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油井数据采集控制.doc

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摘要在我国,有杆抽油设备是机械采油的重要生产设备。因油井大多地处野外,且地理位置较为分散,为能够迅速准确地掌握油井的工况、及时发现油井故障、提高工作效率和经济效益,本课题设计开发了油井多参数远程监控系统。该系统旨在实现对油井工况的数据采集、传输、存储和处理,完成油井示功图的绘制,提高处理油井故障效率,并可以实时监控抽油机的运行状态。本系统主要由现场监控终端和监控中心两部分组成。现场监控终端以 AT89S51 单片机为核心,按照预先设定的采样频率,采集现场终端的电压、电流、载荷和位移等参数,通过无线数传电台远传至监控中心,同时接收监控中心命令、完成相应控制动作。监控中心软件采用 Visual C++语言开发,实现对油井数据的接收、存储及处理、工作状态的显示、示功图的绘制、报表打印和油井管理等功能,此外,还建立了 BP 神经网络识别示功图模型,利用 BP 神经网络实现对示功图的自动识别分析功能,加强了对油井的有效管理,提高了油井的运行效率。通过本课题的研究,设计的油井多参数远程监控系统具有信息传输可靠、成本较低、适于在野外环境下无人值守时的监控等特点,提高了油井的自动化管理水平。关键词:油井,现场监控终端,监控中心,示功图,BP 神经网络第 1 章绪论1.1 课题来源及研究意义在我国原油生产中,有杆泵抽油设备是油田重要的生产设备,它们的成本往往占油田生产费用的绝大部分,它们的运行好坏直接影响采油产量和效益,所以有杆泵抽油装置的故障所造成的经济损失是极其巨大的[1]。因此,及时而准确的监控有杆泵抽油井的工作状态尤为重要,它不仅可以为油井的管理提供依据,而且还能为增产措施(如压裂等)提供检测手段。但传统有杆泵抽油井的监控大多依赖人工作业完成,即由工人每日定时检查设备运行情况并采集、统计油井的工作数据。由于油田油井数量较多且大部分分布在野外,分布较为分散,这种方式必然增加工人的劳动强度,影响采油数据的实时性和准确性,给油井的监控和数据的统计带来诸多不便。随着技术的进步和生产管理自动化水平的不断提高,石油行业的生产监控系统也得到了发展。应用信息技术和自动化技术建立一个远程监控系统来实时监控有杆泵抽油井的运行状态,实时采集油井的工作状态参数和检测油井的变化信息,对设备和生产中出现的突发性事件进行实时报警,具有非常高的实际应用价值和现实意义[2-5]。本课题来源于胜利油田某采油厂,该厂采油设备以有杆泵抽油为主,设备比较分散,运行情况难以获得并且维护困难,为了提高该厂的油井自动化管理水平,设计开发了油井多参数远程监控系统。该系统能有效地提高油井各项工作状态参数的实时检测和控制水平,及时发现设备隐患及故障,为提高该厂采油产量和效益提供了可靠的保障。1.2 有杆抽油系统介绍从地层中开采石油的方法可分为两大类:自喷采油法和人工举升采油法[6]。目前有各种各样的人工举升采油法,如气举法、泵抽法。在各种人工举升采油法中,有杆抽油法是应用最早也是最为广泛的一种方法,早在石油工业问世时,就开始采用这一方法进行采油。现在,在各种人工举升采油方法中,有杆抽油仍居于首要地位。据统计,我国有杆抽油井的比例在机械采油井中占 90%以上。有杆抽油设备[6-9]由三部分组成:一是地面驱动设备即抽油机,目前应用最为广泛的是游梁式抽油机;二是井下的抽油泵,它悬挂在油管的下端;三是抽油杆柱,它把地面设备的运动和动力传给井下抽油泵。