抽油機井時率監測裝置的研究與應用

關宏業 楊安萍

（1.大慶油田有限責任公司第七采油廠；2.大慶油田有限責任公司采油工程研究院）

大慶油田某外圍采油廠所轄油井處在10個鄉（鎮）、323個村（屯）地界中，整個轄區面積1 511.65 km2。井位分布零散、井距較大且尚未開展大規模數字化建設，人工巡檢時間之外發生停井或出現故障難以被及時發現，導致部分油井時率偏低。而在抽油機井日常管理過程中，時率是一項重要指標，它的運行狀態直接關系到機采管理、作業維護等很多工作。時率的誤差會導致所監測的液面數據失真、產液量核實不準及工作參數不匹配，將使后續各項機采管理和技術措施的制定出現很大偏差。如機采參數偏大，可能造成低液面低效抽油或干磨燒泵等問題。另外，如長時間停井，也會導致油井結蠟、卡井等問題，不僅影響產量，而且增加了作業維護成本。據統計，影響運行時率的主要因素是供電線路故障、抽油機故障和人為蓄意破壞。為此，技術人員研制了抽油機井時率監測裝置，并開發了相應的單片機程序和時率監測軟件平臺及手機APP，為后續的液面測試、措施制定、化清、作業等多項工作提供可靠的依據。同時，也有效提升了油田信息化管理程度[1]。

1 抽油機井時率監測裝置

1.1 結構

經過前期調研，遠程監控技術需要鋪設通信光纜，投入成本較高，并不適合外圍油田分散油井的規模使用。目前在市場上生產、生活領域的監測裝置種類繁多、應用廣泛，通過借鑒“車輛報警器”等產品的工作原理，應用現場數據采集、傳輸報警信號技術，研制抽油機井時率監測裝置，裝置主要由供電回路、蜂鳴報警器、單片機、SIM卡、備用電池及遠程通信模塊等部件組成。

裝置從功能實現、經濟性、裝置集成度與穩定性、所需空間、安全性、信號覆蓋率等7個方面進行綜合評價分析，時率監測裝置技術需求見表1。

1）功能實現：要求抽油機井時率監測裝置能夠實時監測抽油機井運行狀態。

2）經濟性：在能夠實現監測裝置功能的前提下，盡量節約成本。

3）集成度：集成度盡可能高，便于適應現場使用。

4）裝置穩定性：裝置構成是否簡單、設備耐久性高低。

5）所需空間：裝置安裝在控制箱或控制柜內，所需空間大小。

6）安全性：抽油機井時率監測裝置對人身設備是否存在安全隱患。

7）信號覆蓋率：為適應外圍油田的工作情況，信號覆蓋面積盡可能大。

最終，排除了以RTU等成本較高的核心架構開發模式，確定以單片機為核心架構開發時率監測裝置方案。由單片機控制器采集現場電信號、結合備用電池供電，利用通訊模塊傳輸抽油機井的運行狀態，經數據庫分析并傳輸將數據顯示在個人的移動終端[2]。

1.2 工作原理

時率監測裝置適用于外圍油田環境，具備低成本、易維護、分散油井也可以大規模安裝的特點。在使用時，需要將時率監測裝置安裝在抽油機井輸出交流接觸器下端，當抽油機井出現斷電時，蜂鳴器報警，遠程通信模塊通過SIM卡發送信息至后臺監控軟件，通知崗位員工及時到現場查看油井運行情況[3-4]。

1.3 功能

實時監測油井工作狀態，并及時發出啟動與停機報警。后臺自動處理數據，統計抽油機實際工作時間。建立油井生產數據庫，可進行數據查詢與瀏覽，產生表格并輸出工作報表。通過局域網查詢數據和客戶端監控軟件在局域網同步監控油井狀態，并具有歷史記錄、生產時率查詢等功能。

