基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 娟，王 維，龐 波，龐 靜，郭振華

(延長(zhǎng)油田股份有限公司 七里村采油廠，陜西 延安 717111)

0 引言

目前網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到較大的提升，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠獲取較多的數(shù)據(jù)，進(jìn)而掌控研究目標(biāo)更加完整的信息[1]。油田在采油過(guò)程中，抽油機(jī)器抽取油量將多于油井的油量自主吸收量，將造成抽空現(xiàn)象的產(chǎn)生，進(jìn)而浪費(fèi)油量開采過(guò)程中所需的電能，同時(shí)損壞抽油機(jī)器內(nèi)部零件，導(dǎo)致較為嚴(yán)重的后果[2]。因此，為了避免抽油機(jī)損壞造成的事故，相關(guān)研究學(xué)者針對(duì)低產(chǎn)井間歇抽油機(jī)制設(shè)計(jì)自尋優(yōu)控制系統(tǒng)。

由于油田在開采的過(guò)程中具有特殊性，抽油機(jī)在抽油的同時(shí)產(chǎn)生狀態(tài)監(jiān)控故障，為此，在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段需對(duì)油田的基礎(chǔ)情況進(jìn)行分析，并不斷調(diào)整基礎(chǔ)情況信息與抽油機(jī)制間的關(guān)聯(lián)程度，完善控制原則，轉(zhuǎn)化抽油的控制空間，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而提升整體控制系統(tǒng)的控制性能[3]。目前的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在獲取基礎(chǔ)抽油數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建控制系統(tǒng)，并調(diào)整控制系統(tǒng)的控制中心，整合系統(tǒng)內(nèi)部操作機(jī)制，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的控制有效率[4]。但在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部的元件調(diào)節(jié)力度較小，無(wú)法完成任務(wù)量較大的抽油工作。為此，針對(duì)上述問(wèn)題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析與解決。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)的同時(shí)兼顧系統(tǒng)的硬件元件與軟件平臺(tái)的關(guān)聯(lián)信息，并加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)主導(dǎo)信息的管理力度，增強(qiáng)整體系統(tǒng)控制力度，能夠有效減小系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償誤差，縮短控制時(shí)間，完善了控制系統(tǒng)的內(nèi)部控制空間與控制程序內(nèi)容，擴(kuò)大了整體控制的范圍，為后續(xù)研究提供良好的研究數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1可知，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集器、前置服務(wù)器和數(shù)據(jù)控制器組成，軟件控制平臺(tái)通過(guò)設(shè)置軟件內(nèi)部參數(shù)，交換原油數(shù)據(jù)傳感信息，測(cè)量系統(tǒng)軟件電壓，構(gòu)建控制準(zhǔn)則與控制平臺(tái)程序，查詢匹配最佳數(shù)值信息，實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2可知，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，采用DCZL23-WFET600S-I型數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)RS48通信方式[5-6]，將抽取的原油數(shù)據(jù)輸入模糊控制器及PID控制器中，并傳導(dǎo)數(shù)據(jù)信息至中心控制系統(tǒng)中，連接USB接口，完成原油數(shù)據(jù)的采集。通過(guò)前置服務(wù)器子站利用光纖發(fā)送至前置通信設(shè)備，完成原油數(shù)據(jù)收集清洗，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部原油數(shù)據(jù)銜接。利用串口SSI三線信號(hào)輸入，適用于單圈SPI串口編碼器，RS-485的串口連接，12 V或5 V外供電源的數(shù)據(jù)控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制操作，完善系統(tǒng)操作，提升系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制有效率，并由此構(gòu)建控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)采集器

對(duì)抽取的原油數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，本文數(shù)據(jù)采用DCZL23-WFET600S-I型采集器，該采集器采用高性能低功耗微控制器硬件平臺(tái)和嵌入式操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)，具有靈活的系統(tǒng)升級(jí)能力，支持電力線載波、微功率無(wú)線、RS485等各種通信方式[7]。其中，上行通信采用模塊化設(shè)計(jì)，管理原油數(shù)據(jù)系統(tǒng)操作信息，在管理的同時(shí)能夠傳導(dǎo)數(shù)據(jù)信息至中心控制系統(tǒng)中，并連接USB接口，保證數(shù)據(jù)信息的傳輸安全性，利用不同的傳導(dǎo)通道弱化系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的差異信息，促進(jìn)數(shù)據(jù)的同一化發(fā)展，及時(shí)清除不符合數(shù)據(jù)系統(tǒng)操作的原油輸出數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)募儩嵭訹8]。采集器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采集器結(jié)構(gòu)

