基于WiFi數字化抽油機研究

廖啟新

摘 要：WiFi網絡近年來得到快速發展，其具有帶寬寬、部署便捷、自成體系和成本低等特點。采用WiFi無線網絡對抽油機油井系統作為油井監控系統的網絡基礎，不僅可以實現油井工況參數的遠程傳輸，還可實現音視頻傳輸。監控系統的軟件設計采用云端架構，所有的監控數據均存儲于云端服務器上，通過Web服務發布到各終端。對傳統抽油機的游梁尾梁采用自動調平衡裝置，通過控制其前后移動，改變力矩調節抽油機的平衡，以達到節能。數字化控制技術將自動平衡、電機控制、工況監測集成為一個控制系統，可以根據工況參數實現電機運行參數的自動調整，從而實現最優化運行。

關鍵詞：WiFi網絡；數字化控制；抽油機

中圖分類號：TE933 文獻標志碼：A

1 技術背景

能源緊缺是全球共同面臨的嚴峻問題，對我國來說，能源緊缺問題尤其嚴重，節能是我國的基本國策。目前我國抽油機的保有量在10萬臺以上，電動機裝機總容量在35MW，年耗電量105億kWh。據統計，在油田生產成本中約有1/2為電能消耗，而游梁式抽油機消耗的電能約占總電能消耗的80%。抽油機的運行效率較低，在我國平均運行效率僅為26%，國外平均水平為30%，年節能潛力10多億kWh。隨著世界經濟的日益發展，能源越來越緊缺的問題也十分突出，節能降耗是當今世界各國亟待解決的共同難題。因此，抽油機的節能改造從來也沒有停止過步伐。

2 技術方案

2.1 基于WiFi數字化抽油機的技術方案

2.1.1 選擇游梁式抽油機、無游梁式抽油機為載體，采用數字化技術改造傳統游梁式抽油機和無游梁式抽油機。

2.1.2 自動平衡移動裝置。該裝置安裝在游梁尾部，它是由伺服電機、微型減速器、絲杠、配重、滾輪等構成。伺服電機接受控制系統的指令，當懸點負荷變化，電流隨之也變化，控制系統感知后便指令電機作順（逆）時針旋轉，帶動配重箱向外（內）移動，調節力臂距離，及時獲得新的平衡，從而達到節能。

2.1.3 采用專業的傳感器。如在懸繩器上安裝壓力傳感器，實時測出懸點負荷；在井口裝置出油管線上安裝溫度傳感器，隨時測出井下原油的溫度；在井下環形空間液面設置浮式位置傳感器，及時測量井下液面的高度；在生產閥門出口處安裝流量傳感器和比重傳感器，及時測出抽油機所采出的原油的產量以及測出所開采原油的含水量。

2.1.4 集中處理器（CPU）。CPU有著處理指令、執行操作、控制時間、處理數據四大作用。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的抽油機生產過程。自動接受各種傳感器的技術數據，通過建模和自動綜合分析形成各種可輸出信息，并根據預先輸入的參數，自動調節抽油機的工作參數，如圖1所示。

2.1.5 WiFi無線網絡。根據集中處理器形成的各類數據，通過WiFi無線傳輸，隨時傳輸技術參數和音視頻。

2.1.6 太陽能電池。任何裝置均離不開動力，數字化抽油機的各類傳感器同樣離不開能源，采用太陽能光伏電池，無污染，無噪聲，無須外接電源。

2.1.7 接受系統。直接利用WiFi無線網絡，在辦公室內打開電腦，輸入網址，即可獲得抽油機井的各項技術數據和井場音視頻，再根據這些數據分析油井是否正常，是否需要采取措施，如修井、換泵等。

2.1.8 利用電機的電參數作為信息源，據此自動控制出最佳運行模式。

2.2 基于WiFi數字化抽油機工作原理

2.2.1 自動平衡技術。游梁式抽油機是一種變形的四連桿機構，其整機結構像一架天平，一端是抽油載荷，另一端是平衡配重載荷。如果抽油載荷和平衡載荷形成的扭矩相等或變化一致，那么用很小的動力就可以使抽油機連續不間斷地工作，也就是說抽油機的節能技術取決于平衡的好壞，在平衡度為100%時，電動機提供的動力僅用于提起1/2液柱重量和克服摩擦力。其工作原理邏輯關系圖如圖2所示。

2.2.2 數學化技術將自動平衡、電機控制、工況監測集成為控制系統。同時實現自動平衡、電機控制、工況監測功能，根據電機運行的參數還可以判斷油井的沖程沖次、懸點載荷等工況參數，這樣工況監視也無須設置另外的傳感器。由于系統具有工況檢測與電機控制功能，可以根據工況參數實現電機運行參數的自動調整，從而實現最優化運行。

2.2.3 WiFi無線網絡作為網絡基礎。WiFi網絡近年來得到快速發展，具有帶寬寬、部署便捷和成本低等特點，不僅可以實現油井工況參數遠程傳輸，還可實現音視頻傳輸。監控系統的軟件設計采用云端架構，監控數據存儲于云端服務器上，通過Web服務發布到終端。

