抽油機井摻水流量自動監控系統研究

史慧（大慶油田國際勘探開發公司）

鑒于目前北方的油田，為了保證冬季油氣的正常生產，需對部分機采井采用摻水伴熱生產流程[1]，而在實際生產過程中對摻水流量、壓力難于科學控制。當參數設置過低時，容易發生地面管線凍堵，影響正常生產；過高時，相應中轉站站點的能耗就會增大，造成能源浪費。通過開展抽油機井摻水流量自動監控系統研究，對于降低抽油機井及油田轉油站的運行成本具有重要意義[2]。

1 系統總體設計

首先對抽油機井摻水流量自動監測系統進行總體結構設計，然后以STC 單片機為主控制器[3]，利用PT100 溫度傳感器監測井口管內流體的實時溫度，并與設定溫度值進行比較；由主控制器通過調節球閥的開度來控制摻水管流量，從而達到溫度監控的目的。最后由GPRS 通訊模塊將采集到的數據傳輸到控制中心管理系統，數據傳輸時遵循TCP/IP協議[4]。當出現異常情況時，及時短信報警，由此實現井口摻水流量自動監測功能。

抽油機井摻水流量自動監控系統是一個實時的、高度自動化的智能監控系統。利用與抽油機井井口管線接觸的PT100溫度傳感器實時監測管內流體溫度，由主控制器讀取溫度值并且與溫度設定值相比較，給出4～20 mA 的控制信號來調節球閥開度，從而實現管內流體溫度的動態保持。

同時，由主控制器將采集到的數據通過GPRS通訊模塊傳輸到控制中心管理系統[5]，出現異常情況時，及時報警并將報警信息發送到預先設定的負責人手機中。抽油機井相應的管理人員，可以根據溫度曲線并結合生產實際設定合理的摻水參數，從而達到保穩產、降能耗的目的。摻水流量自動監控系統組成如圖1所示。

圖1 摻水流量自動監控系統組成

1.1 系統硬件

1.1.1 主控制器模塊

本系統采用STC12C5A60S2 單片機作為主控芯片， STC12C5A60S2 單片機包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數據存儲器（SRAM）、定時/計數器、UART 串口、串口2、I/O接口、PCA、看門狗、片內R/C 振蕩器和外部振蕩電路等模塊。此單片機幾乎包含了數據采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱為一個片上系統[6]。

1.1.2 流量監控模塊

流量監控模塊由QHZ型電動調節球閥組成。通過接收主控制器給出的4～20 mA控制信號來驅動閥門，以改變閥芯和閥座之間的截面積大小，從而控制摻水管內介質的流量參數，實現自動化調節功能。電動機運行時，通過齒輪運轉，由三接頭的滑動變阻器輸出閥門的4～20 mA反饋信號，將反饋信號引入1 個250 Ω 的電阻并轉化為1～5 V 電壓信號，而主控制器對此信號做A/D轉化。由對應的數字量可知閥門開度，再根據目前的管線介質溫度對調節球閥[7]做出下一步的執行操作。

球閥與執行機構的連接采用直連方式，具有結構緊湊、尺寸小、質量輕、阻力小、動作穩定可靠等優點。球閥的關閉件是一個帶孔的球體，球體隨閥桿轉動，實現閥門的開啟或關閉。調節球閥旋轉90°即可全關全開，與相同規格的閘閥、截止閥比較，球閥體積小、質量輕，便于管道安裝。

針對本系統的具體應用環境，選擇電動調節閥[8]主要有以下優勢：

1）無需特殊的氣源和空氣凈化等裝置，即使電源失電時，也能保持原執行位置。

2）可遠距離傳輸信號，電纜敷設比氣體、液體管道敷設方便得多，且便于線路檢查。

3）與計算機連接方便簡潔，更適應采用電子信息新技術。

1.1.3 溫度監測模塊

溫度監測模塊主要由PT100 溫度變送器組成。PT100 是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT 后的100 即表示它在0 時阻值為100 Ω，在100 ℃時它的阻值約為138.5 Ω。其工作原理是：在0 時它的阻值為100 Ω，且會隨著溫度上升而成近似勻速增長；但它們之間的關系并不是簡單的正比關系，而更應該趨近于1條拋物線。

