抽油机示功仪在低冲次下的优化与设计

李兵元?吴斌?李恺?马骥

摘要：针对目前国内外油田低产井开采数量不断增加的现状，为满足采油生产的需要，在油田开始推广低冲次抽油机，实现了低冲次采油，可以降本增效，并有效避免空抽。但在实际工作中，测量油井井下泵工作情况的一体化示功仪，尤其是采用了加速度式采集位移的一体化示功仪采出的功图，存在功图乱，冲程、冲次算不准，图形不标准等异常问题，为了解决这些问题，通过软件和硬件相结合，并采用新的算法，优化了一体化无线示功仪的设计，提升了性能，经过现场实验和应用，能够采集到正确的功图，满足油田生产和管理工作的需要。

关键词：低冲次；示功仪；节能增效

一、前言

随着油田开发的推移，我国大多数油田已进入开发的中后期，低产井开采数量不断增加。目前，国内普通游梁式抽油机受电机和减速比的限制，冲次最低只能达到4/min，有的机型最低达到6/min，导致低产井普遍出现空抽现象。常规机型应用于供液不足的低产油井，不仅产量低，而且功率消耗大，油管、抽油杆、抽油泵磨损严重，降低了使用寿命。低冲次抽油机具有结构简单、性能可靠、操作维护方便、维护费用低等优点[1]。因此，全国各地油田对长冲程、低冲次抽油机的需求大幅度增加。目前，在低冲次抽油机上应用的传统一体化无线示功仪，存在采集功图乱，冲程、冲次算不准，图形不标准等异常问题，主要原因是示功仪内部数据处理简单和精度不够。在西北地区，冬季低温时，无线示功仪有时无法采集功图或无法完整传输功图数据，导致后台无功图，功图间隔出现等异常问题。这种故障的发生主要是由于低温下电池放电性能下降及电容的性能下降造成的。为了解决现有一体化示功仪上述存在的问题，需要从硬件和软件两方面进行优化和设计，使其能够满足低冲次抽油机的需求。

二、总体设计

（一）加速度式示功仪硬件架构

无线加速度式示功仪通常由电源系统、存储、微处理器、加速度传感器、载荷传感器、通信模组及交互用的指示灯、按钮、干簧管等组成，在微控制器的控制下，能够实现加速度、载荷数值采集、运算处理、存储、无线通信等功能。

（二）模块及功能设计

电源系统包含电池或电池组、保护电路、电源芯片，主要用于为整个系统提供所需电源。

微控制单元（MCU）作为示功仪的核心控制单元，负责数据采集、处理、计算、控制、存储和通信等多项功能。

传感器部分包含载荷传感器和加速度传感器。

载荷传感器是一种用于测量物体受力情况的传感器。它可以测量受力物体所受的压力、重量或负荷，并将测量数据转换为相应的电信号输出。它使用一种称为应变片的薄而灵敏的金属片或电阻片，放置在金属块内部。当金属块受到外力或负荷时，应变片会发生微小的形变，即产生应变。这种形变会导致应变片内部电阻发生变化，进而改变电阻值，影响基准电压在该电阻上的电压分量。通过模数转换（AD）采集该电压，经过计算获得金属块所受压力。

加速度传感器是一种测量物体加速度的传感器。它可以检测和测量物体在三维空间中的线性加速度，即物体在某个方向上的速度变化率。在示功仪应用中，主要计算示功仪实时位移。

通信模块主要作用为将采集到的功图数据上传，在测试环节可以提供原始数据发送。存储模块用来存储功图计算的过程数据和配置参数。

按键（干簧管）、指示灯等作为示功仪的人机交互界面，在户外的工业现场需要满足高防护等级，以及机械碰撞等恶劣使用环境下的使用要求，主要通过磁棒触发、按键短按长按等方式实现输入操作，通过指示灯的亮灭，甚至闪烁频率实现操作过程及状态的反馈。

