一、概述

隨著計算機(jī)技術(shù)、電子測試技術(shù)的不斷發(fā)展，自動測試技術(shù)已日趨*。國外早在二十世紀(jì)50年代即已開始應(yīng)用監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，現(xiàn)已發(fā)展為大型的油田自動化管理（CAO）系統(tǒng)（如殼牌公司）；國內(nèi)油田從上世紀(jì)90年代后期開始研制、開發(fā)、應(yīng)用SCADA和CAO，但系統(tǒng)復(fù)雜，不易維護(hù)，且前期投入龐大，對產(chǎn)液量相對較低的油田不具經(jīng)濟(jì)性。

因此，針對長慶油田的特點，研制低成本投入、高可靠性和易維護(hù)、可拓展的抽油機(jī)集群“功圖法”單井計量自動監(jiān)測系統(tǒng)并與專門的油井計量軟件結(jié)合，替代或簡化計量流程，以降低產(chǎn)建投入和運行成本。

本系統(tǒng)是用于全天候?qū)崟r測試抽油機(jī)集群示功圖參數(shù)的無人值守自動監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱自動監(jiān)測系統(tǒng)）。該系統(tǒng)由一個數(shù)據(jù)處理點（*處理單元）和多個數(shù)據(jù)采集點（井口監(jiān)測單元）組成，數(shù)據(jù)處理點與數(shù)據(jù)采集點間的數(shù)據(jù)通訊根據(jù)安塞油田的地形地貌特征選用移動存儲方式實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)處理點通過移動存儲讀寫模塊對移動存儲盤進(jìn)行格式化操作并設(shè)置測試指令，各數(shù)據(jù)采集點根據(jù)移動存儲盤的設(shè)置指令定時開始采集示功圖（載荷、沖程）參數(shù)的模擬信號并儲存；系統(tǒng)管理人員在規(guī)定的時間內(nèi)（3～7天）上井更換移動存儲盤，通過數(shù)據(jù)處理點的移動存儲讀寫模塊逐點接收移動存儲盤上已采集的模擬信號，由監(jiān)測軟件（監(jiān)測平臺）進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析，按規(guī)定格式提供給油井液量分析模塊（單井計量軟件），進(jìn)而實現(xiàn)單井產(chǎn)液量分析、工況診斷等功能。

根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境，特別設(shè)計制作了64M工業(yè)級存儲盤，按寬溫型（－45℃～＋85℃）設(shè)計，應(yīng)用雙電子盤同時存儲，提高數(shù)據(jù)采集存儲的可靠性，采用金屬外殼，強(qiáng)化抗屏蔽功能，內(nèi)置精密時鐘芯片，保證每15分鐘采集一次示功圖數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)預(yù)留電機(jī)電參（電流、電壓、有效率）測試功能模塊接口及抽油機(jī)啟/停控制功能模塊接口，具有良好的拓展性。

二、系統(tǒng)原理

1、固定式載荷傳感器技術(shù)原理

為了便于安裝，載荷傳感器設(shè)計為開口形式，如下圖所示：

在兩個對稱的不銹鋼彈性元件表面分別貼了兩個應(yīng)變計,如下圖所示:

其中R1和R3這兩個應(yīng)變計的敏感柵方向與載荷方向平行，R2和R4與載荷方向垂直。其中R2和R4這兩個應(yīng)變計用于消除橫向效應(yīng)，并用于溫度補(bǔ)償。把這四個應(yīng)變計接成下圖所示的惠斯頓電橋：

則經(jīng)放大后的載荷信號正比于載荷大小，也就是說測到該信號的電壓值就得到載荷值。

2、加速度計式位移傳感器技術(shù)原理

本系統(tǒng)方案應(yīng)用加速度傳感器實現(xiàn)游梁角度測量，進(jìn)而換算為光桿位移：

在上圖中，L為前臂長度，R為驢頭弧面半徑。驢頭弧面的圓弧運動變?yōu)閼尹c的直線運動。設(shè)直線運動的位移用y（t）表示，y0為初始位移，α0為驢頭弧面半徑初始角度（此時游梁為水平位置，即游梁傾角為0度）。若t時刻游梁傾角為α（t） （單位為弧度），則