除以上三个主要组成部分外,就有杆抽油系统而言,还应包括用于悬挂抽油泵并作为液体通道的油管柱、油套管环形空间及井口装置等。抽油机就是把旋转运动转变为光杆所需要的往复运动的机械,它是有杆抽油系统的主要地面设备。常规游梁式抽油机主要结构部分如图 1-1 所示:游梁式抽油机主要由游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置等四大部分组成。各个部分都安装在一个固定的钢质底座上,确保底座上所有的部件与井口在一条中心线上,通常钢底座固定在水泥基础上。萨姆森支架可以是三条腿或四条腿,它是抽油机中最强的部件,因为它承受着全机中最大的负荷。在萨姆森支架的上面是支撑着游梁的中央轴承座。游梁是一个重型的工字钢,它的截面有足够的能力承载井的负荷与机械驱动负荷。井口一侧的游梁末端安装着驴头,驴头上系悬吊的钢丝绳与光杆悬绳器。驴头上下运动带动钢丝绳与光杆悬绳器,带动光杆上下运动。驴头外侧有一个弯曲的弧度,保证光杆仅仅做垂直上下运动。否则,光杆受到弯曲力将迅速断裂。在普通抽油机上,游梁的另一端安装的是横梁与它的轴承座。横梁轴承座与游梁连接,在它下面,连着横梁。横梁的两端,对称地装着两个传递光杆负荷的连杆。由钢质材料制成的连杆,在它的下端与装在曲柄上的连杆销相连。连杆销内装有轴承,使连杆的下端随着这个点作圆周运动。两个曲柄分别固定在齿轮减速箱的输出轴上,由该轴输出的低转速驱动曲柄作低速旋转。普通配重铁装在曲柄上,并能沿着曲柄面调整它的固定位置。抽油机的正常运转要求减少摩擦阻力,而结构中的轴承可使摩擦阻力降到最低程度。抽油机剩下的部分是减速箱,它能够把电机传来的高转速变成抽油所需要的低转速,是能使抽油机在任何位置上停止的制动系统。抽油机的驱动一般由电机来完成,但是也有使用内燃机的。抽油杆柱是抽吸系统中最重要的部分,因为它连接着抽油泵和地面的抽油机。抽油杆柱分别由多根抽油杆、每根相互连接而组成,在有杆泵抽油系统中,挂在游梁驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱做上下往复运动。有杆泵抽油的井下设备,主要由工作筒(泵筒和衬套) 、柱塞及游动凡尔(排出凡尔) 、固定凡尔(吸入凡尔)组成。泵的工作由三个基本环节组成,即柱塞在泵内让出容积,液体进泵和从泵内排出液体。在理想的情况下,柱塞上下一次进入和排出的液体等于柱塞让出的容积。上冲程,抽油机带动抽油杆连接柱塞一起向上运动,柱塞上第 1 章绪论的游动凡尔受柱塞上油管液柱压力作用而关闭,与此同时,泵筒内由于柱塞上行让出容积而压力降低,固定凡尔在油套管环形空间液柱压力作用下被冲开,液体被吸入泵筒内,上冲程为泵吸入液体而油井排出液体的过程。下冲程,柱塞下行,固定凡尔关闭,泵筒内压力增高,当泵筒内压力大于柱塞以上的液柱压力时,游动凡尔被冲开,泵筒内液体通过游动凡尔排入井筒中,如图 1-2 所示。柱塞上下一次为一个冲程,在一个冲程内完成一次吸入液体和排出液体的过程。1.3 油井监控系统的发展及研究现状随着计算机技术、通信技术的发展,油井监控系统也得到了很大的发展。油井监控系统发展的要求它应具备以下特点:(1)油井在地域方面呈现点多、面广、线长的特点要求系统支持长距离传输。(2)井站无人值守和远程控制决定了系统应具备抵抗恶劣的天气环境的能力。(3)系统庞大,监控井站数量多,要求通讯系统速率高、轮询响应时间快。(4)因为石油天然气行业为国家的能源基础,其所采用工控系统都是最先进可靠的设备,所以作为整个系统关键保证的通讯链路也必须要可靠稳定且性能优异才能保证整个工控系统的最佳运行[10-12]。我国的油井监控系统起步较晚,开始于 1958 年玉门白杨河油田实施抽油机监控。