間抽井井況診斷與計量在RTU中的實現

大慶油田通信公司 王俊

抽油井采油是石油工業傳統的采油方式之一，也是迄今為止在采油工程中一直占主導地位的采油方式。隨著油田開發的深入，一部分抽油井因油層壓力降低、供液能力變差等原因，致使油井產液量逐年遞減，成為低產低能井，也就是間抽井。由于油井供液不足，致使深井泵工作效率低，油井生產極其不穩定，設備大部分時間處于無功消耗狀態下，使得管理難度加大，在正常的工作制度下，很難對此類油井進行合理高效的管理，而且油井在長時間無功狀態下運行造成設備的無謂磨損，對安全生產也造成了一定的影響。

1 背景介紹

傳統的抽油井巡檢方式是人工巡檢，巡檢周期長、準確性不高，不能及時反饋現場抽油機井況，影響正常生產。針對人工巡檢的缺點，大部分油田開始采用自動化設備對井況參數進行采集，目前大部分數據采集設備只是將現場的工藝參數（示功圖、油壓、套壓、油溫、啟停狀態等）傳輸到中心控制室，在中心控制室進行后臺分析處理。此類設備主要以數據采集為主，定期形成報表（日報表、月報表等），無法對間抽井井況進行實時在線診斷，也就無法對間抽井的產液量進行有效的計量，不能使自動化設備更好的服務于數字化油田管理。

近幾年隨著高性能RTU技術、抽油機井況診斷技術、功圖量油技術的發展，在技術上可以將油井診斷與計量在RTU中完成，實現抽油機井的實時診斷與計量，及時掌握抽油機井的生產情況，下面介紹這幾種技術。

1.1 高性能RTU技術

隨著電子技術的發展，RTU核心芯片從單片機發展到了多核處理器，從8位微處理器發展到32位微處理器，從匯編語言發展到嵌入式系統開發，從幾KB內存發展到幾十MB內存，從幾MHZ主頻發展到幾百MHZ主頻，從單一的RS232串行通信發展成RS232、RS485、CAN接口、網絡接口、USB接口等多種通信方式。這些發展使RTU在處理速度、處理能力、通信方式上得到極大的提高，也提高了RTU解決問題的能力。

1.2 抽油機井況診斷技術

抽油機井況診斷技術的研究，一直是國內外采油工程技術人員的課題，及時、準確地了解抽油系統的工作狀況，對提高抽油效率、降低機械采油成本和提高油井產量都具有非常重要的意義。抽油井井況診斷技術始于上世紀20年代，經過90余年的發展，目前已走向成熟，主要通過計算機系統采用模式識別技術，對采集到的示功圖進行分析，提取關鍵特征，實現對抽油井的井況診斷。

1.3 功圖量油技術

“功圖量油”油井計量技術是依據游梁機—深井泵工作狀態與油井產液量變化關系，即把有桿泵抽油系統視為一個復雜的振動系統，該系統在一定的邊界條件和一定的初始條件（如周期條件）下，對外部激勵（地面功圖）產生響應（泵功圖）。然后對此泵功圖進行分析，確定泵的有效沖程、泵漏失、充滿程度、氣影響等，計算井下泵排量，進而求出地面折算有效排量。

2 設計方案

整個系統實現的主要方案為通過設計高性能RTU，將抽油機井況診斷算法、功圖量油算法嵌入到RTU中，通過對采集的抽油井示功圖等數據進行分析，得到抽油機井的井況和產液量。系統分為三部分進行設計，下面按各部分設計分別介紹。

2.1 RTU設計

RTU按照工業級產品進行設計，內嵌Linux操作系統、IEC61131-3開發環境、C語言開發環境，可以對系統進行在線升級。硬件按照EMC 3級及UL標準進行抗干擾及安全設計，提高整個產品的可靠性。外圍有豐富的I/O接口、通訊接口（8AI 8DI4DO 2AO 1RS232 1RS485 1RS232/RS485 1RJ45），滿足抽油機井況診斷與計量的需要。RTU設計分為硬件和底層軟件兩部分。