y（t） = R（α（t）+α0）+y0

設(shè)到達(dá)下死點時游梁角度為α1,則下死點位移 y1 = R （α1+α0）+ y0

那么相對于下死點的相對位移為 y’（t） = y（t）- y1 = R（α（t）-α1）

設(shè)上死點游梁角度為α2，則沖程為 S = R （α2 -α1）

所以 R = S / （α2 -α1）

那么t 時刻的相對位移為 y’（t） = （α（t）-α1）/ （α2 -α1）×S

在一個沖次之內(nèi)測到相對位移和載荷即得到光桿示功圖。設(shè)游梁角度為α（t），如下圖所示。

設(shè)重力加速度為g（m/s2），當(dāng)游梁處于水平位置，則加速度計輸出acc =0（g），當(dāng)游梁垂直，則acc =1（g）。在t 時刻，有 acc （t） = g×sin（α（t）） （m/s2）

則角度 α（t） = arcsin（ acc （t）/ g） （弧度）

得到角度即可換算出光桿位移。

三、系統(tǒng)組成

1、數(shù)據(jù)采集點（井口監(jiān)測單元）

每個抽油機(jī)上安裝的數(shù)據(jù)采集點由固定式載荷傳感器、加速度計式位移傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)測單元、供電模塊、移動存儲模塊組成，通過移動存儲盤與數(shù)據(jù)處理點（*處理單元）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊傳輸。本系統(tǒng)中13個數(shù)據(jù)采集點分別安裝在安塞油田坪橋作業(yè)區(qū)坪52-09、坪36-151、坪38-151、坪59-13、坪57-14、坪55-12井組上。

1.1固定式載荷傳感器

為便于安裝、維護(hù)，固定式載荷傳感器設(shè)計為開口形式，安裝在懸繩器上，采用防水接口，適合*野外工作。通過信號線與數(shù)據(jù)監(jiān)測單元通訊。為預(yù)防產(chǎn)生信號漂移，應(yīng)每3～6個月進(jìn)行一次標(biāo)定。

1.2加速度計式位移傳感器

本系統(tǒng)應(yīng)用加速度計式傳感器測量光桿的沖程，加速度計集成在數(shù)據(jù)監(jiān)測單元中，安裝在游梁頂部中段，隨游梁一起轉(zhuǎn)動；在抽油機(jī)運行過程中測試游梁角度的變化，通過換算得出相對應(yīng)的沖程位移。

2、數(shù)據(jù)監(jiān)測單元

數(shù)據(jù)監(jiān)測單元采用模塊式集成方案，主要由工業(yè)級單片計算機(jī)（CPU）、12位A/D、8kB緩存、RS485通訊板及電源板組成。安裝在游梁頂部中段。工作原理結(jié)構(gòu)如圖。

數(shù)據(jù)監(jiān)測單元接收到移動存儲模塊定時（15分鐘一次）發(fā)送的采集指令后，CPU通過A/D轉(zhuǎn)換通道讀取經(jīng)過放大后的載荷、位移信號，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到系統(tǒng)實時的載荷、位移、沖程、沖次等參數(shù)，存入緩沖內(nèi)存，等待移動存儲盤讀??；當(dāng)移動存儲模塊需要讀取數(shù)據(jù)時，發(fā)出特定的讀取指令，CPU接收到指令后，通過485通訊板向移動存儲模塊發(fā)送參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.1供電及移動存儲模塊

供電及移動存儲模塊主要由工業(yè)級單片計算機(jī)（CPU）、12位A/D、8kB緩存、RS485通訊板、電源板及交流/直流電源模塊組成，通過信號線與數(shù)據(jù)監(jiān)測單元通訊并供電。安裝在抽油機(jī)配電箱上。工作原理結(jié)構(gòu)如圖。

存儲盤按內(nèi)置精密時鐘芯片設(shè)置的采集間隔（系統(tǒng)設(shè)置15分鐘）向移動存儲模塊的CPU發(fā)送采集請求指令，CPU通過485通訊板向數(shù)據(jù)監(jiān)測單元發(fā)布采集指令；1分鐘后，存儲盤向移動存儲模塊發(fā)送數(shù)據(jù)讀寫指令，CPU通過485通訊板接收數(shù)據(jù)監(jiān)測單元實時的載荷、位移、沖程、沖次等參數(shù)，存入緩沖內(nèi)存，供移動存儲盤讀取。
供電模塊是將220V或380V的高壓交流電源轉(zhuǎn)換成12V的直流電源向各測試及功能模塊（單元）供電。

