基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統設計

高 娟，王 維，龐 波，龐 靜，郭振華

(延長油田股份有限公司 七里村采油廠，陜西 延安 717111)

0 引言

目前網絡信息技術的不斷發展，物聯網技術得到較大的提升，依靠物聯網技術能夠獲取較多的數據，進而掌控研究目標更加完整的信息[1]。油田在采油過程中，抽油機器抽取油量將多于油井的油量自主吸收量，將造成抽空現象的產生，進而浪費油量開采過程中所需的電能，同時損壞抽油機器內部零件，導致較為嚴重的后果[2]。因此，為了避免抽油機損壞造成的事故，相關研究學者針對低產井間歇抽油機制設計自尋優控制系統。

由于油田在開采的過程中具有特殊性，抽油機在抽油的同時產生狀態監控故障，為此，在進行控制系統設計的初始階段需對油田的基礎情況進行分析，并不斷調整基礎情況信息與抽油機制間的關聯程度，完善控制原則，轉化抽油的控制空間，實現實時監控，從而提升整體控制系統的控制性能[3]。目前的低產井間歇抽油自尋優控制系統設計在獲取基礎抽油數據的基礎上，構建控制系統，并調整控制系統的控制中心，整合系統內部操作機制，增強控制系統的控制有效率[4]。但在控制系統設計的過程中對于系統內部的元件調節力度較小，無法完成任務量較大的抽油工作。為此，針對上述問題，提出基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統設計，對以上問題進行分析與解決。本文系統設計在設計的同時兼顧系統的硬件元件與軟件平臺的關聯信息，并加強對系統主導信息的管理力度，增強整體系統控制力度，能夠有效減小系統無功補償誤差，縮短控制時間，完善了控制系統的內部控制空間與控制程序內容，擴大了整體控制的范圍，為后續研究提供良好的研究數據基礎。

1 系統結構及原理

基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統結構如圖1所示。

圖1 基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統結構

根據圖1可知，基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統硬件結構主要由數據采集器、前置服務器和數據控制器組成，軟件控制平臺通過設置軟件內部參數，交換原油數據傳感信息，測量系統軟件電壓，構建控制準則與控制平臺程序，查詢匹配最佳數值信息，實現低產井間歇抽油自尋優控制。

2 基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統硬件設計

基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統硬件結構如圖2所示。

圖2 基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統硬件結構

根據圖2可知，基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統硬件結構，采用DCZL23-WFET600S-I型數據采集器，通過RS48通信方式[5-6]，將抽取的原油數據輸入模糊控制器及PID控制器中，并傳導數據信息至中心控制系統中，連接USB接口，完成原油數據的采集。通過前置服務器子站利用光纖發送至前置通信設備，完成原油數據收集清洗，實現內外部原油數據銜接。利用串口SSI三線信號輸入，適用于單圈SPI串口編碼器，RS-485的串口連接，12 V或5 V外供電源的數據控制器，實現系統的協調控制操作，完善系統操作，提升系統的協調控制有效率，并由此構建控制系統硬件設計。

2.1 數據采集器

對抽取的原油數據進行收集，本文數據采用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和嵌入式操作系統軟件平臺，具有靈活的系統升級能力，支持電力線載波、微功率無線、RS485等各種通信方式[7]。其中，上行通信采用模塊化設計，管理原油數據系統操作信息，在管理的同時能夠傳導數據信息至中心控制系統中，并連接USB接口，保證數據信息的傳輸安全性，利用不同的傳導通道弱化系統數據間的差異信息，促進數據的同一化發展，及時清除不符合數據系統操作的原油輸出數據，確保數據傳輸的純潔性[8]。采集器結構如圖3所示。

圖3 采集器結構

如圖3所示，C-1管理單元組通過映射傳輸至VC-1虛容器中，并將VC-1虛容器通過定位到TU-1支路單元，通過復用傳輸至TUG管理單元組，由TUG管理單元組復用傳輸至VC-3虛容器，再由VC-3虛容器復用傳輸至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，將抽取的原油數據輸入模糊控制器及PID控制器，保證數據采集過程的安全性，通過信號板得到輸出值，實現原油數據采集。