2.1.1 RTU硬件設計

RTU硬件設計采用核心板+外圍I/O電路的模式，核心板模式適合開發不同I/O點的RTU，使得RTU性能更可靠，兼容性更強。

（1）核心板設計

核心板采用Atmel的SAM9處理器作為核心處理器，該處理器技術指標如下，核心板的原理圖如圖1所示。

? 處理器速度最大達240MHz，內存最大64Mbytes，并行FLASH最大達4Gbytes；

? SAM9處理器采用的是ARM926EJ-S核，ARM926EJ-S內核擁有ARM7核基本功能外，還擴展了定點DSP指令和JAVA指令支持；

? SAM9處理器采用的是5級流水線，在原來ARM7基礎上增加了指令高速緩存和寫緩沖技術，大大增加了指令處理速度，降低了指令處理復雜度；

? SAM9處理器支持虛擬內存管理(MMU)，可以運行LINUX、WINCE這樣的大操作系統；

? SAM9處理器多達217個管腳，外圍接口種類多、數量多，支持更多的應用。

圖1 核心板原理圖

SAM9核心板硬件包括幾個方面：

? 主CPU單元：主控制器是ATMEL公司生產的SAM9系列控制器AT91SAM9RL64，主頻240MHz主頻。包括各種外圍接口，方便擴展，簡化應用；

? 電源單元：核心板需要5V電壓源，然后由核心板上的電源轉換單元轉換為3.3V、1.2V，供核心板使用；

? 存儲器單元：存儲器單元包括兩部分，一部分是內存部分，另一部分是閃存部分，AT91SAM9RL64控制器已經有SDRAM內存接口和閃存硬件接口，本核心板內存為32Mbytes，閃存為256Mbytes；

? 外擴鐵電FRAM可用于掉電時數據的保護；

? 日歷時鐘單元：RTC單元是控制器自帶的，但是必須外接電池供電，否則斷電后RTC時間設置丟失。本控制已經留有電池供電接口；

? 溫度檢測單元：本核心板帶有溫度檢測，檢測核心板環境溫度；

? 調試接口單元：核心板上自帶簡易JTAG調試接口，方便程序調試；

? 通信接口單元：核心板上包括串口通信和USB通信接口，供程序下載與調試實用。

（2）外圍電路設計

RTU外圍I/O電路采用隔離設計，AI、DI、AO、DO、RS232、RS485、Ethernet等接口經過隔離后接入到核心板。RTU按照EMC3級標準設計，提高RTU的可靠性。外圍電路原理圖如圖2所示。

圖2 外圍電路原理圖

外圍電路包含如下幾個方面：

? 提供3個串行通信接口電路，其中兩個為RS485，一個為RS232或RS485可選則接口，每個串行接口電路都為隔離接口，并有抗瞬變干擾設計；

? 提供1個網絡通信接口電路，接口電路為隔離接口，并有抗瞬變干擾設計；

? 提供8路4～20mA模擬輸入（AI）接口，AI信號經輸入接口電路到AD轉換器，再經數字隔離到主控芯片。AD選用16位AD芯片。AI入口電路具有抗干擾設計，如可恢復保險、瞬變管、壓敏電阻保護等；

? 提供8路數字輸入（DI）接口，DI信號經入口電路后，再經隔離到主控芯片，DI入口電路具有抗干擾設計，如瞬變管、壓敏電阻保護等；

? 提供4路數字輸出（DO）接口，主控芯片DO經隔離后驅動輸出FET管，可外接繼電器控制各類設備。選用具有高耐壓、大電流FET管作為輸出管；

? 提供2路4～20mA模擬輸出（AO）接口，AO信號經隔離后到達AO輸出電路，經V/I轉換后輸出。輸出管選用高耐壓、大電流的FET管。

2.1.2 RTU運行程序設計

RTU運行程序由Linux操作系統、驅動程序、IEC61131-3編程環境、功圖采集、診斷、量油、第三方應用程序等組成。第三方應用程序開發既支持IEC61131-3開發環境，又支持C語言開發環境，并且可以進行在線升級。

