螺杆泵无线传感器在大港油田中的应用

1、 前言

       螺杆泵技术日益成熟，成为了在油田生产过程中占有重要地位的举升设备，其运动部件少，吸入性强，可以在油气比较大，原油黏度比较大的含砂井中保持比较高的效率，并且其采油系统具有占地面积小，投资费用低，管理便利等优点，适用于中浅井，深层油田，低产井以及稠油井等。正因为随着螺杆泵采油技术的应用日益广范，对其进行有效的监控也显得日益重要，螺杆泵远程自动化监控系统是以提高油田自动化水平、油井产量、系统效率为目的，集数据采集、数据管理、生产预测、工程分析、远程计量、优化设计、方案发布、控制执行等于一体的螺杆泵井生产专家管理系统平台。本文以大港油田为例，介绍以集扭矩、负荷、转速一体的螺杆泵无线传感器为基础搭建的数字化平台在螺杆泵井上的应用。

       大港油田始建于1964年1月，经过多年的艰苦创业，昔日的盐碱滩已建设成为一个集石油及天然气勘探、开发、原油加工、机械制造、科研设计、后勤服务、多种经营、社会公益等多功能于一体的油气生产基地。

       2011年大港油田公司第四采油厂受大港油田公司委托，进行板桥高含水油田节能优化改造工程，使油水井具有自动监测和控制、实时数据采集、油水井计量、油井工况诊断等功能。压力变送器、载荷传感器、温度变送器与无线数据采集处理器数据传输方式采用微功耗无线传输模式，无线数据采集处理器至采油厂管理站采用ZIGBEE传输，采油厂管理站至油田信息中心采用油田公司局域网传输。

       螺杆泵井是该项目的一部分，利用微功耗的无线螺杆泵传感器（SZ904）、无线压力表（SZ903D）、无线温度表（SZ905D），无线电量模块（L308）以及无线RTU（OM201）构成现场的无线监控系统，远程监控方面，实现对螺杆泵数据的远程采集分析、判断处理和远程启停的控制和状态的判断。

2、 螺杆泵油井测量扭矩、负荷、转速的一些方法（及缺陷）

       对于螺杆泵井扭矩、负荷、转速是三个非常重要的监控数据，近些年对于螺杆泵油田提出并且实施了一些采集和监控扭矩、负荷和转速的方法，这里简单的介绍一些测量扭矩、负荷、转速的方法。

       转速的测量比较常见的是利用位置开关原理做的有线传感器，外加一块磁铁就可以完成对转速的测量。但这种测量方法只能测量转速一个参数，并且其工作原理决定其测量的准确度不是很高，尤其在转速比较高的情况下准确度更加受到影响，并且是有线传输信号，这就需要现场铺设信号电缆，施工难度大。

       扭矩、负荷的测量，（1）通过转速和功率的关系利用数学公式得到扭矩，这样得到的扭矩是根据数学公式推理出来的，转速可以通过上述的位置开关得到，而功率的得到方法是根据电机电流得到，电流的得到方法可以通过现场的变频器RS485通讯得到，这样和真实的扭矩值还有一定的差值，多出了电流到光杆扭矩的计算步骤，增加了地面设备对计算精度的的影响误差，实际的扭矩值受到机械磨损，介质粘度，泵的安装位置等很多因素的影响。这样对于系统扭矩曲线的真实性有很大的影响；（2）安装扭矩和负荷测试仪表，通过仪表的测量直接得到扭矩和负荷值，这样得到的值没有问题，但问题是现在采集螺杆泵参数的仪表基本是只能采集一种参数，这就需要在现场安装多种仪表，成本费比较高。

       如果井场得到的扭矩、负荷、转速的值不准确，那么监控中心画出的载荷曲线、负荷曲线、转速曲线也是有很大误差的，计算出的动液面也是有误差的，而泵效又是基于动液面计算出来的，这些误差的存在往往是比较大的，而且由于数学公式的推导会使误差慢慢的加大，对于整个自动化监控系统有很大影响，会使操作人员和远程监控人员做出错误的判断，影响油田正常的运行，降低经济效益。北京安控科技生产的集扭矩、负荷、转速测量一体的SZ904传感器很好的解决了这个问题。