当时我国石油产量很少,石油供应异常缺乏,作为石油生产的关键设备,抽油机的工作状况直接关系到油田的产量和效益。为了提高石油产量,技术人员进行了抽油机示功图的测试研究[13][14]。60 年代,随着胜利、大港油田的相继开发,国内先后有数百家企业涉足了油井远程监控系统的研究和开发工作,但由于油井生产管理技术水平低、自动化技术有限,远程监控始终未能得到大规模推广应用,油井现场数据采集和油井控制长期维持在人工干预状态。近年来,尤其从 90 年代中后期掀起的信息浪潮开始,计算机技术、传感器技术、信息技术等的迅猛发展,为油井监控技术的发展注入了活力,我国的油井远程监控技术开始进入一个崭新的时期。迅速发展起来的微波技术、小功率微波技术,可以很容易将数据传送到千里之外,油田科技人员可利用这一技术来实现对油井的远程监控。但由于成本投资大、油井测量系统环境恶劣,盗窃破坏严重,产品化程度差等原因,这种技术没有得到广泛的推广应用。目前,油田远程监控系统已摆脱了传统的监控模式,由早期的仪表监测进入以微电子学为基础,集计算机技术、网络通讯技术于一体的新一代远程监控系统,油井区块采用远程控制系统,信息采集准确、快捷,提高了资料录取的准确率,极大地提高了采油厂动态分析的效率和质量;为采油厂开发科学决策、优化生产管理和日常生产的正常运行提供了保障;确保了安全生产,减少了事故隐患和损失;同时也为生产管理人员及早发现、解决生产故障,降低能耗,减少设备的磨损以及提高劳动生产率提供了保障。由于计算机技术、网络技术等的应用,使现在的系统较之以前开发的系统有了较大进步;采用工业级的电器元件,使系统的可靠性也得到了提高;通信能够兼容有线、无线、微波、光缆等通信系统和高速、低速通信方式,使数据采集和传输的综合能力变得十分强大,以能够适用于油田的复杂数据的处理和传输。同时由于系统的操作界面采用 Windows 操作系统,具有全中文操作,界面美观友好,稳定性好等特点,系统的数据查询在直观的界面上用鼠标操作,非常简便。系统管理使用方便,并可降低劳动强度,为节能增效提供了科学保障,可以说,当前的油井远程监控系统进入了一个重要的发展阶段。但从总体而言,国内油井远程监控系统的参与厂商水平参差不齐,而且各厂家都是在做试点工作,也有个别厂家开始规模推广,但暴露出许多问题,主要表现在:油井现场设备可靠性、可维护性差,不能承受油井现场恶劣的工作环境;系统数据开放性不够、兼容性扩展性较差,不利于区块滚动开发时扩容;系统价格较高,影响了系统的推广应用;系统远程监控的自动化程度还有待于进一步提高[15-17]。1.4 课题研究的主要内容针对油田油井自动化水平不高,油田领域越来越多的要求无线监控系统具有实时采集、传输和处理功能的现状,本课题设计研究了油井多参数远程监控系统。系统以AT89S51 架构的主控模块为核心采集油井工作参数,利用数传电台定时远传至监控中心,监控中心根据 BP 神经网络建立示功图自动识别模型,并结合其他参数对油井工况进行分析处理,远程监控油井的生产运行情况,并及时对发生的情况做出反映和处理。通过该系统,工作人员足不出户就可以随时观测到油井的生产状况,这在一定程度上提高了油井的自动化管理水平,具有较高的实际应用价值和现实意义。第 1 章绪论论文的主要内容及章节安排如下:第 1 章为绪论部分,简要阐述了课题来源、研究意义和研究现状,并对有杆抽油系统做了简单介绍。第 2 章对本课题所研究的系统进行了需求分析,并提出总体设计方案。包括下位机的硬件设计方案、系统的软件设计方案和数据的无线传输方案。第 3 章对系统的硬件电路进行了设计。主要包括计主控模块设计、数据采集模块设计、外部输出控制电路设计、串口电平转换电路设计和电源模块设计;此外,还进行了系统的硬件抗干扰性设计。