每个模块所实现的功能如表1所示。

（三）程序流程设计

示功仪的运行过程存在多个状态的切换，通常采用状态机模型描述，可以分为以下几个状态。

唤醒状态：示功仪从休眠或关机状态中被唤醒，此时示功仪准备进行工作。在唤醒状态下，示功仪会检测并初始化各个功能模块和接口，确保正常运行。

低功耗休眠状态：示功仪在一段时间内没有操作或需要降低功耗时，会进入低功耗休眠状态。在该状态下，示功仪会关闭一些不必要的电路或进入低功耗模式，以节省能量并延长电池寿命。示功仪可以通过唤醒信号或按键触发来退出低功耗休眠状态。

等待响应状态：当示功仪处于工作状态但没有正在进行的测量任务时，它会进入等待响应状态。在该状态下，示功仪可能等待用户输入或接收其他设备的命令。例如，用户可以通过按键选择测量模式或参数，或者计算机给示功仪发送命令启动测量任务。

数据采集状态：示功仪进入数据采集状态后，开始进行具体的功率测量工作。它会与被测电路或装置连接，并通过测量电流、电压等参数来获取数据。示功仪会根据预设的采样率和时间窗口采集一系列数据点，以用于后续的功率计算和分析。

数据处理状态：在数据采集完成后，示功仪会进入数据处理状态。它会对采集到的数据进行滤波、均值计算、功率计算等操作，以得到准确的功率结果。示功仪还可以根据预设的配置参数进行数据分析、统计或显示相关图表。

发送参数状态：当示功仪需要将配置参数或测量结果发送给其他设备或用户时，它会进入发送参数状态。示功仪可以通过串口、无线通信或网络接口将数据传输出去，以满足不同的应用需求。

发送功图状态：某些示功仪可能支持功率曲线图的绘制和发送功能。在发送功图状态下，示功仪会将之前准备好的功图数据按照协议要求，分包多次发送给接收端。在这个过程中，发送、接收双方按照协议要求，会校核每一包功圖数据，如果不完整，会在最后集中补传，最终实现完整功图的数据传输。

返回等待状态：完成参数和功图的发送后，示功仪返回等待状态，继续等待新的指令或操作。

具体状态切换流转如图1所示。

三、电路优化设计

当示功仪工作环境温度较低时，部分示功仪电路出现工作异常情况，需要提高低温下电池放电性能和电容的性能来优化电路设计。

（一）电池功耗优化设计

结合电池的性能曲线，当温度降低时，电池放电能力下降，表现为电路供电异常。解决方法是在不增加电池容量的情况下，第一，温度敏感器件采用宽温型器件，增加抗低温性能；第二，优化电路设计，从硬件上实现睡眠功能，同时优化电源管理程序，智能判断工作情况，主动降低系统功耗。

优化方式从两个方面开展：采用具有能耗管理模式的单片机，并优化其他模组或器件的电路设计，具备降低能耗的功能。

睡眠状态：在一个工作周期里，单片机在采样、计算、数据传输等几段时序中正常工作，其他时间处于睡眠模式。其他模组或器件由单片机控制，在工作时，就唤醒，非工作时，对待机功耗较高的器件进行彻底关断供电，优化电源管理程序，对待机功耗较低的器件置于空闲模式，进一步降低待机功耗。

深度睡眠状态：通过加速度采样时，判断示功仪处于长期（30秒至60秒）静止状态，将把示功仪整体设置进入深度睡眠状态。

（二）电路设计优化

在检查现用的一体化示功仪的硬件电路时，发现电源芯片用到一个电容，由于布板空间狭窄、器件干涉，电容距离电源芯片较远。因为电源芯片的驱动能力主要与其输出电流能力有关，与输入电容的距离关系相对较小。这虽然不会直接导致电源芯片的驱动能力下降，但如果电容距离电源芯片太远，可能会导致输出电压在瞬态响应时出现更大的振荡，从而影响电源芯片的输出稳定性和负载能力。

