油二厂，新疆克拉玛依 834000；2.新疆油田公司实验检测研究院，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

在自动化系统的支持下，油田能够更高效地完成勘探开发工作，实现对人力成本的合理控制。在自动化系统运行过程中，监控技术在油井中的应用必不可少。油田可以借助油井监控系统实现对相关参数、状态的精准把控，确保各项指标的优化提升。随着国内油田开发工作的持续推进，监控系统在油田开发工作中的作用日益凸显，油田需要持续加强对相关技术的研究与改进，借助技术手段实现油井开发效率和质量的提升，为企业发展获取更多效益。

1 油井抽油机井采油原理及计算方法

在国内油田的油井开发过程中，采油工作大多借助有杆抽油泵来完成，而此类抽油泵中的常见形式为游梁式抽油机。在结构方面，该抽油机主要包括减速箱、驴头、曲柄机构、连杆及游梁等部分。抽油期间的工作效率和电量成本的控制通常需要根据相关参数来进行，这些参数主要有压力、位移参数、电量参数、抽油杆载荷、油井内外温度等。油田可以借助这些参数实现对油井开采工作的优化控制，并借助自动化系统完成实时最优控制。这些参数的获取离不开监控系统的支持。在载荷位移参数的支持下，油田工作人员能够完成相关函数曲线的绘制工作，借助示功图直观地展示抽油机作业期间面临的异常情况，从而及时地对水、稠油、砂等影响因素进行处理[1]。

示功图对于油井产液量具有一定帮助，在应用过程中，工作人员可以在示功图的基础上，通过油管、液柱以及杆柱的三维振动模型实现对泵功图和柱功图的求解，进而通过识别泵功图的方式完成产液量的计算工作。有杆泵抽油的过程中，涉及到的三维振动主要体现在油管、液柱及杆柱3 个方面，相关数学模型主要说明了三者之间的运动和作用关系。在受力方面，油管、液柱及杆柱相互之间的作用力包括振动力、惯性力、垂力及摩擦力等，通过合成力的方式能够求得相应的偏微分方程组，用以描述三者的运动情况。

在掌握边界及初始条件的情况下，可以通过方程组求解的方式掌握功随时间变化曲线、位移、深度、载荷、压力等参数，从而根据各类物理参数的变化情况和泵功图完成抽油泵在油井下方运行指标、参数的精准诊断，进而获取充满系数、冲程等关键参数，实现泵排量、油井排量的有效计算。

在计算机软件模型的支持下，油田工作人员能够将地面功图这一存在严重波动问题的图形转化为更加实用性的示功图（图1），这对于精准诊断抽油情况具有积极意义。

图1 地面功图转换成示功图

产液量的计算需要以精准的油井诊断结果为依据，在生产数据以及地面功图等已知信息的支持下，能够对抽油机状态和产液量进行分析计算、对抽油泵排列进行分析，还可以结合柱杆等应力计算结果进行油井作业故障情况的自动诊断。因此，在系统设计过程中，油田工作人员需要结合实际工作需求对相关功能模型基于简单实用的原则进行优化融合，具体框架如图2 所示。

图2 系统组成

2 油井监控系统的设计方案

为了确保油田开发工作的高效性，油田工作人员需要进一步加强对自动化系统的研发和投用工作，其中，实时、精准、简单高效的监控系统非常关键。在生产运作期间，油田通常需要在恶劣的环境中开展作业。考虑到相对杂乱的油井布局，在监控系统开发设计期间，油田需要尽可能基于离散分布的原则设计优化监控系统。在控制油井生产作业期间，监控系统应能够结合工况变化、油井环境条件变化、季节变化、通信差异性等对控制功能进行自动调整，尽可能地提升系统的实时性和可靠性，同时需要避免给维护检修工作造成困难。

在网络通信方面，油田可以借助无线局域网实现对各油井监控装置的综合管理，确保管理中心的终端计算机能够借助先进的数据通信技术和设备，实现对油井现场采油相关信息数据的实时收集，从而实时监控各生产设备在油井等相关区域的运行状况，避免出现设备长期运行异常而无人发现的问题。在路由器、交换机等相关设备及无线网络技术的支持下，油田监控中心能够实时查看油井采集作业情况，进而通过与企业网站连接的方式实现相关生产信息的实时共享，便于相关管理人员更精准地把控现场情况，监控系统结构如图3 所示。