第 4 章主要阐述了系统的软件设计。包括下位机软件流程以及系统上位机的软件设计,并且利用 BP 神经网络建立示功图预测识别模型、实现了示功图自动识别分析。第 5 章给出了系统实验与结果分析。对数据采集结果做了简要分析,进行了远程数据传输的测试,最后通过示功图识别的实验结果,验证了示功图识别的正确性。最后对全文进行总结,指出研究的不足,讨论系统以后需要研究的方向。第 2 章系统的总体设计方案本课题要求针对油井设计一种能够集数据采集、远程监控、报警、资料存储和查询于一体的远程监控系统,并可以将实时数据远传至监控中心进行分析处理和实现示功图的自动识别。为此,应根据采油厂特殊的工作环境及其要求进行系统设计。2.1 功能需求分析根据用户需求和采油厂所处地理环境条件一般比较恶劣,地域分布具有点多、面广、线长的特点,系统应具有以下功能:(1)对监控点进行全天候实时无人监控。(2)采集终端油井电压、电流、载荷、位移等参数,并能进行相应处理和存储。(3)对油井停机、参数越限等异常情况给出报警信息。(4)具有掉电保护功能,可长期保存设定参数和历史数据。(5)远程实现对抽油机的负荷超限停机控制,定时启动控制。(6)远程设置从站发送定时时间间隔、参数的上下限、允许报警、禁止报警等参数。(7)抽油机工况分析功能,通过对示功图、冲程、冲次等参数的分析,判断油井工况,使相关技术人员及时采取有效措施,减少故障发生率。(8)资料处理和打印功能,系统可存储一定时期的历史资料,通过历史资料可随时查询一定时期内油井的实测数据,并从中可以得到油井的工况变化趋势,分析油井的系统效率。人工操作可打印报表。(9)系统还应做到耐低温、高温、防雨、防潮、防尘、防腐蚀、抗电磁干扰、防雷击等要求。2.2 性能需求分析油田油井大多地处偏远,环境恶劣,受自然条件如雷电、暴雨等影响较大,因此油井多参数远程监控系统对性能要求比较高。本课题主要考虑了系统的可靠性、安全性和可扩展性。2.2.1 系统的可靠性油井多参数远程监控系统要求数据采集及信息发布准确可靠,在本系统中表现为第 2 章系统的总体设计方案8系统能抗雷击、抗电磁干扰并具有故障报警功能。提高系统可靠性主要从以下两方面考虑:一是提高系统设备的可靠性;二是从软件方面,如测量采用的方法、数据处理的算法设计等。在本课题中,主要从芯片的选型、电路的设计、数据的冗余等方面来保证系统的可靠性。2.2.2 系统的安全性导致油井多参数远程监控系统的不安全因素包括自然的和人为的两类。自然的主要指测点终端处的地理条件和气候条件,对系统安全性的影响表现为损坏设备、导致系统故障或不能工作。人为因素则包括操作人员、管理人员和系统用户等。各类用户使用系统的权限不尽相同,因而必须健全对用户的管理。本课题采用了软硬件抗干扰技术、设置登录人员权限等方法实现系统的安全性。2.2.3 系统的可扩展性油井多参数远程监控系统的可扩展性需求决定了系统应适应油田的未来发展的能力。试想一个花了若干万构建的监控系统,就在使用不到一年,因为油井数量的增加,或者增加、改变了一些应用功能模块就无法适应了,需要重新淘汰一部分原有设备或者应用系统,甚至需要全面改变原有系统的拓扑结构,其损失之大是一般企业都无法承受的,也是不允许的。所以本课题的设计应充分考虑监控系统的功能要求,并留有适当的余地,以便进行功能扩展或进行二次开发。2.3 系统的组成和设计根据以上需求分析,将系统划分为现场监控终端、无线通信网络和监控中心三部分,其基本结构框图如图 2-1 所示。现场监控终端采集油井工作参数,然后通过通信网络上传至监控中心,监控中心接收终端数据,进行数据存储和分析,并发出控制命令,远程遥控油井,实现对油井的远程控制。