2.2預(yù)留（擴(kuò)展）功能

系統(tǒng)預(yù)留電機(jī)電參（電流、電壓、有效率）測試功能模塊接口及抽油機(jī)啟/?？刂乒δ苣K接口。

3、數(shù)據(jù)處理點（*處理單元）

數(shù)據(jù)處理點由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、監(jiān)測平臺（監(jiān)測軟件、單井計量軟件等）、微機(jī)及外設(shè)等組成，通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)器接收數(shù)據(jù)采集點采集的示功圖測試參數(shù)。監(jiān)測軟件按規(guī)定格式提供有效數(shù)據(jù)給油井液量分析功能模塊（單井計量軟件），進(jìn)而實現(xiàn)抽油機(jī)井單井計量分析、工況診斷等功能。

數(shù)據(jù)處理點的功能包括測試數(shù)據(jù)（示功圖）的收集、處理和分析；油井基本工作參數(shù)的設(shè)置，如油田、層位、抽油機(jī)型號、桿柱組合、泵徑、泵掛、含水、油壓等；以及所有有關(guān)單井計量軟件分析的組合、解釋、顯示的功能，并且同時建立功能齊全的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中豐富的信息為作業(yè)和決策提供了方便。

4、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器內(nèi)置工業(yè)級單片計算機(jī)（CPU）、8kB緩存、RS232通訊口、12V/1.3Ah充電電池及充電電路、交流/直流穩(wěn)壓電源、移動存儲讀寫模塊，主要功能是設(shè)置移動存儲盤的工作指令，格式化移動存儲盤，讀取移動存儲盤傳輸?shù)氖竟D采集數(shù)據(jù)，并通過串行接口與微機(jī)串行接口交換數(shù)據(jù)。

5、監(jiān)測平臺

監(jiān)測平臺運行在的P4聯(lián)想微機(jī)上，由監(jiān)測軟件、單井計量分析軟件等模塊組成。單井計量分析軟件根據(jù)長慶油田公司油氣工藝技術(shù)研究院開發(fā)的模塊進(jìn)行配套設(shè)置。監(jiān)測軟件由以下幾個部分構(gòu)成：井號維護(hù)，數(shù)據(jù)維護(hù)，采集數(shù)據(jù)，功圖顯示，液量計算等。

本系統(tǒng)按每15分鐘測試一次的頻率設(shè)置油井示功圖參數(shù)的采集方案，每天每口井可采集96組數(shù)據(jù)，*單井計量分析軟件對數(shù)據(jù)源的要求，達(dá)到設(shè)計效果。模塊按井號和日期進(jìn)行檢索，可儲存、累計、顯示當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)。

選用聯(lián)想品牌機(jī)，基本配置：CPU/Pentium4 2.8GHz，內(nèi)存/512M，硬盤/80G，顯示器/17’，外設(shè)為佳能激光打印機(jī)、USP電源及電腦桌。

6、系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)

固定式載荷傳感器：量程0～150kN，精度0.5％，采用開口三柱式設(shè)計方案；
位移模塊：角度量程 - 90o～ 90o，精度0.5％，應(yīng)用加速度傳感原理實現(xiàn)（集成板）；
光桿沖程：量程0～10m，精度0.5％；
移動存儲盤：容量2×64M，雙盤設(shè)計，滿足儲存2880組示功圖數(shù)據(jù)要求。

7、系統(tǒng)設(shè)置、安裝及調(diào)試

2004年2月28日完成系統(tǒng)的安裝，在采一坪橋作業(yè)區(qū)內(nèi)安裝數(shù)據(jù)處理點（*處理單元），在坪52-09、坪36-151、坪38-151、坪59-13、坪57-14、坪55-12井組上共13口抽油井上安裝固定式載荷傳感器和數(shù)據(jù)監(jiān)測單元及供電與移動存儲模塊。經(jīng)調(diào)試，各功能模塊（單元）通訊良好，功圖采集，系統(tǒng)運行正常，達(dá)到設(shè)計要求。
本系統(tǒng)的安裝是很的。數(shù)據(jù)監(jiān)測單元及通訊線在游梁等運動機(jī)構(gòu)上不打任何固定孔，均使用C型卡等連接件固定，無明火作業(yè)，拆裝方便快捷。