如圖3所示，C-1管理單元組通過(guò)映射傳輸至VC-1虛容器中，并將VC-1虛容器通過(guò)定位到TU-1支路單元，通過(guò)復(fù)用傳輸至TUG管理單元組，由TUG管理單元組復(fù)用傳輸至VC-3虛容器，再由VC-3虛容器復(fù)用傳輸至AU-3管理單元。

采集器工作原理如圖4所示。

圖4 采集器工作原理圖

根據(jù)圖4的采集器工作原理圖可知，采用DCZL23-WFET600S-I型采集器，將抽取的原油數(shù)據(jù)輸入模糊控制器及PID控制器，保證數(shù)據(jù)采集過(guò)程的安全性，通過(guò)信號(hào)板得到輸出值，實(shí)現(xiàn)原油數(shù)據(jù)采集。

2.2前置服務(wù)器

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)硬件前置服務(wù)器屬于自己開發(fā)部分，用于在用戶側(cè)，采集和存儲(chǔ)原油信息，前置服務(wù)器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 前置服務(wù)器結(jié)構(gòu)

如圖5所示，前置服務(wù)器主要由子站和前置通信設(shè)備組成。電參量檢測(cè)、信號(hào)調(diào)理和壓力與流量變換傳輸至前置服務(wù)器，通過(guò)子站利用光纖發(fā)送至通信設(shè)備，采用GPRS前置通信設(shè)備，傳輸至開閉所，做原油數(shù)據(jù)收集清洗，采用無(wú)線前置通信設(shè)備，傳輸至分支箱，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部原油數(shù)據(jù)銜接。

2.3 數(shù)據(jù)控制器

根據(jù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)控制的性能，進(jìn)一步分析其存在的必要條件，設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)控制器，標(biāo)準(zhǔn)化處理控制數(shù)據(jù)。

在完成初始硬件控制元件收集后，構(gòu)建整體數(shù)據(jù)控制器，選用控制系統(tǒng)標(biāo)記控制器，該控制器具有串口數(shù)據(jù)采集功能，集電阻信號(hào)輔助，繼電器控制，485通訊于一體，可以適用于單圈SPI串口編碼器，顯示角度變化和位移變化，串口SSI三線信號(hào)輸入，外供電源為12 V或5 V[9]。數(shù)據(jù)控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)控制器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖6可知，具有顯示串口絕對(duì)編碼器，累加多圈計(jì)長(zhǎng)計(jì)米外，接入0～10 K或0～2.5 V電壓信號(hào)電位器，與單圈并口絕對(duì)值配合使用，產(chǎn)生多圈絕對(duì)值的使用效果，加大數(shù)據(jù)控制的成功率。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整體控制，完善控制系統(tǒng)的中心配置，并強(qiáng)化對(duì)原油信息的抽取研究力度，構(gòu)建控制局部機(jī)，機(jī)內(nèi)設(shè)置12個(gè)時(shí)段配時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間段分配抽油模式，并連接感應(yīng)窗口，設(shè)置以太網(wǎng)連接口與RS232連接口，經(jīng)過(guò)光纖收發(fā)器或無(wú)線路由器通過(guò)光纖、網(wǎng)線、無(wú)線網(wǎng)與交通指揮中心聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)記錄交通客流信息，以便對(duì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制操作，完善系統(tǒng)操作，提升系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制有效率。

在標(biāo)準(zhǔn)化處理控制模塊內(nèi)部，提升硬件元件電路完整程度，其內(nèi)部電路板集中采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，避免因數(shù)據(jù)外部因素不同造成的系統(tǒng)設(shè)計(jì)失誤[10]。選用機(jī)箱接口連接不同的控制數(shù)據(jù)，連通數(shù)據(jù)電荷泵線與機(jī)箱接口，連接口符合CPCI標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)控制器內(nèi)部電路如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)控制器電路圖