2.3 關鍵性創新技術

2.3.1 自動調平衡裝置。傳統調平衡度的方式是人工調整，需要在停機狀態下進行，需要由3人配合，需要吊車輔助，費時費力，工人勞動強度大。同時由于地層條件、井筒工作狀況以及油井作業、工作制度等動態因素變化的影響，抽油機的平衡狀態經常改變，不可能經常停車調平衡，因此發明了自動調平衡裝置。

2.3.2 將自動平衡、電機控制、工況監測集成為一個整體，利用一套控制系統同時實現這3種功能。將自動平衡、電機控制、工況監測集成為一個整體，各模塊之間的信息得以相互溝通，特別是不僅將電機及其控制器作為一個動力源，還將其作為一個傳感源。采用電機控制器調節沖次等抽汲參數則非常便捷，如運行狀態和運行方向、上下行電流、沖程沖次完全可以通過電機的轉角、轉速和相電流等運行參數計算出來，通過對比上下行程的電機電流還可以獲得抽油機平衡情況，從而為自動平衡控制提供反饋信息，而自動平衡模塊將平衡塊的位置信息提供給電機控制器，結合電機電流即可計算出懸繩負荷，節約了大量的傳感設備。傳統方案與本項目提出的方案結構對比如圖3所示。

2.3.3 采用WiFi網絡作為油井監控系統的網絡基礎

傳統的監控網絡多利用GPRS/3G網絡實現油井的遠程監控，其弊端在于GPRS網絡帶寬較小，僅有幾十KB/s到幾百KB/s，傳輸的數據有限，特別是無法傳輸視頻與音頻信號，在無人區無法使用，連接于公共網絡上安全性較差。而WiFi網絡帶寬達到了幾到幾百MB/s，帶寬遠遠大于GPRS/3G網絡。采用一臺WiFi主站覆蓋10km2區域范圍內的所有油井，可實現運行技術參數及音視頻傳輸，且無網絡使用費，組成的專用網絡不受公網安全威脅。

3 技術特征

基于WiFi數字化抽油機（W型曳引抽油機作為載體）自2016年5月13日安裝到中原油田采油三廠28號站WC77-9井試用以來，運行正常，質量可靠。

3.1 技術指標

3.1.1 懸點負荷：30kn～220kn。

3.1.2 沖程：1m～4m（游梁抽油機），5m～7m（無游梁抽油機）。

3.1.3 沖次：3～9次/min（游梁抽油機），1～4次/min（無游梁抽油機）。

3.1.4 平衡度：95%～100%。

3.1.5 電機功率因素≥99%

3.1.6 整機電網污染THD≤5%

3.1.7 WiFi網絡帶寬達到2MB/s。

3.1.8 WiFi主站覆蓋范圍大于10km2。

3.1.9 實時工況無線遠程傳輸10次/min。

3.1.10 遙控遙測，現場無人值守。

3.2 性能特征

3.2.1 節能效果顯著。原游梁式抽油機電機功率為45kW，本機為22kW，功率配備下降51%。

3.2.2 減排。原游梁式抽油機噪聲標準為87dB，而本機為54dB，降低33dB，下降39%；全機不用潤滑油，無污染。

3.2.3 提高效率。采用稀土永磁外轉子同步電機與數字化控制系統配套，刪除減速傳動裝置，精減曲柄四連桿機構，采用長沖程低沖次工作方式，系統效率提高20%。

3.2.4 控制自動化。能自動計量日耗電量、采液量、示功圖、壓力、溫度、系統效率分析、自動調節運行平衡率、自動調節電機電流達到最佳節能狀態。

3.2.5 管理智能化。抽油機即時工況，現場運行情況隨時通過WiFi無線網絡傳輸到終端設備，遠程監控、實現遙控遙測。

3.2.6 無線傳輸自成體系。采用WiFi無線傳輸，無須單獨布線，不受其他網絡干擾，自成體系，維護簡單，不用繳費。

3.2.7 計量準確。采集數據精度準確率高，對耗電量，采液量等自動計量，自動生成報表，便于統計管理，避免人為誤差。

3.2.8 大大減輕工人勞動強度。工人在值班室值班同時可對若干臺抽油機集中監控，節省大量勞動力，壓降采油成本。

結論

綜上所述，基于WiFi數字化抽油機具有控制自動化、管理智能化、無線傳輸自成體系、計量準確等優點，是節能、減排、高效、控制自動化新產品，其技術先進可靠。

參考文獻

[1]戴志宏.數字化抽油機在長慶油田采油六廠的應用[J].石油礦場機械，2013，42（9）：94-97.

[2]北京艾匯商科技有限公司.GPRS/3G網絡實現油井遠程監控[Z].技術報告，2014年I版.

[3]廖大林，楊進京，白億平，等.[J]，石油礦場機械，2010，39（7）：73-77.

[4]唐任遠，安忠良，赫榮富.高效永磁電動機現狀與發展[J].電氣技術，2008，23（9）：1-6.

專利項目：國家發明專利“M型曳引數字化抽油機”（ZL2013105871894）。