表1 時率監測裝置技術需求Tab.1 Technical requirements for rate monitors

2 抽油機井時率監測裝置軟件開發

抽油機井時率監測裝置軟件程序包括：單片機程序和時率監測系統平臺程序（移動端APP）兩部分。

1）單片機程序開發：以Windows 7為運行環境，構建基于Proteus和Keil軟件，配合單片機開發板設計的實驗平臺，通過Keil編程調試和Proteus仿真，實現軟件開發、仿真和電路設計相結合，然后通過開發板進行實際電路的設計制作。首先，分析了Keil嵌入式軟件開發的環境機制，對Keil使用的嵌入式編譯語言進行了重新整合，并且以此為基礎，將Keil中原有的用于ARM內核操作系統移植到ARM Cortex內核上，完成了針對時率監測裝置軟件開發。對Keil開發軟件環境的改造，降低了系統功耗，解決了系統在測試時帶來的干擾問題。其次，研究了Keil的嵌入式軟件開發過程及代碼復用原理，針對代碼復用模板進行改造，分別以資源方式與腳本方式進行時率監測裝置外設代碼開發。此外，對時率監測裝置工作模式等問題進行了更為深入地研究，解決了時率監測裝置無法報警、嵌入式軟件程序無法調試等具體開發問題。然后，根據時率監測裝置的實際需求，設計了一種通用化的電路，利用上述建立的Keil嵌入式軟件開發環境完成了時率監測裝置軟件的快速開發。最后，進行了時率監測裝置硬件的相關試驗驗證。在油井試用2套抽油機井時率監測裝置，模擬多次運行、停井試驗以確保試驗效果。前后啟停抽油機井20次，裝置報警20次，報警率100%。能夠實現遠程監測抽油機井的運行狀態并及時報警功能。試驗充分證明，時率監測裝置能滿足油井電參數采集各項需求[5-6]。

2）時率監測系統平臺程序（PC端和移動端APP）開發：通過C#編程軟件，采用net framework4.0程序框架，開發時率監測裝置上位機軟件平臺。程序主要由感知層、數據采集層、數據存儲層、業務應用層、服務層和應用層等六部分組成。首先，由感知層采集電參數上報給數據采集層，數據采集層通過對數據的合法性進行驗證分析，剔除不合理數據后，上傳至實時數據庫實現動態處理，實時數據庫通過整理相關數據（停機數量、時率運算、報警井數，歷史數據等）上報至結果數據庫，同時建立基礎數據庫用以保存用戶賬號和時率監測裝置相關管理權限，最終推送至服務層供應用層用于查閱。

移動端時率監測裝置APP開發模式由原來的native app開發模式改為現在的H5+混合應用開發。時率監測裝置手機APP通過基于mui和H5+混合應用開發模式，服務器端采用SSM架構，數據庫采用MySQL，客戶端開發采用mui框架、Jquerymobile等技術設計實現。經測試，利用基于mui和H5+混合應用開發的APP能夠實現一次開發、多端發布，能夠運行在Android、IOS等系統平臺上，實現跨平臺開發，并以此為基礎確定各功能模塊體系。

3 存在問題及改進措施

3.1 輸出電壓過高，造成裝置適配器燒毀

經過分析，原接線方案是將時率監測裝置接到配電箱出線端，在使用變頻運行時，電壓輸出受變頻器運行頻率影響，當變頻器運行頻率升高時，電壓也隨之升高，易導致時率監測裝置內適配器燒毀。另外，在惡劣天氣情況下，部分地區抽油機井因停電后在恢復送電過程中電壓陡升，也極易造成時率監測裝置內適配器燒毀（V/F是加在電機定子上的電壓和電源頻率的比值。輸出頻率為30 Hz，實測電壓為232 V；輸出頻率為50 Hz，實測電壓為380 V，適配器耐受電壓最大值為240 V，所以容易燒毀）。為此，技術人員在工頻交流接觸器外側加裝常開輔助觸頭，取三相線的其中一相線接入其常開觸點前端，并將其前端與變頻交流接觸器閑置常開觸點相并聯，然后將常開觸點另一端接入裝置的電源適配器輸入端，這樣可保證電源適配器獲得相對穩定電壓，不再受電壓波動影響[7-8]。裝置改進方案見圖1。