根據(jù)圖7的數(shù)據(jù)控制器電路圖可知，本文研究的數(shù)據(jù)控制單元包括耦合變壓器、變壓器和輸出濾波器，內(nèi)部服務(wù)器具有很強(qiáng)的信息分析能力[11]。由此完成低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在低產(chǎn)井間歇抽油的過(guò)程中，抽油區(qū)域地層能量較低，油量滲透效果較差，抽取的原油數(shù)量較少，前井口間歇出液的模式將影響抽油液面的變化頻率，抽油泵的沉沒(méi)程度將大幅度提升。在低產(chǎn)井關(guān)閉后，油井的抽油時(shí)間間隔減少，抽油液面上升，此刻抽油動(dòng)態(tài)液面的充滿程度最高，但若持續(xù)進(jìn)行抽油工作，將產(chǎn)生井口不出液的現(xiàn)象[12-13]。為避免該種現(xiàn)象，本文軟件控制平臺(tái)調(diào)整內(nèi)部控制程序，將控制準(zhǔn)則與控制平臺(tái)程序相匹配，并查詢匹配的最佳數(shù)值信息，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)初始化處理操作。同時(shí)，設(shè)計(jì)軟件控制背板，通過(guò)控制背板成功實(shí)現(xiàn)整體軟件程序控制，并提升控制子系統(tǒng)間的聯(lián)系作用，連接控制前端與控制信道，構(gòu)建良好的數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)絡(luò)通道。交換原油數(shù)據(jù)傳感信息，并連接系統(tǒng)軟件平臺(tái)的中心控制網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)連接指令，提升整體控制網(wǎng)絡(luò)連接的有效性。軟件內(nèi)部參數(shù)設(shè)置如圖8所示。

圖8 軟件內(nèi)部參數(shù)設(shè)置

根據(jù)圖8的軟件內(nèi)部參數(shù)及時(shí)切換信號(hào)傳輸路徑，將控制數(shù)據(jù)集中于相同的控制空間內(nèi)。在進(jìn)行抽油數(shù)據(jù)控制軟件網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的過(guò)程中，盡量減少傳輸電容在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通道中的分布，避免兩條信號(hào)線的平行設(shè)置，降低不同信號(hào)線之間的干擾程度。選擇相關(guān)程度較高的內(nèi)部傳輸網(wǎng)絡(luò)線，將收集的抽油處理信息傳輸至相應(yīng)的控制方位中，等待控制背板的平臺(tái)處理，調(diào)配前端信號(hào)線信息，選用協(xié)調(diào)程度較高的控制機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，并結(jié)合驅(qū)動(dòng)輸入模式將數(shù)據(jù)完整錄入控制平臺(tái)內(nèi)部，每路驅(qū)動(dòng)能力為550 W，采用光電轉(zhuǎn)換隔離技術(shù)[14]，完整反映交通客流信號(hào)信息，減少了不必要的系統(tǒng)操作浪費(fèi)。電機(jī)保護(hù)子程序如圖9所示。

圖9 電機(jī)保護(hù)子程序

選用交流采樣法進(jìn)行系統(tǒng)軟件電壓測(cè)量，由于該方法無(wú)法流經(jīng)整體電路，在設(shè)計(jì)的同時(shí)按照一定的操作規(guī)律將平臺(tái)外部的電壓與電流的流經(jīng)數(shù)值轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)計(jì)算程序能夠有效測(cè)量的交流程序信號(hào)[15]。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化為模塊信息錄入計(jì)算程序進(jìn)行運(yùn)算處理，并計(jì)算出電壓與電流的有效數(shù)值，針對(duì)此時(shí)的原油數(shù)據(jù)流通狀況選擇合適的抽油速率，調(diào)整程序計(jì)算的信息量，并及時(shí)處理平臺(tái)接收的數(shù)據(jù)信息。儲(chǔ)層產(chǎn)液速率計(jì)算過(guò)程如下：

(1)

其中：Q代表計(jì)算得到的儲(chǔ)層產(chǎn)液速率，選擇的單位為m3/s；K表示得到的儲(chǔ)層滲透率，單位為10-3μm2；h代表內(nèi)部的儲(chǔ)層厚度，單位為m；ρ表示內(nèi)部的液體密度，單位為kg/m3；g表示重力加速度，取值為9.8 m/s2；H表示油套的液體高度，單位為m；μ表示得到的流體粘度[16]，單位為mPa/s；re表示得到的供給半徑；rw表示得到的井筒半徑；S表示表皮系數(shù)。