PT100 溫度變送器直接安裝于PT100 接線盒內（與不同結構形式的鉑電阻構成熱電阻一體化溫度變送器），將PT100 信號轉化為二線制4～20 mA輸出。

1.1.4 GPRS通訊模塊

通過GPRS 通訊模塊將主控制器采集到的數據發送到特定公網IP的設定端口上，即控制中心管理系統的監聽端口，并在發生故障時向控制中心發送遠程報警信號。GPRS 通訊模塊與主控制器的串行口2進行全雙工通信，向控制中心發送數據時遵循TCP/IP通信協議，數據穩定性好，可靠性高。

1.1.5 供電電源模塊

本系統通過UPS 電源模塊將220 V 交流電轉換成24 V 和5 V 直流電給系統供電，且配有后備電池。由UPS 電源模塊同時給出220 V 掉電和電池低電壓2路TTL電平報警信號。正常工作狀態下，備用電瓶處于充電狀態，一旦220 V 突然掉電，在0 時間內切換到電瓶供電模式，同時發出220 V 掉電報警信號。電池獨立供電時間可達1 周左右.在電瓶電量即將耗盡時，還會發出電瓶電壓過低的報警信號，報警狀態由GPRS通訊模塊實時發出。

整套系統都放在密閉的防爆殼體內，各個箱體之間的接線通過防爆軟管密封，系統工作時具有較高的可靠性。

1.2 系統軟件流程

本系統的總體軟件流程主要包括：

1）判斷220 V是否掉電，備用電池是否電壓低并做相應的處理。

2）讀取監測點溫度信號，通過控制器A/D 轉換將所得溫度值與設定溫度值相比較，判斷溫差是否在精度允許范圍內，由比較結果決定對球閥的操作。

3）讀取閥門的反饋信號，判斷球閥的開度，閥門開大或關小后，再次讀取溫度傳感器值，由溫差變化來決定下一步執行操作。摻水流量自動監控系統流程如圖2所示。

圖2 摻水流量自動監控系統流程

4）通過定時器定時，以固定的時間間隔由GPRS 通訊模塊將相應的數據按規定格式發送到計算機控制中心系統。

2 系統現場試驗

某采油隊共有帶摻水生產流程抽油機井49口，配套摻水爐1 臺，摻水泵2 臺（運行1 臺，備用1 臺）。每年摻水生產階段為10 月初至次年4 月初，約180天。

在抽油機井口安裝摻水流量自動監控系統[9]，記錄未投用前相應的回油溫度、摻水壓力、摻水泵排量、摻水爐耗氣值。利用摻水流量自動監控系統逐漸調小回油溫度設定值，并記錄其他參數變化情況（表1）。

表1 回油溫度、摻水壓力等參數的設定

以摻水爐、摻水泵均運行在合理范圍為參數設定依據[10]，選取回油溫度為40 ℃的相應參數，并更換46 m3/h的摻水泵1臺。

某采油隊應用摻水流量自動監控系統后，摻水爐日節氣900 m3，年節氣約16.2×104m3；摻水泵日節電1 560 kWh，年節電約28.08×104kWh；年度摻水周期內減少處理地面管線凍堵2次；年節省運行成本約58.9萬元。

3 結論

應用摻水流量自動監控系統，可實現摻水流量的智能監測與調節，簡化操作流程，降低冬季巡檢的勞動強度，還能對冬季摻水伴熱生產流程進行24 h監控。當管線中油氣介質溫度低于設定溫度時及時報警，管理人員可對潛在的生產問題進行預判，并采取相應的處理措施。在實時摻水溫度、流量數據和生產數據的支撐下，可以更科學合理地制定摻水壓力、溫度、流量等參數，達到節能降耗的目的，具有一定的推廣前景。