基于物聯網的柱塞泵排水采氣控制系統

摘 要：隨著氣井數字智慧化建設的快速推進，針對氣井開采中后期自噴能力下降與產氣量下降問題，研發了一種基于物聯網的柱塞泵排水采氣控制系統。該系統由數據采集、網絡傳輸及智能監控平臺三部分組成，基于物聯網三層架構對氣井積液面、井口壓力、產氣量及柱塞泵工作頻率等生產數據進行實時采集、傳輸及智能分析與控制，采用模糊控制策略，實現了柱塞泵工作頻率的優化控制。實際應用結果表明，基于物聯網的柱塞泵排水采氣控制系統能夠有效調控氣井積液面，提高氣井產氣量，對氣井的高效開采具有較高的應用價值。

關鍵詞：氣井；物聯網；柱塞泵；排水采氣；模糊控制；SQL Server

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-0-03

0 引 言

在氣田開發的中后期，地層壓力和氣井產量逐漸下降，當產量下降到臨界流量以下后，氣井無法將產出的地層水全部帶出到地面，部分液體回落至井底形成積液，導致氣井自噴能量下降，攜液能力減弱，最終致使氣井水淹停產[1-3]。

排水采氣技術工藝是解決氣井井底積液問題、恢復和保障氣井產能的有效方法[4]。其中，泡沫排水采氣技術使用設備相對簡單、施工容易，成本低，見效快，對氣井正常生產影響小，但存在使用范圍有限和泡沫控制的問題[5]。速度管柱排水采氣技術具有施工周期短、增產見效快、產氣周期長及避免傷害地層等優點，但存在更換管柱復雜、作業難度高及配件復雜等問題[6]。

為克服泡沫排水采氣技術和速度管柱排水采氣技術的缺點，針對氣井開發過程中的積液問題，結合物聯網技術與模糊控制，研發設計了基于物聯網的柱塞泵排水采氣控制系統。該系統能夠實時采集氣井生產數據，依據不同的工況自動調節柱塞泵電機的工作頻率，實現柱塞泵自動啟?？刂?，對于氣井開發增效具有重要意義。

1 柱塞泵排水采氣控制系統構成

基于物聯網的柱塞泵排水采氣控制系統由數據采集層、網絡傳輸層以及應用監控層組成[7]，其核心是柱塞泵控制器，系統構成如圖1所示。數據采集層由安裝在井口的積液面監測儀、流量計、變頻器、壓力計以及柱塞泵控制器組成，實時采集氣井的生產數據，并將所采集的氣井生產數據通過網絡傳輸層傳輸至后臺服務器和監控主機，為柱塞控制器執行頻率調節控制提供算法依據。網絡傳輸層是系統數據傳輸的中樞，由柱塞控制器內部安裝的4G模塊形成的4G無線網絡構成。應用監控層由監控主機和后臺服務器組成，通過網絡傳輸層獲取實時生產數據，對生產數據進行綜合分析與實時存儲，實現數據庫建立、數據實時顯示與歷史查詢等功能，監控平臺通過4G網絡進行遠程指令控制和遠程參數配置。

2 柱塞泵排水采氣控制系統硬件實現

2.1 柱塞泵控制系統硬件設計

基于物聯網的柱塞泵排水采氣控制系統硬件組成如圖2所示，主要包括積液面監測儀、壓力計、流量計、柱塞泵控制器、變頻器、啟動繼電器、停止繼電器、柱塞泵、電源、4G模塊和監控平臺及服務器等。

2.2 柱塞泵控制器硬件設計

柱塞泵控制器選擇STM32F103RET6單片機作為主控制器，硬件外圍電路主要包括RS 485采集模塊、4G模塊、觸摸屏電路、柱塞泵啟停電路、存儲模塊、按鍵模塊、復位電路、電源模塊及調試電路等。柱塞泵控制器硬件組成如圖3所示。工作時，控制器通過RS 485采集模塊實時采集井口檢測儀表數據；觸控屏用來進行數據顯示、參數設置及人機交互等；存儲模塊用于存儲采集的數據；通過4G模塊傳輸采集數據至監控平臺并接收控制指令；柱塞泵啟停電路實現柱塞泵的手動或自動控制。

2.3 監控平臺

柱塞泵排水采氣系統監控平臺主要由服務器和監控主機組成，運用物聯網、大數據、人工智能技術構建了積液面計算模型、模糊控制算法模型、井底壓力計算模型及柱塞泵自動啟停算法模型等[8]，對接收的氣井生產數據進行分析與處理，以數據包形式下發指令至柱塞泵控制器。監控平臺將處理結果存入SQL Server數據庫，在界面顯示數據結果，方便作業人員查詢數據或設置參數。