为了保持电源芯片的稳定性和响应速度，重新设计电路，优化了电容和电路布局，使得电容与电源芯片之间的距离最小化，确保电源芯片的稳定性和驱动能力。

四、示功仪算法优化

（一）异常现象

功图异常的现象主要表现为：不出功图、功图曲线出现多处交叉、曲线出现明显畸变等。

在使用传统一体化无线示功仪时，游梁式抽油机在冲次低于1.5/min且冲程较大时容易出现功图异常；立式抽油机在冲次低于2/min，功图异常概率明显更高。同时，采用相同示功仪及数据采集处理程序时，不同的井，示功仪工作情况也会有明显差异。

（二）异常原因分析

经过仔细检测和分析，功图异常与抽油机的机械结构和传动方式、冲程长度、冲次、采样频率都有关。

游梁式抽油机功图异常较少，立式抽油机功图异常概率较大；冲程长度大和冲次很低时，有较大的概率出现异常。在采样频率较低时，立式抽油机功图异常概率较大。

游梁式抽油机与立式抽油机在机械架构和传动方式上有很大的不同[2]。

游梁式抽油机悬点位移x（t）可以简单表示为：

x（t）=-（V×T/2π）×cos（2πt/T）+C

其中，V为最大速度，T为周期，t为时间，C为积分常数，可以根据初始条件（例如初始位移）确定。

游梁式抽油机加速度过程较长且加速度变化较为平缓，不会因为某一段采样关键点的采样误差造成很大的累积误差。

立式抽油机加减速阶段的运动位移很短，在极短的时间内，悬点位移加速度短促而剧烈。

在上下死区往复运动期间，运动距离较长，近似以匀速进行运动，悬点位移加速度极小或为0，在相同的现场背景噪声下，往往因为信噪比太低而无法准确采集数据，位移累积误差很大，就需要提高加速度采样率，以避免计算位移时的累计误差。

当工作场景处在冲程长，冲次低情况下，两种类型的抽油机的悬点位移加速度都会很小，加速度采样的信噪比就很低，噪声的影响就大，加速度采样值计算误差就大，根据加速度采样值积分计算的悬点位移误差会更大，功图异常概率增加。相同示功仪及数据采集处理程序，不同的井、不同的现场噪声及加速度传感器采样噪声，功图也可能发生异常。

在示功仪工作实际场景中，示功仪检测到信号叠加了机械振动、井下的阻尼、风沙的影响，采集到的加速度信号中，可用于计算速度、位移的加速度分量往往被各种噪声影响，信噪比较低。

采集不同冲次抽油机的数据分析，不同冲次中可用加速度信号与加速度传感器噪声的幅值特性见图2。

噪声会对可用信号进行干扰，从整体趋势上，相同冲程下，冲次越低，加速度可用信号越小，也更容易被噪声覆盖干扰。在冲次很低时，加速度可用信号很小，可能随机出现的一个干扰幅值会远大于可用信号本身，这个干扰信号的尖峰有可能通过程序的验证，被当做真正的加速度采集信号，参与冲次和冲程的计算，从而带来很大的冲程和冲次误差。

（三）算法优化

示功仪处理数据过程分为6个步骤：采样、数据预处理、分析、计算、存储、发送。

通过以上分析，需要优化的是前两个步骤。不同的抽油机类型和不同的井需要采用不同的采样策略和数据预处理方法。

在采样阶段，主要针对立式抽油机需要通过模拟和实测，选取合适的采样频率，以避免在死点附近因采样率低丢失关键点的加速度采样。

数据预处理阶段就是去除原始数据中的噪声，消除对后期示功仪处理运算的影响。

数据预处理采用滤波、校准、去除异常值等方法。

滤波方法是优化算法的主要手段。不同的滤波方式有不同的应用效果，且同一种滤波方式，采用不同的参数设置，针对不同的信号幅频特性，也会有不同的滤波效果。

抽油机的运行具有很强的规律性，通过分析大量的加速度数据，發现其具有很强的周期性，与其他环境噪声在幅频特性上有一定的差异。根据这一特征，在数据预处理上，除了常用的低通滤波、高通滤波和带通滤波，还采用了以下滤波。