本课题将监控系统的设计分为三部分:系统的硬件设计方案;数据的传输方案;系统的软件设计。下面从这三个部分分析设计监控系统时需要解决的问题。2.3.1 系统硬件设计方案根据油田一个采油小队管理多口油井的生产管理模式,系统采用上下位机拓扑结构,本系统使用一台 PC 机作为上位监控中心,位于采油小队调度室,负责接收所采集的各油井运行数据,并实现数据的存储、分析等功能。下位机为现场监控终端,通常为无人值守形式,因此它的设计显得十分重要。现场监控终端的具体功能是:在监控中心的控制下,对有杆泵抽油井进行参数采集,将采集到的数据通过无线通讯网上传至监控中心,供监控中心进行处理和分析。根据实际开发的需要,监控终端主要由传感器、数据采集模块、主控模块、通信模块四个功能部分组成,如图 2-2 所示。9(1)传感器的选择传感器是决定整个系统性能的关键环节之一。由于传感器技术的发展非常迅速,各种各样的传感器应运而生,所以我们只需从现有传感器产品中正确选用所需产品而不必自己另行研制。要正确选用传感器,首先要明确系统对传感器的技术要求,其次第 2章系统的总体设计方案在满足测量范围、精度、速度、使用条件的情况下,尽可能选择成本较低的传感器[18][19]。本系统中,油井的被测参数有抽油机电流、电压、悬点载荷、位移和井口压力、井口温度,系统对各参数的量程和转换精度要求如表 2-1 所示。对传感器的选择采用以下技术措施:首先传感器与油井之间采用 4-20mA 电流传输,以提高信号的传输距离和抗干扰性能;其次选用适合采油厂恶劣环境的传感器,并配有防尘罩,以确保测试精度;最后选择成本较低的相应传感器即可。 (2)数据采集模块的设计数据采集模块负责对油井相关工作参数进行采集。当数据采集模块接收到主控模块发出的数据采集的命令后,则对参数进行采集,将数据送回主控模块。数据采集模块主要由信号调理电路、A/D 转换电路组成。(3)主控模块的设计主控模块是数据采集模块的核心控制单元。若无线通信模块接收到来自监控中心发来的命令,则送至主控模块进行分析、执行。如收到数据采集命令,控制数据采集单元采集工作参数,然后将采集到的数据经无线通讯网络传送到监控中心。主控模块以微控制器为核心,外接使微控制器正常工作所必须的电路等。目前监控终端系统中应用较多、较为常见的微控制器主要有嵌入式微机、单片机和数字信号处理器(DSP) ,采用何种微控制器应该根据应用场合和具体的使用要求,如系统重量、体积和处理能力等。表 2-2 列出了 3 种微控制器在使用性能上的相对优劣[20][21]。(2)数据采集模块的设计数据采集模块负责对油井相关工作参数进行采集。当数据采集模块接收到主控模块发出的数据采集的命令后,则对参数进行采集,将数据送回主控模块。数据采集模块主要由信号调理电路、A/D 转换电路组成。(3)主控模块的设计主控模块是数据采集模块的核心控制单元。若无线通信模块接收到来自监控中心发来的命令,则送至主控模块进行分析、执行。如收到数据采集命令,控制数据采集单元采集工作参数,然后将采集到的数据经无线通讯网络传送到监控中心。主控模块以微控制器为核心,外接使微控制器正常工作所必须的电路等。目前监控终端系统中应用较多、较为常见的微控制器主要有嵌入式微机、单片机和数字信号处理器(DSP) ,采用何种微控制器应该根据应用场合和具体的使用要求,如系统重量、体积和处理能力等。表 2-2 列出了 3 种微控制器在使用性能上的相对优劣[20][21]。从表 2-2 中可以看出,嵌入式微机的体积和重量过大,不适合微型化的要求,故应采用单片机或 DSP 作为微控制器。