系統(tǒng)從2004年3月10日開始雙容積及大罐單量對比試驗，期間針對油田單量條件，拆移了兩口油井的數(shù)據(jù)采集裝置。

2004年4月份后系統(tǒng)進(jìn)入可靠性測試和*階段，進(jìn)一步提高監(jiān)測軟件的功能，配合長慶油田采油工藝技術(shù)研究院*單井計量分析軟件模塊，驗證單井計量計算分析精度。

8、監(jiān)測軟件及單井計量軟件運行操作

開啟微機(jī)，在Windows2000平臺下運行監(jiān)測軟件，使用或油井調(diào)參、作業(yè)后應(yīng)*行系統(tǒng)特定參數(shù)設(shè)置或修改，然后啟動采集數(shù)據(jù)模塊。

逐個將從各數(shù)據(jù)采集點取回的移動存儲盤插入特定接口，先讀目錄，再取數(shù)據(jù)，確認(rèn)數(shù)據(jù)讀取正常后將存儲盤格式化。

開啟歷史數(shù)據(jù)顯示區(qū)，此時屏幕顯示各油井當(dāng)前井號、巡測日期、巡測時間下的示功圖。

啟動單井計量軟件模塊可按天查看歷史功圖數(shù)據(jù)及功圖變化情況，可計算該天任一時段的油井產(chǎn)液量，并顯示工況診斷結(jié)果。

四、系統(tǒng)監(jiān)測軟件及計量軟件使用說明

1、監(jiān)測軟件

本軟件的功能主要是讀取移動存儲盤的油井示功圖數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)器將存儲盤上的數(shù)據(jù)按單井計量軟件要求的格式和目錄進(jìn)行轉(zhuǎn)換、存儲。

操作使用過程為：

（1） 先讀取目錄，此時窗口顯示存儲盤中的井號，按序號、日期、時間排列的示功圖數(shù)據(jù)，可點擊井號前的小紅框，選取全部數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，也可單選各序號前的小紅框進(jìn)行部分讀取。

（2） 選定數(shù)據(jù)文件后，按“取數(shù)據(jù)”按鈕即可將所選功圖數(shù)據(jù)按的格式和目錄進(jìn)行轉(zhuǎn)換、存儲。

（3） 在確認(rèn)存儲盤上的數(shù)據(jù)已按要求全部讀取后，將移動存儲盤進(jìn)行格式化，以備下次更換使用。

2、單井計量軟件

本軟件由以下幾個部分構(gòu)成：井號維護(hù)，數(shù)據(jù)維護(hù)，液量計算等?，F(xiàn)對各部分的功能作以簡單說明。

井號維護(hù)：完成添加新井、修改井號的功能，同時按添加順序給油井按自然順序編號。
數(shù)據(jù)維護(hù)：修改油井參數(shù)如：油田、層位、含水、動液面、泵掛、抽油機(jī)型型號、沖程、油管 型號、泵徑、油壓、套壓、桿級數(shù)、油桿直徑、材質(zhì)、強(qiáng)度等。
液量計算：顯示某口井某天的功圖數(shù)據(jù)，并可對錯誤功圖進(jìn)行刪除操作，同時可進(jìn)行當(dāng)天產(chǎn)液量的計算，并將計算結(jié)果自動保存。

3、使用方法

在WINDOWS2000界面下雙擊聯(lián)網(wǎng)中控按鈕即可運行該軟件，進(jìn)入主界面后，*行井號維護(hù)功能。點擊井號維護(hù)進(jìn)入該功能，彈出密碼輸入窗口，井號維護(hù)是由系統(tǒng)管理員來進(jìn)行的工作，其他人無權(quán)進(jìn)行。當(dāng)此工作完成后，點擊保存來保存數(shù)據(jù)。zui后點擊退出離開此界面。

井號輸入后須將此井的參數(shù)接著輸入，點擊數(shù)據(jù)維護(hù)，進(jìn)入界面，先選擇井號，然后點擊修改按鈕開始設(shè)置此井的參數(shù)。在此菜單下有些內(nèi)容是僅可選擇，不能改動的，如油田，油管型號，層位，抽油機(jī)型號，油桿材質(zhì)，級別等。每修改完一口井的參數(shù)后都應(yīng)點擊保存按鈕來進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，再修改下一口井，zui后退出。