圖1 裝置改進方案Fig.1 Device improvement scheme

3.2 遭到人為破壞的優化建議

1）加強監管，當時率監測裝置斷電報警后，責任人及時核實井況和時率監測裝置的工作狀態。

2）在時率監測裝置外側加裝金屬外殼并噴漆做舊，安裝在特種控制柜內隱僻處，防止遭不法分子破壞或盜走挪為他用。

3）確保配電箱、特種控制柜完好，對破損配電箱、特種控制柜及時維修和更換，有效保護柜內變頻器、抽油機井時率監測裝置等電子元件完好。

4）有無天線對信號影響較小，建議拆除天線。

5）建議拆除裝置內蜂鳴器，蜂鳴器不僅沒有起到報警功能，反而引起了不法分子注意，導致監測裝置被破壞。

4 推廣應用效果

4.1 應用實例

1）某作業區A抽油機井（距離廠區較遠）。7月24日晚23點10分，時率監測裝置后臺軟件報警。負責人通知班組人員趕往現場核實停井原因。15 min后，前線反饋停井原因為現場供電線路故障。負責人通知作業區電工對線路進行恢復，30 min后，恢復正常生產。按崗位工人正常巡檢時間計算，至少影響4 h以上生產時間，應用抽油機井時率監測裝置后有效避免原油產量損失0.125 t。

2）某作業區B抽油機井（經常被人為破壞）。10月4日凌晨4點30分，時率監測裝置后臺軟件報警。負責人通知班組人員趕往現場核實停井原因。10 min后，班組人員打電話反饋停井原因為現場發現天線被剪斷、裝置整體被砸壞等多種蓄意破壞現象。裝置內SIM卡被盜走挪用，使監測裝置無法正常工作。負責人聯系數字化運維中心技術人員對配電箱進行維修。40 min后，抽油機井恢復正常生產。按崗位工人正常巡檢時間計算，至少影響3 h以上生產時間，應用抽油機井時率監測裝置后有效避免原油產量損失0.3 t[9-10]。

3）某作業區C抽油機井（高產井）。12月8日7點30分，時率監測裝置后臺軟件報警。負責人通知班組人員趕往現場核實停井原因。10 min后，班組人員打電話反饋停井原因為現場發現該井正在進行現場測試，待技術人員完成測試后，即可及時啟動抽油機井。

4.2 推廣應用情況

全廠共計安裝抽油機井時率監測裝置1 320套。經現場驗證，均能夠在停井后1 min內開始報警，報警準確率達100%。經查詢采油與地面工程運行管理系統，應用該裝置后半年內，全廠油井平均有效時率由91.02%上升至92.82%。7月、12月油井平均有效時率統計見表2。

表2 7月、12月油井平均有效時率Tab.2 Average effective hours of July and December Wells

4.3 效益分析

4.3.1 經濟效益

通過對非正常停井的井數、井次、時間進行分析，參照管理模式，推算減少躺井時間8 716 h，減少原油產量損失1 340 t。按設備投入當年的噸油效益0.321萬元計算，共計收益430.14萬元。抽油機井時率監測裝置成本310元/臺，應用1 320臺，共計投入成本40.92萬元，創效389.22萬元。抽油機井時率監測裝置對油井非正常停機報警情況統計見表3。

表3 抽油機井時率監測裝置對油井非正常停機報警情況統計Tab.3 Abnormal shutdown alarm of pumping well by time rate monitoring device

4.3.2 社會效益

抽油機井時率監測裝置應用到現場安裝方便、操作簡單，通過移動終端APP可以實時監測抽油機井運行狀態，該裝置可以現場應用到地處偏遠、不便于管理以及日產量較高需要重點管理的抽油機井上使用，降低崗位員工勞動強度，使油井管理模式發生根本性變化，將分散油井的生產狀態直接納入遠程系統化管理，提高油田數字化管理水平，提高油田整體開發效益。

5 結論與認識

1）抽油機井時率監測裝置現場安裝維護方便、操作簡單，通過PC端或移動終端APP可以實時監測抽油機井運行狀態。

2）抽油機井時率監測裝置單臺成本低，經濟效益顯著。

3）抽油機井時率監測裝置可以應用到地處偏遠、不便于管理以及日產量較高的抽油機井上，從而使油井管理模式發生根本性變化，有效解決監管不易的痛點、難點。

4）在抽油機井生產過程中，需要不斷地監測懸點載荷與懸點位移。隨著自動監測技術、通訊技術和計算機技術的高速發展，采用準確、高效、實時的抽油機井工況自動監控技術，及時發現抽油機井故障，把傳統的事后維修變為故障提前預警，正確分析判斷抽油井系統的工況，提供維護管理的有效措施，降低無功消耗，提高開井時率是未來的發展趨勢。抽油機時率監測裝置僅能通過遠程監測電信號有無判斷抽油機啟停狀態，所傳送數據較少，功能較仍需要進一步完善。