图3 油井动化监控系统结构

3 监控系统自动化在油井的实施构建

在系统搭建过程中，油田可以借助RTU 采集技术、GPRS 技术、网桥搭建技术、数据存储技术及数据实时分析技术实现对现场设备的监控。相对于PLC，RTU 作为一种远程测控装置，在实际应用时往往在存储容量和通信功能方面更具优势，下面对相关技术模块进行分别论述。

3.1 油井参数RTU 采集系统组成

在系统架构方面，RTU 主板组件与模拟信号处理装置连接，收集电压、位移、电流等相关传感器所提供的数据信息，并由GPRS/GSM 模块实现通信功能。

3.2 数据采集装置在抽油机上的应用

在抽油机运行监控过程中，数据采集设备具有较大作用，该设备具有光电隔离的传输接口。在实际应用中，可以根据需求对RS232、RS485 接口方式等进行自由设置。其中，RS232 接口能够辅助完成适配器、传输电台等无线通信设备的有效连接，RS485接口则能够有效连接控制器总线。RS232 接口对于装置现场调节、操作及装配等功能的实现具有重要作用。

为了实时监测配电箱三相电源的状态，数据采集装置在交流电环节设置了相应的采集接口。示功图的接口包括采集抽油机冲次、负荷等相关参数。在报警、照明方面，借助2 个控制端口完成按钮制动的有效控制。针对模拟量的开关中断和采集，则依靠监控节点完成控制，节点运行参数为4～20 mA，数量为12 个，能够实现自由调整功能。在调节过程中，如果为输入状态，则能够连接流量、油温、水压、油压相关参数的检测仪表，便于实时采集、监控油井现场生产运作情况；如果为中断状态，则能够从控制柜运行、报警器开启、电机启停机等方面完成相关设备的实时控制。

为了能够实时监控示功图状态，接口数据采集以每秒50 个节点的频率进行监测采集，持续监测时，每次都能够超出运行周期的2.5 倍。与示功图相似，电流图也是按照运行周期2.5 倍以上的周期进行连续监测，接口数据采集也能够以每秒50 个节点的频率进行采集，而且采集器自身具备自检模块，能够及时针对设备的异常情况进行报警，有效提升故障处理效率。而且采集器还与UPS 供电设备相连，能够在停电状况下维持正常运行状态，确保后台监控人员能够实时掌握抽油机相关设备的运行状态，实现对油井生产作业的不间断有效监控。

在系统配置过程中，油田可以将工控机配置为监控现场情况的监控主机，主机中显示的各类信息则来自于上述各监控节点，借助物联通信、串口通信等方式实现现场采集控制设备与监控节点之间的数据交换，确保工控机能够借助监控节点实现对现场设备的控制及状态确认。

3.3 数据传输结构及功能

在数据传统系统方面，该部分主要为通信传输链路，涉及油田信息中心与各油井的GPRS 装置。在借助无线网桥进行设备网络通信时，需要安装相应的配套设施。一般而言，借助无线通信技术连接抽油机状态采集装置与后台监控主机的过程中，通常需要借助移动通信终端以及数据传输电台等配套设备。虽然无线通信能够更加便捷、低成本地完成采油油井现场数据中心与后台管理中心之间的通信连接，但在实际应用中也会采用有线通信方式，具体选择需要结合油田各油井工区分别情况来设计。

在有线通信的应用中，不适合建立布局偏移、分散的油井与监控主机之间的网络联系，而无线通信技术则更加实用、有效。在无线通信技术的发展过程中，油田监控系统对数据采集网络通信技术进行了优化改进，其专用通信网络通常包括无线网桥、CDMAIX 及GPRS 等部分。

3.4 数据分析处理部分介绍

在系统软件方面，监控系统通常需要完成多项任务的同步处理工作，油井生产作业往往会涉及采集抽油机运行数据参数、控制抽油机运行状态及其他各项信息的处理工作。在软件开发过程中，可以借助C 语言平台开展，具体可以选择库函数较为丰富的Dynamic C 平台，更加便捷地完成多任务系统功能设计工作。数据分析处理系统主要包括硬件和软件两方面，其中，硬件主要为UPS、打印机、计算机；软件主要涉及报警、工况诊断、油井优化设计、数据分析、报表查询、产液量分析、监控、采集等功能模块[2]。

在软件系统开发方面，工作人员可以借助SQL 数据库建立系统所需的数据库，软件功能模块主要涉及数据采集、数据传输、油井操作、油井查询、油井控制、数据库管理、生产数据分析处理以及账户管理相关模块。在巡检软件运行方面，需要先初始化电脑，然后依次进行油井信息输入、巡检时间、内容、方式、油井数据相关信息，在巡检周期内借助RTU、GPRS 进行数据信息交互，同步完成指令下发、数据存储与处理工作。