點擊液量計算按鈕，進(jìn)入液量計算界面，可以先查看各個井以前任意一天的功圖以及功圖變化情況，選擇井號，然后進(jìn)行日期選擇，即可顯示該天的測量數(shù)據(jù)。點擊功圖文件中的任意一組數(shù)據(jù)，可顯示功圖及電參數(shù)情況，對不正確的數(shù)據(jù)可進(jìn)行刪除操作。進(jìn)行日產(chǎn)液量計算時，點擊液量計算，該日產(chǎn)液量和泵工作狀況分析結(jié)果將自動顯示并保存。

4、文檔的存檔形式與路徑

利用本軟件測量的功圖、電參數(shù)數(shù)據(jù)存放路徑在安裝軟件存放路徑下的 \西安威正電子科技有限公司\.聯(lián)網(wǎng)中控\mydb\【相應(yīng)井號】\【采集月份】\。

功圖數(shù)據(jù)的文件擴(kuò)展名為.DYN，文件擴(kuò)展名前的四位數(shù)字是數(shù)據(jù)的序號?！鞠鄳?yīng)井號】是指所要查詢的油井的井號，【采集月份】為此井所要查詢數(shù)據(jù)所屬的月份。

五、系統(tǒng)應(yīng)用分析及評價

系統(tǒng)自2004年2月20日開始至2004年2月28日安裝完畢，經(jīng)過三個多月的運行，功圖數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)運行正常，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。應(yīng)用單井計量軟件對現(xiàn)場6口油井不同時間段共31井次采集的數(shù)據(jù)段進(jìn)行油井產(chǎn)液量計算，并與同期大罐量油、雙容積單量和罐車量油結(jié)果相對比，其平均全天偏差為0.15 m3/d，平均全天誤差為2.25%，平均時段偏差為0.10 m3/d，平均時段誤差為1.46%，誤差值小于8％，*設(shè)計要求。對比數(shù)據(jù)資料見下表：

應(yīng)用加速度計式傳感器測量光桿的沖程、沖次，實現(xiàn)位移的無繩測量是本系統(tǒng)的創(chuàng)新技術(shù)，能、同步測試示功圖；為單井計量軟件的應(yīng)用提供了真實可靠的數(shù)據(jù)源。
系統(tǒng)的應(yīng)用要求是能夠按規(guī)定的采集周期自動監(jiān)測油井的示功圖參數(shù)，通過監(jiān)測軟件和單井計量軟件計算分析油井的單井產(chǎn)量、診斷油井的工作狀況。

系統(tǒng)是按每15分鐘巡測一次的頻率設(shè)置油井示功圖參數(shù)的采集方案，每天每口井可采集96組數(shù)據(jù)，*單井計量分析軟件對數(shù)據(jù)源的精度要求。通過進(jìn)行雙容積大罐單量對比試驗，經(jīng)調(diào)試，數(shù)據(jù)采集、通訊良好，功圖數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)運行正常，各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。

采用自動數(shù)據(jù)采集，首先保證了資料的客觀性和準(zhǔn)確性；其次可以實現(xiàn)連續(xù)不間斷測試，提高計量精度； 第三是可以減少人力成本，提高測試的可靠性和準(zhǔn)確性，同時可直一步實現(xiàn)油井自動化管理、科學(xué)管理，達(dá)到簡化地面計量流程，降低油田開發(fā)投資，提高油井管理水平和開發(fā)效益的目的。

綜上所述，本系統(tǒng)自安裝、調(diào)試、運行以來，一直正常、穩(wěn)定，系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計和運行狀況已全部達(dá)到預(yù)期的所有要求。系統(tǒng)在實際運行過程中，針對安塞油田的特點，在強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性的同時，還需對數(shù)據(jù)讀取、傳輸速度、數(shù)據(jù)存儲容量等方面進(jìn)一步改進(jìn)提高，需要對單井計量軟件的操作流程進(jìn)一步升級*，特別是針對油井基本參數(shù)的設(shè)置、修改，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)制性提示，增加、*統(tǒng)計報表的輸出、打印模塊。對于系統(tǒng)的大范圍推廣應(yīng)用，建議在加強(qiáng)管理的情況下，采用井組方案以達(dá)到節(jié)省成本，減少投資的目的。