2.2前置服務器

基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統硬件前置服務器屬于自己開發部分，用于在用戶側，采集和存儲原油信息，前置服務器結構如圖5所示。

圖5 前置服務器結構

如圖5所示，前置服務器主要由子站和前置通信設備組成。電參量檢測、信號調理和壓力與流量變換傳輸至前置服務器，通過子站利用光纖發送至通信設備，采用GPRS前置通信設備，傳輸至開閉所，做原油數據收集清洗，采用無線前置通信設備，傳輸至分支箱，實現內外部原油數據銜接。

2.3 數據控制器

根據數據系統控制的性能，進一步分析其存在的必要條件，設置相應的數據控制器，標準化處理控制數據。

在完成初始硬件控制元件收集后，構建整體數據控制器，選用控制系統標記控制器，該控制器具有串口數據采集功能，集電阻信號輔助，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三線信號輸入，外供電源為12 V或5 V[9]。數據控制器結構如圖6所示。

圖6 數據控制器結構

根據圖6可知，具有顯示串口絕對編碼器，累加多圈計長計米外，接入0～10 K或0～2.5 V電壓信號電位器，與單圈并口絕對值配合使用，產生多圈絕對值的使用效果，加大數據控制的成功率。經過數據整體控制，完善控制系統的中心配置，并強化對原油信息的抽取研究力度，構建控制局部機，機內設置12個時段配時，對應不同的時間段分配抽油模式，并連接感應窗口，設置以太網連接口與RS232連接口，經過光纖收發器或無線路由器通過光纖、網線、無線網與交通指揮中心聯網，實時記錄交通客流信息，以便對系統的協調控制操作，完善系統操作，提升系統的協調控制有效率。

在標準化處理控制模塊內部，提升硬件元件電路完整程度，其內部電路板集中采用統一標準，避免因數據外部因素不同造成的系統設計失誤[10]。選用機箱接口連接不同的控制數據，連通數據電荷泵線與機箱接口，連接口符合CPCI標準。數據控制器內部電路如圖7所示。

圖7 數據控制器電路圖

根據圖7的數據控制器電路圖可知，本文研究的數據控制單元包括耦合變壓器、變壓器和輸出濾波器，內部服務器具有很強的信息分析能力[11]。由此完成低產井間歇抽油自尋優控制系統硬件設計。

3 基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統軟件設計

在低產井間歇抽油的過程中，抽油區域地層能量較低，油量滲透效果較差，抽取的原油數量較少，前井口間歇出液的模式將影響抽油液面的變化頻率，抽油泵的沉沒程度將大幅度提升。在低產井關閉后，油井的抽油時間間隔減少，抽油液面上升，此刻抽油動態液面的充滿程度最高，但若持續進行抽油工作，將產生井口不出液的現象[12-13]。為避免該種現象，本文軟件控制平臺調整內部控制程序，將控制準則與控制平臺程序相匹配，并查詢匹配的最佳數值信息，實現平臺初始化處理操作。同時，設計軟件控制背板，通過控制背板成功實現整體軟件程序控制，并提升控制子系統間的聯系作用，連接控制前端與控制信道，構建良好的數據傳輸聯絡通道。交換原油數據傳感信息，并連接系統軟件平臺的中心控制網絡，執行網絡連接指令，提升整體控制網絡連接的有效性。軟件內部參數設置如圖8所示。

圖8 軟件內部參數設置

根據圖8的軟件內部參數及時切換信號傳輸路徑，將控制數據集中于相同的控制空間內。在進行抽油數據控制軟件網絡設置的過程中，盡量減少傳輸電容在無線傳感網絡通道中的分布，避免兩條信號線的平行設置，降低不同信號線之間的干擾程度。選擇相關程度較高的內部傳輸網絡線，將收集的抽油處理信息傳輸至相應的控制方位中，等待控制背板的平臺處理，調配前端信號線信息，選用協調程度較高的控制機制進行數據控制，并結合驅動輸入模式將數據完整錄入控制平臺內部，每路驅動能力為550 W，采用光電轉換隔離技術[14]，完整反映交通客流信號信息，減少了不必要的系統操作浪費。電機保護子程序如圖9所示。