移动控制终端能够对监控中心中的功能模块进行调用，辅助油田工作人员更加便捷地获取油井数据、控制抽油机相关设备等，使得工作人员在移动设备的支持下，脱离控制中心完成油井监控工作。针对控制终端，工作人员需要采取模块化的理念对软件功能进行合理设计，包括数据中心、工作站、无线通信、数据采集终端等模块。其中，油井口部位需要放置能够采集油井关键数据参数的采集终端，借助GPRS 模块为工作站实时或在设定时间范围内传输相应格式的数据，同时完成工作站、移动终端所发布指令的接收与执行工作。

4 油井监控终端设备总体结构

远程终端作为监控系统的核心部件（图4），终端设备的核心处理器为C8051F120，并配有相关电路以及GPRS 模块，具备LED 显示、声光报警等功能，能够借助RS485 总线完成温度、负荷位移、电压、电流等油井数据信息的实时采集，并借助处理器中的算法软件完成信息的存储和处理工作，并借助GPRS 模块实现数据传输工作，实现油井现场采集设备与远程监控主机的联系。设备配置有UPS 电源，能够有效应对突发停电故障。

图4 RTU 系统结构

系统通过RS485 总线与各参数采集传感器共同构建了油田监控系统的数据采集模块，RS485 总线能够实时采集油井运行参数，实现传感器与处理器之间的联系，能够在14 s 左右的油井冲程周期里完成各温度、电压、电流、压力以负荷等参数的采集和传输工作[1]。在运行过程中，温度和压力传感器的采集频率为每秒1 次，其他传感器的采集频率为每秒20 次，红外线传感器主要用于防盗报警工作。

5 GPRS 模块硬件设计

在构建GPRS 通信模块的过程中，需要借助具有收发RTU功能的MC55 模块来实现，该模块能够在处理基站分组数据或终端IP 包的基础上完成数据转发工作。该模块具有结构精巧的特点，在满足数据传输条件的基础上还具备传真、短消息、语音等功能，TCP/IP 协议的嵌入也使得该模块能够在GPRS 网络内部完成各类Internet 服务调用工作[4]。

5.1 SIM 卡电路设计

在MC55 的应用中，还可以为其配置SIM 卡，借助SIM 卡加密数据信息并完成数据存储工作。在引脚电平的设计方面，设计人员需要结合实际需求进行调节，通常为高电平表明SIM 卡插入后系统开始运行，反之可以配置为低电平状态。

5.2 指示灯设计

由于MC55 GPRS 模块仅用于数据传输工作，因此可以应用SYN 指示灯进行相关电路设计工作，借助该指示灯显示模块的运行状态。实际配置过程中，指示灯为熄灭状态时，表明MC55状态为睡眠、关机相关状态；指示灯以1200 ms 的周期持续闪烁时，表明MC55 状态为网络搜索或SIM 卡未插入；指示灯按照亮75 ms、灭3 s 的模式循环运行时，表明MC55 与GPRS 网络已经相互连接；指示灯按照亮0.5 s、灭0.5 s 的模式循环运行时，表明MC55 正在通过GPRS 网络进行数据传输工作；指示灯持续点亮时，表明MC55 正在接入电话。指示灯的具体电路设计如图5 所示。

图5 指示灯接口电路

5.3 继电器设计

油井电机运行电流相对较高，无法直接与处理器进行连接，需要设计驱动电路（图6）[5]。在光电隔离的基础上，对JZC-23F 型继电器的驱动工作需要借助晶体管实现，最终完成电机的启停机控制。在继电器为低电平输出期间，光电耦合器输出高电平，VT1 导通，使继电器线圈导通，常开触点闭合；光电耦合器输出低电平，VT1 关断，使继电器线圈失电，常闭触点闭合。

图6 继电器控制电路

6 结束语

综上所述，油田在发展过程中需要持续引进先进的自动化技术，充分重视监控技术在油井高效开发方面的重要作用，借助自动化监控系统完成油井内部相关参数的采集、分析处理、存储以及设备自动化控制等各项工作。在系统开发过程中，油田工作人员需要结合现场油井分布情况合理选择通信技术方案，结合实际需求做好数据采集装置的配置应用工作，并做好GPRS 模块和控制终端模块的软、硬件设计优化工作，确保油井自动化监控系统功能的有效发挥。