Linux操作系統有很多特點適合作為RTU內嵌的操作系統，特點如下。

（1）Linux是基于Posix操作系統標準設計的，因此很多程序可以不用修改或做較少修改就很容易地移植到該系統下，編程接口方便、熟悉，類似于PC機的程序開發；

（2）Linux支持各種文件系統，而且支持各種文件格式；

（3）Linux支持如今絕大多數的網絡協議棧，而且這些協議棧也非常穩定，接口通用，可以滿足各種網絡需求；

（4）基于Linux上的應用軟件有很多，比如說數據庫、web服務器、圖形系統庫、文件傳輸、系統統計信息、各種分析工具等；

（5）Linux支持多種編程語言編程（C/C++、SHELL、java等），這給編程人員帶來很大方便。

RTU運行程序由內層到外層如圖3所示。

從內層到外層，由啟動程序、內核、驅動、應用程序、第三方程序，由嵌入式開發到應用開發，設計人員也由專業開發人員到應用開發人員，這樣的結構便于推廣RTU在各行業的應用。

圖3 系統程序層次圖

（1）BootStrap程序：BootStrap程序是上電時首先需要運行的程序，該程序主要用來初始化CPU和一些硬件，例如NAND FLASH、SDRAM等；

（2）Linux內核程序、根文件系統：zImage1.00程序為Linux內核程序，sysfs1.00.img程序為系統根文件系統，包含各種命令和程序，包括用戶程序；

（3）系統驅動程序：包含了AI、DI、DO、AO驅動程序，RS232、RS485、Ethernet通信驅動程序；Modbus RTU/ASCII、Modbus TCP/UDP/IN TCP/IN UDP、DNP3等通信協議，也包含了IEC61131-3標準編程環境支持程序；

（4）系統應用程序：包含了功圖采集、井況診斷、功圖量油等程序，在系統底層程序基礎上進行開發，系統應用程序可以進行在線升級；

（5）第三方應用程序：為了適應不同地區產品特殊性需要，可以由第三方根據現場實際情況編寫特殊功能程序，編程環境符合IEC61131-3標準，支持LD、FBD、IL、ST、SFC五種程序語言。

2.2 抽油機井況診斷與計量設計

2.2.1 井況診斷設計

抽油機井況診斷是以模式識別為基礎的人工智能診斷法，主要以泵功圖為診斷依據，著重在提取泵功圖的特征，包括幾何、形狀、力學等方面的特征，并經歐氏距離、絕對差距離、費歇分類器、模糊綜合評判等分類器進行分類判別，實現抽油系統的井況診斷。建立包括泵正常工作、固定凡爾漏失、供液不足、氣體影響、抽噴、雙凡爾漏失、泵基本不工作、抽油桿斷脫等十余種抽油系統工況的診斷知識庫。

井況診斷流程圖如圖4所示。

圖4 井況診斷流程框圖

（1）示功圖采集

通過安裝在懸繩上的負荷傳感器采集油井的動態負荷，通過安裝在游梁上的角位移采集游梁運行的角度進而計算出懸點位移的變化，位移與負荷的二維圖形就是示功圖，示功圖也可以采用無線示功圖方式進行采集。

（2）泵功圖轉換

計算各級桿端功圖采用傅氏矩陣遞推的形式，推導簡便，表達簡捷，三角級數求和計算全部采用快速遞推求和法，將三角函數的調用次數降到最低，大大降低了運算速度，通過用泵功圖計算產液量可以消除抽油桿柱的變形、桿柱的粘滯阻力、振動和慣性等的影響。

（3）特征值提取

通過灰度矩陣獲取示功圖的特征值，泵功圖的灰度矩陣是在其網格矩陣的基礎上形成的，其形成過程分為四步：

? 功圖標準化，為了便于比較油井各類工礦相除泵功圖量綱對數據的影響，首先將泵功圖進行無量綱處理，形成標準化功圖；

? 將長方形分為網格，通常采用1個網格，將此網格初始化為“0”；

? 令示功圖邊界穿越的網眼灰度均賦“1”；

? 邊界內部每遠離邊界一格其灰度值增加一級，外部按等高線的方式賦值，只是每遠離邊界一格其灰度值減少一級，搜索邊界的方式是按列進行，最終獲得功圖網格矩陣。

灰度統計特征，依據數理統計原理，取灰度矩陣的6個統計特征，分別是灰度的均值、方差、偏度、峰度、能量、熵。

（4）專家會診模塊

泵功圖的實際工況與專家庫中參考故障泵功圖的統計特征量之間進行灰關聯分析，關聯度越大，實際井況與相應的參考故障越接近，從而建立抽油井故障診斷模型。根據與專家庫進行灰關聯分析，可以診斷出泵正常工作、固定凡爾漏失、供液不足、氣體影響、抽噴、雙凡爾漏失、泵基本不工作、抽油桿斷脫等十余種抽油系統工況。