但是,对油井监控系统而言,监控终端对微控制器的运算速度和信息处理量要求并不高,所以从成本方面考虑,采用单片机作为系统的控制单元。2.3.2 无线远程数据传输方案(1)无线远程数据传输方式选择目前,国内外远程监控系统的产品有多种,无线远程数据的传输方式也是多种多样的。一般将数据的传输方式分为有线传输和无线传输。由于油井地处野外、数量多、距离远,因此远程监控统采用有线传输方式具有建设周期长、工作难度大、运行费用高,不利于大规模使用等缺点。与之相比,无线传输方式则显得非常灵活,它具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。常用于监控系统的无线传输方式主要有无线数传电台、GSM-SMS 通信、GPRS通信、卫星通信、数字集群通信等。表 2-3 给出了这几种远程数据传输方式的性能比较。由表 2-3,结合油井多参数远程监控系统的实际需求,我们选用无线数传电台作为数据的无线传输方式。这是因为:1)卫星通信具有覆盖范围广,建站成本及通信费用与通信距离无关,同一信道可用于不同方向和不同区域等优点,但是它的建站成本和使用费用都比较高。比较适合于容量小,分布广,有一定保密要求的系统使用[22]。2)数字集群通信方式的覆盖范围有限、传输速率不高、实时性一般,适用于小区域且实时性要求不高的遥控遥测应用领域等[23]。3)相比数传电台,尽管 GSM 和 GPRS 通讯的设备成本较低,但它们的数据传输按流量计费或包月计费,使用费用较数传电台高[24][25]。4)数传电台可提供 30-50 公里范围内的监控系统的实时可靠的数据传输,具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远、抗干扰能力强的特点,适合点多而分散、地理环境复杂等场合,在很多领域都有广泛的应用。(2)无线远程数据传输组网方案通过对几种无线远程数据传输方式的对比分析,选用无线数传电台作为系统的传输方式。因美国 MDS2710 电台采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴片一体化设计等技术,覆盖频率为 220-240MHz,具有数据吞吐量大、传输距离远、全透明异步实时传输、使用标准的异步通信协议、无需特别设置及编程和抗干扰能力强等特点,所以本课题选用 MDS2710 数传电台进行数据传输。常见的无线数据传输组网方案有点对点、点对多点、中转(有一级或多级) 、多基站、线条型等。本课题研究的系统为主从式结构设计,监控中心为一台 PC 机,现场监控终端为多口油井,传输距离大约几十公里,所以采用点对多点的组网方式,以轮询方式采集油井数据,MSD2710 通过 RS232 接口分别与监控终端和监控中心相连。系统的组网方式如图 2-3 所示。2.3.3 系统的软件设计系统的软件设计包括监控终端的软件设计和监控中心运行平台的选择及设计两部分。在监控终端,由于以单片机作为终端系统的微处理器,所以采用单片机的 C 语言进行软件设计,实现相应功能。本课题主要分析监控中心的功能设计、开发平台的选择。(1)监控中心功能结构设计监控中心的功能是对现场监控终端上传的数据进行保存、分析、处理和显示,用于判断油井的工作状况,并远程遥控油井的启、停等。为了便于系统维护和功能扩展,软件采用模块化的设计方法,根据需求分析将监控中心系统封装成相互独立的几大功能模块,并根据模块内容完成相关功能。上、下位机之间数据通过无线网络传输,实现远程监控。图 2-4 为监控中心软件的结构功能框图。
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