圖9 電機保護子程序

選用交流采樣法進行系統軟件電壓測量，由于該方法無法流經整體電路，在設計的同時按照一定的操作規律將平臺外部的電壓與電流的流經數值轉化為系統計算程序能夠有效測量的交流程序信號[15]。通過A/D轉化為模塊信息錄入計算程序進行運算處理，并計算出電壓與電流的有效數值，針對此時的原油數據流通狀況選擇合適的抽油速率，調整程序計算的信息量，并及時處理平臺接收的數據信息。儲層產液速率計算過程如下：

(1)

其中：Q代表計算得到的儲層產液速率，選擇的單位為m3/s；K表示得到的儲層滲透率，單位為10-3μm2；h代表內部的儲層厚度，單位為m；ρ表示內部的液體密度，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。

儲層內部的產液速率和動液面高度動態如圖10所示。

圖10 儲層內部的產液速率和動液面高度動態示意圖

選用適宜的運算程序對抽油自尋優控制系統進行最終控制，利用正弦模型算法程序，結合被采樣的波形的純正弦規律將抽取的原有數據轉移至計算中心中，并對信號波形的產生條件進行分析，記錄分析后的結果數據，疊加周期函數算法[17-18]。調整算法的錄入模式，并針對假設算法的基本信息構建假設電壓與流經電流數據，提升輸出信號的有效率，在較高的信號輸入的基礎上進行模塊數據處理操作，控制分解的函數序列，并設置序列和參數，將此參數作為控制級數保存至控制平臺分析中心，排除樣品參數存在的可能性，將真實分析的原油監控數據與分析中心數據相結合，實現對控制平臺的程序構建，達到低產井間歇抽油自尋優控制系統軟件設計的目的。

4 實驗研究

為了探究本文提出的基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統的有效性，與基于粒子群算法的控制系統和基于ARM技術的控制系統進行對比實驗。

設置實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

根據表1的實驗參數，選用基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統與基于粒子群算法和基于ARM技術的控制系統進行對比實驗，得到的頻率差保護實驗結果如表2所示。

表2 頻率差保護實驗結果

根據表2可知，本文研究的基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統的頻率差保護整體值為7.0 Hz，動作值為50.05 Hz，明顯高于基于粒子群算法和基于ARM技術的控制系統。由此可知，本文研究的基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統的頻率差保護能力要優于基于粒子群算法和基于ARM技術的控制系統。因此控制結果更加可靠，確保結果更加準確，能夠有效完成低產井間歇抽油自尋優控制。

無功補償誤差實驗結果如圖11所示。

圖11 無功補償誤差實驗結果

根據圖11可知，在單位時間內，本文研究的基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統的無功補償誤差較小。因為本文研究的系統在設置抽油數據控制軟件網絡過程中，減少了傳輸電容分布，避免了兩條信號線的平行設置，降低了不同信號線之間的干擾程度，由此減小控制系統的無功補償誤差。

在此基礎上，進一步驗證本文研究的基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統的控制時間，分別采用基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統與基于粒子群算法和基于ARM技術的控制系統進行對比，得到低產井間歇抽油自尋優控制時間實驗結果如圖12所示。

圖12 低產井間歇抽油自尋優控制時間實驗結果

根據圖12可知，當實驗次數為6次時，本文研究的基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統的平均控制時間為7.6 s，而基于粒子群算法和基于ARM技術的控制系統的平均控制時間分別為13.2 s和17 s。由此可知，本文研究的基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統的控制時間較短，因為本文研究的系統能夠針對原油數據流通狀況，選擇合適的抽油速率，調整程序計算的信息量，并及時處理平臺接收的數據信息，從而有效縮短系統的控制時間。

5 結束語

為了增強低產井間歇抽油自尋優控制系統頻率差保護能力，減小無功補償誤差，縮短控制時間，設計了基于物聯網技術的低產井間歇抽油自尋優控制系統。研究不同狀態下低產井間歇抽油的基礎抽油機制，并調配自尋有控制系統性能，提升整體控制的效率，不斷強化內部控制空間的數據監控水平。結合軟件控制平臺掌控抽油自尋優信息數據，實現低產井間歇抽油自尋優控制系統設計。該系統具有較強的頻率差保護能力，能夠有效減小無功補償誤差，縮短系統控制時間，更好地為使用者服務，發展空間較為廣闊。