自适应滤波：通过估计信号的功率谱密度或相关函数，动态地调整频率响应，以适应信号和噪声幅频特性的变化。

小波变换滤波：通过对小波系数的阈值处理，可以消除噪声成分，并保留可用信号的特征。

根据具体井况、噪声的特点以及可用信号的频域特性，选用一种或者多种结合的方式进行数据预处理。

（四）程序设计

按照普遍的井况和噪声的特点，把示功仪程序按照现在流行的手机App模式编制成应用程序，用于完成示功仪的采样、数据预处理、分析、计算、存储、发送全部工作。

在开发过程中或者实际使用时，需要重复调整算法参数时，希望能够快速、方便地修改相应的参数。在修改了算法或者程序有较大的变化时，希望能够方便快捷地重新加载程序。为此，专门把示功仪程序设计成“引导加载程序（Bootloader）＋应用程序（App）”模式，既有利于在开发阶段算法的持续改进，也有利于在后期实际应用中升级迭代或针对井况灵活选择合适的数据采集算法。

五、测试分析

在实验时，为了验证算法在不同工况下的适应性，主要从加速度信号噪声处理方面考虑，结合不同抽油机的类型、冲程、冲次做对应的测试。

为了满足测试需要，通过示功仪的直通模式，收集各类功图数据，并记录功图数据对应的抽油机运行参数，如冲程、冲次参数，将采集到的数据和对应的运行参数匹配存储，然后进行数据仿真处理。

现场测试时，对抽油机上运行时产生的示功仪原始数据采集、记录。在上位机及嵌入式上分别通过算法验证比对，如果能够实现较为稳定准确的数据，则通过该工况测试。

按照上述内容研制了一体化无线示功仪，支持Lora网络通信协议[3]，未来可以根据需要支持其他无线协议，并在西北某油田完成多台游梁式和立式抽油机的实测工作，达到设计的要求。

六、应用分析

随着提高采收率难度不断增大，针对油井供液不足、特低产井、稠油井等现象，西北某油田使用低冲次抽油机的采油井越来越普及，多个采油厂现有数百台低冲次抽油机（这里低冲次指2次及2次以下采油井）采油井。在规划中，低冲次抽油机采油井还有数百口，因此满足低冲次要求的示功仪在油田市场必将大受欢迎[4]。

七、结语

我国主力油田进入开发的中后期，地层能量递减，低效井数量不断增加。采用低冲次抽油机采油可以降本增效并有效避免空抽[5]。

抽油机低冲次示功仪的研制有效解决了目前油田现场低冲次采油井无线一体化示功仪在低冲次井上存在的功图乱，冲程、冲次计算不准，图形不标准等问题，有力地推动低冲次、高冲程抽油机技术在国内的发展，破除国外相应技术封锁，促进国内能源行业又好又快发展。

参考文献

[1]程晓泽.低冲次抽油機设计与现场试验[J].科学技术与工程，2011，11（24）：5930-5933.

[2]綦耀光，石临嵩，高福光.浅谈我国抽油机的类型及发展趋势[J].钻采工艺，1995（02）：46-49+61.

[3]张亚顺，周继伟，赵春雪，等.LoRa通信技术在油气田微功耗一体化示功仪中的应用[J].信息系统工程，2018（08）：95-96+98.

[4]姜佩合.Y油田超长冲程低冲次抽油机应用效果分析[J].化学工程与装备，2019（04）：144-145.

[5]刘铁夫，郭云龙，徐征.煤层气用小型超低冲次抽油机的研制及应用[J].设备管理与维修，2021（12）：125-127.

责任编辑：张津平、尚丹