（5）診斷結果輸出

通過診斷不僅能得到抽油機井的工況，也可以得到抽油機運行的一些數據，如抽油機曲柄扭矩曲線、抽油桿受力分析、泵效分析、采油參數分析等。

? 扭矩曲線

根據抽汲同期內等時間間隔的測試時間序列計算相應曲柄轉角的扭矩因素，由相應各點的懸點測試載荷值計算各點的載荷扭矩Mp，計算各點曲柄平衡扭矩Mc，求出各點凈扭矩M，以橫坐標為曲柄轉角，縱坐標為扭矩，繪制出扭矩曲線。

? 受力分析

計算各級桿柱頂部的最大與最小應力，根據各級桿柱頂部示功圖可得出各級桿柱承受的最大載荷和最小載荷，算出各級桿的最大與最小應力。

? 泵效分析

通過計算電機輸入功率、井下泵功率（有效功率）、光桿功率，可以得到抽油機系統的系統效率（有效功率/電機輸入功率）、地面系統效率（光桿功率/電機輸入功率）、井下系統效率（有效功率/光桿功率）。

? 采油參數分析

通過對油井工況的診斷，可以判斷油井的供液能力（泵的充滿度），也就可以依據參數對沖次進行相應的控制，通過自動控制抽油機的沖次（利用變頻器實現），來實現油井供液能力與理論設計排量匹配的問題，并且考慮抽空的極限情況，實現停機關井，間歇抽油。這樣既節約電能又可避免過度抽汲的破壞作用(液擊和磨損)。

2.2.2 功圖法量油

通過采集每個沖程的示功圖數據，根據示功圖數據的變化，分布每個沖程泵內液體的充滿程度，把泵筒作為計量容器，計算出每個沖程的抽汲量，經過累加，計算出單井的產液量。

功圖量油流程圖如圖5所示。

圖5 功圖量油流程框圖

（1）凡爾開閉點及有效沖程獲取

各種泵況其功圖的幾何特征都突出表現在閥開啟的位置變化，所以閥開啟點和關閉點的位置確定，以及對閥開啟滯后和關閉超前產生的無效沖程造成的排量損失的計算都很重要。凡爾開閉點的確定主要通過泵功圖各點的曲線斜率的變化極值。

泵功圖中游動凡爾開閉點之間的水平距離即柱塞的有效沖程。

（2）壓力梯度計算

計算抽油井油管內的壓力分布和密度分布，對于掌握抽油機井油管內氣液兩相流的流動型態、計算抽油泵的效率及抽油機井的產液量極為重要。

（3）計算漏失系數

取壓縮氣體的過程為多變過程，依據上述計算出的抽油機井內的壓力分布，計算泵的吸入口壓力和排出口壓力后，便可以計算出泵的吸入因數、排出因數和充滿因數。再根據對吸入過程和排出過程漏失因數的公式，最后求出泵的產液量。

（4）產液量計算

通過以上步驟獲得有效沖程和漏失系數后，通過下面公式既可得到抽油機井的產液量。功圖量油計算公式如下。

2.2.3 井況診斷和功圖量油參數維護

井況實時診斷與功圖量油運算中需要抽油井的基礎信息。這些信息可通過上位機軟件或者現場進行設置。整個系統采用參數同步技術使上位機數據庫中參數與現場控制器參數保持同步。這些參數包括油井的沖程、沖次、桿長、桿徑、桿級數、泵徑、油管內徑、油氣比、地面原油密度、脫氣原油密度、泵掛深度、動液面深度、油管內徑和抽油機基礎信息等。