儲(chǔ)層內(nèi)部的產(chǎn)液速率和動(dòng)液面高度動(dòng)態(tài)如圖10所示。

圖10 儲(chǔ)層內(nèi)部的產(chǎn)液速率和動(dòng)液面高度動(dòng)態(tài)示意圖

選用適宜的運(yùn)算程序?qū)Τ橛妥詫?yōu)控制系統(tǒng)進(jìn)行最終控制，利用正弦模型算法程序，結(jié)合被采樣的波形的純正弦規(guī)律將抽取的原有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至計(jì)算中心中，并對(duì)信號(hào)波形的產(chǎn)生條件進(jìn)行分析，記錄分析后的結(jié)果數(shù)據(jù)，疊加周期函數(shù)算法[17-18]。調(diào)整算法的錄入模式，并針對(duì)假設(shè)算法的基本信息構(gòu)建假設(shè)電壓與流經(jīng)電流數(shù)據(jù)，提升輸出信號(hào)的有效率，在較高的信號(hào)輸入的基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊數(shù)據(jù)處理操作，控制分解的函數(shù)序列，并設(shè)置序列和參數(shù)，將此參數(shù)作為控制級(jí)數(shù)保存至控制平臺(tái)分析中心，排除樣品參數(shù)存在的可能性，將真實(shí)分析的原油監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與分析中心數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制平臺(tái)的程序構(gòu)建，達(dá)到低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的目的。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了探究本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)的有效性，與基于粒子群算法的控制系統(tǒng)和基于ARM技術(shù)的控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)與基于粒子群算法和基于ARM技術(shù)的控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到的頻率差保護(hù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 頻率差保護(hù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2可知，本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)的頻率差保護(hù)整體值為7.0 Hz，動(dòng)作值為50.05 Hz，明顯高于基于粒子群算法和基于ARM技術(shù)的控制系統(tǒng)。由此可知，本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)的頻率差保護(hù)能力要優(yōu)于基于粒子群算法和基于ARM技術(shù)的控制系統(tǒng)。因此控制結(jié)果更加可靠，確保結(jié)果更加準(zhǔn)確，能夠有效完成低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制。

無(wú)功補(bǔ)償誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 無(wú)功補(bǔ)償誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖11可知，在單位時(shí)間內(nèi)，本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償誤差較小。因?yàn)楸疚难芯康南到y(tǒng)在設(shè)置抽油數(shù)據(jù)控制軟件網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中，減少了傳輸電容分布，避免了兩條信號(hào)線的平行設(shè)置，降低了不同信號(hào)線之間的干擾程度，由此減小控制系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償誤差。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步驗(yàn)證本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)的控制時(shí)間，分別采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)與基于粒子群算法和基于ARM技術(shù)的控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，得到低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖12可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為6次時(shí)，本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)的平均控制時(shí)間為7.6 s，而基于粒子群算法和基于ARM技術(shù)的控制系統(tǒng)的平均控制時(shí)間分別為13.2 s和17 s。由此可知，本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)的控制時(shí)間較短，因?yàn)楸疚难芯康南到y(tǒng)能夠針對(duì)原油數(shù)據(jù)流通狀況，選擇合適的抽油速率，調(diào)整程序計(jì)算的信息量，并及時(shí)處理平臺(tái)接收的數(shù)據(jù)信息，從而有效縮短系統(tǒng)的控制時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了增強(qiáng)低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)頻率差保護(hù)能力，減小無(wú)功補(bǔ)償誤差，縮短控制時(shí)間，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)。研究不同狀態(tài)下低產(chǎn)井間歇抽油的基礎(chǔ)抽油機(jī)制，并調(diào)配自尋有控制系統(tǒng)性能，提升整體控制的效率，不斷強(qiáng)化內(nèi)部控制空間的數(shù)據(jù)監(jiān)控水平。結(jié)合軟件控制平臺(tái)掌控抽油自尋優(yōu)信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)低產(chǎn)井間歇抽油自尋優(yōu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的頻率差保護(hù)能力，能夠有效減小無(wú)功補(bǔ)償誤差，縮短系統(tǒng)控制時(shí)間，更好地為使用者服務(wù)，發(fā)展空間較為廣闊。