3 柱塞泵排水采氣控制系統軟件開發

3.1 柱塞泵排水采氣控制系統軟件構成

柱塞泵排水采氣控制系統軟件設計須在Keil MDK運用C語言和C++語言采用模塊化編程思想進行功能開發。柱塞泵排水采氣控制系統軟件構成如圖4所示。柱塞泵排水采氣控制系統軟件主要由數據采集與傳輸程序、數據解析與計算程序及柱塞泵工作頻率調節程序組成。

3.2 數據采集與傳輸程序設計

柱塞泵控制器通過RS 485和Modbus協議完成與各井口檢測儀表之間的信息通信。系統初始化后，各井口檢測儀表開始采集生產數據，待數據采集完成后，柱塞泵控制器向各檢測儀表發送數據讀取指令，檢測儀表收到讀取指令后向控制器發送數據。柱塞泵控制器讀取采集的數據，數據讀取完成后，對數據進行封包、加密處理，通過4G無線網絡和TCP/IP協議將數據包發送至監控平臺[9]。數據采集與傳輸流程如圖5所示。

3.3 數據解析與計算程序設計

系統初始化后，監控平臺與柱塞泵控制器建立4G網絡連接，待數據包接收完畢后，調用系統軟件的積液面計算模型和井底壓力計算模型計算積液面值、井底壓力值。當積液面變化超過預設閾值時，柱塞泵停止工作；待恢復至閾值及以下后，柱塞泵啟動。將處理結果存入數據庫，在監控主機上實時顯示，便于查詢，并將數據發回柱塞泵控制器在觸控屏上顯示，供現場人員查詢[10]。數據解析與計算程序流程如圖6所示。

3.4 柱塞泵工作頻率調節程序設計

系統初始化后，讀取當前積液面值和柱塞泵工作頻率，計算積液面值與預設值之間的偏差e和偏差率ec，對e和ec進行模糊化處理，查詢預先編程完成的模糊數據表得到實際工作頻率值[11]；將實際工作頻率值和當前工作頻率值進行比對，二者不同時，系統下發變頻指令至柱塞泵控制器進行變頻操作。柱塞泵工作頻率調節流程如圖7所示。

4 系統應用效果與分析

2023年4月，在榆林地區某氣井對基于物聯網的柱塞泵排水采氣控制系統進行測試，測試數據見表1所列。實際應用效果表明，基于物聯網的柱塞泵排水采氣控制系統能夠準確測量積液面值，依據積液面變化自動調節柱塞泵工作頻率，提高產氣量，達到穩定增產的效果。

5 結 語

（1）該系統基于物聯網架構實現了對氣井生產數據的實時采集、傳輸和處理，以及柱塞泵工作狀態的實時監控，具有良好的準確性與可靠性。

（2）基于物聯網的柱塞泵排水采氣控制系統通過對積液面數據的分析與處理，結合模糊控制算法，能夠自動調節柱塞泵工作頻率，完成柱塞泵自動啟?？刂?，實現積液面閉環控制，有效提高氣井的產氣量和生產效率。

參考文獻

[1]周際永，伊向藝，盧淵.國內外排水采氣工藝綜述 [J].太原理工大學學報，2005（z1）：47-48.

[2]印薇薇，張兵，韓學婷，等.氣井積液的識別與排水采氣工藝優化研究 [J]. 化工管理，2016（29）：223-226.

[3]曹光強，姜曉華，李楠，等. 產水氣田排水采氣技術的國內外研究現狀及發展方向 [J]. 石油鉆采工藝，2019，41（5）：614-623.

[4]張陽. 產水氣井積液規律及氣舉排水采氣工藝方案 [J]. 石化技術，2024，31（3）：171-173.

[5]馬國華，劉三軍，王升. 低產氣井泡沫排水采氣技術應用分析 [J]. 石油化工應用，2009，28（2）：52-55.

[6]陶金.速度管柱排水采氣機理及應用 [J].石化技術，2018，25（7）：103.

[7]張乃祿，同志超，陳媛. 基于STM32F429的新型油井智能間抽控制系統 [J]. 信息技術與信息化，2021（10）：101-103.

[8]張乃祿，盛盟，顏瑾，等. 集散式油井動液面監測井場集中監控器研制 [J]. 西安石油大學學報（自然科學版），2020，35（3）：110-115.

[9]袁瑛.基于實時生產數據的油井工況診斷與預警系統研究[D]. 西安：西安石油大學，2021.

[10]賈志鵬，李盼，念彬，等. 基于物聯網的油井智能間抽控制系統[J]. 物聯網技術，2021，11（7）：59-61.

[11]張乃祿，李偉強，劉峰，等. 基于動液面與套壓的抽油控制系統[J]. 西安石油大學學報（自然科學版），2018，33（1）：75-78.