參數如表1所示。

表1

3 RTU實現功能

內嵌抽油機井況診斷、功圖量油的RTU，可以實現下面功能。

（1）動態圖形采集功能

可按隨意設定時間間隔，采集一個沖程內的負荷變化、位移變化、電流變化、有功功率變化，形成示功圖、電流圖、功率圖，作為井況診斷分析的基礎數據。

（2）數據采控功能

監視抽油機生產工況，采集油壓、套壓、油溫、啟停狀態、手自動狀態等現場參數，遠程智能控制抽油機啟停。

（3）節能控制功能

通過外接變頻器可以實現自動調節抽油機沖次，具有空抽控制、間抽控制和連噴帶抽控制功能，可使抽油井、抽油機運行在最佳工作狀態，起到節能增產的作用。

（4）診斷、安全功能

通過抽油機實時在線診斷技術，可判斷當前油井的實際井況如出沙、結蠟、供液不足、漏失、碰桿、脫桿等工況。對油桿卡桿、斷桿、盤根漏油、油管漏失、電機過流、斷相等進行停機安全保護與報警。

（5）抽油井產液量計算功能

通過功圖量油技術，實現抽油機井產液量的計算，計算出瞬時產液量、累計產液量。

（6）通訊功能

可對數據參數實現現場、遠程監視和設定，兼容性好，采用標準的通訊協議，可以連接無線數傳電臺、GPRS、CDMA等串口無線設備，也可以連接3G路由器、無線網橋、WIFI等網絡通訊設備。

（7）大數量存儲功能

每口井可以存儲一個月功圖數據（每天144幅功圖）、產量數據，通過無線方式現場取數或中控室讀取；每口井可以存儲4320條功圖數據。功圖存儲間隔10分鐘～2小時任意設置。如果中控室通訊中斷，通訊恢復后也可以通過中控室把通訊中斷期間的功圖數據采集到數據庫中。

（8）電參數采集功能

可實現電機電力參數的采集，包括三相電壓、電流、有功功率、無功功率，功率因數，有功電能、無功電能，根據產液量和耗電量得出噸油耗電量，為核算采油成本提供基礎數據。

（9）錯誤判斷功能

自動判斷抽油機工作是否正常，給出報警信息，同時根據預先的設定采取不同的控制動作。

4 優點分析

采用實時井況診斷技術、功圖量油技術，結合高性能RTU技術，開發抽油機井口用RTU，對抽油機井進行實時的井況診斷、智能控制，使抽油機運行在最優的工作狀態。其顯著的優點有：

（1）實時性強

對井況進行實時診斷分析，及時響應現場井況的變化，實時進行詳細而準確的井下分析，例如：油泵充滿狀況、出砂、氣鎖、液面、產量等。

間抽井實時采集示功圖，對每幅示功圖采用功圖量油技術，得到抽油機井的瞬時產液量、累計產液量，實現連續計量。可以有效的解決間抽井出液無規律，不易計量的問題。

（2）控制智能化

通過分析，它可以自動確定最佳的生產時間，自動啟動或停止抽油設備（間抽、連噴帶抽等控制），自動保持最合理的液面，并對抽油設備進行良好的保護。使抽油設備在最優化的狀態下運行，降低綜合能耗。

（3）運行模式靈活

RTU既可以納入SCADA系統，實現遠程控制，也可以獨立運行，不依賴于中心控制室對它的控制，單獨完成所有功能。

5 結語

在RTU內實現抽油機井井況診斷與計量，很好的解決了間抽井管理上的難題，能有效的對間抽井的井況、產液量進行實時的數據分析，為數字化油田生產管理提供一種有效的手段。

[1]彭勇.模式識別及其在石油工業中的應用[M].西安：陜西科學技術出版社,1998.

[2]余國安,彭勇.應用模式識別技術實現抽油機井下故障的自動診斷[J],西安石油學院學報,1990,5(1).

[3]彭勇,余國安.泵功圖的一類新的統計特征[J].西安石油學院學報,1991,6(4).[4]彭勇,余國安.識別泵工礦的分類器設計[J].西安石油學院學報,1995,10(3).[5]ATMEL公司AT91SAM9R64/RL64產品資料[Z].