3、 SZ904传感器的简介

        SZ904无线扭矩传感器是一种将扭矩、载荷、转速等变量转换为可传送的标准化输出信号的计量器具。它遵照IEEE802.15.4标准，以2.4GHz无线传输数据。可通过无线通讯远程设定仪表参数。其图片如下。

 3.1 应用范围

       SZ904扭矩传感器对旋转光杆信号进行采样，计算及变送输出。它温度漂移小、稳定性高，具有很高的测量精度，可广泛应用于石油、化工等行业。

3.2 性能特点

      ● 实时检测光杆的扭矩、载荷，转速信号；
      ● 无线通讯，可更改无线通讯间隔；
      ● 丰富的调试手段：无线通讯装置，如：手操器或笔记本；
      ● 可远程设置仪表参数；
      ● 防水设计，测试安全，效率高；
      ● 抗过载、防雷击、抗振动、防电磁干扰、抗潮湿、抗环境温度变化；

3.3 主要的技术指标

      ● 扭矩测量范围：0~2000N.m；
      ● 载荷测量范围：0~150kN；
      ● 转速测量范围：0~300 r/min；
      ● 工作温度：-40 ~ +85℃；
      ● 工作湿度范围：可达100%，允许冷凝或结冰；
      ● 工作电源：锂电池供电；
      ● 2.4GHz无线通讯：符合IEEE802.15.4标准；
      ● 数据传输距离(空旷距离)：250米；
      ● 防爆等级：ExibⅡCT4；
      ● 外壳材质：铸铝外壳；
      ● 重量：3kg；

3.4 远程操作

        此仪表具有无线通讯功能，采用802.15.4协议，可任意实现与以下设备的通信，并使用它们远程改写仪表的“地址信息”，如：

      ● 手操器；
      ● 配套的无线采集器；
      ● 配接无线通讯装置并安装配套软件的计算机或笔记本；

4、 SZ904传感器在大港油田的应用

       根据大港油田板桥高含水油田节能优化改造工程的要求，对于螺杆泵井的改造，既要实现能够稳定可靠，高效采集螺杆泵的各项参数，同时也要做到节能的效果。

       在产品选型上，选用北京安控科技股份有限公司的生产的螺杆泵传感器SZ904、无线压力表SZ903D、无线温度表SZ905D，无线电量模块L308以及一体化的无线RTU(OM201)产品。安控产品既保留了传统的高性能、高可靠性等特点，同时又支持ZigBee无线技术。

       螺杆泵井的系统结构图如下所示，包括数据的采集、网络通讯部分。

       如上图所示，每个井口通过无线传感器采集所需数据，充分利用ZigBee的特点，一个平台的所有井口仪表通过ZigBee网络接入到同一个RTU，提高通讯的可靠性，由井口RTU通过ZigBee网络传至井场，再由井场传到采油厂管理站。做到了数据的实时采集、传输、远程控制等效果，并且，将数据传至后台网络，实现后台信息共享、信息管理等。

       从图1中可以看出，所有的仪表和RTU均支持手操器的操作，方便现场的调试。

       整个数据的传输过程都是通过无线ZigBee技术传输完成，ZigBee技术采用了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点 ：省电、简单、成本又低的规格。并且采用无线技术降低了施工的难度。

        由图1还可以看出，安控科技的RTU支持一带多功能，即一个RTU带多个仪表，最多带64块仪表，在很大程度上节约了成本。

4.1 井口数据采集和监控中心的简单说明

       在螺杆泵井井口安装各种无线采集传感器组成一套完整的井口采集系统，实时的采集井口的各项数据，在通过无线网络将井口的各项数据传至监控中心，从而保证螺杆泵井高效、安全的运行。

       无线扭矩传感器，实时的采集光杆的扭矩、负荷、转速，在监控中心则有专门的监控螺杆泵这三项指标测软件，对其进行监控、分析，实时的监控螺杆泵的运行情况。

       在井口控制柜中安装无线电量模块SZ308，监控三相电压、三相电流、功率因数、每日电能等参数。

       井口安装无线温度表SZ905D，监控井口油温的变化。防止停抽后，管线冻堵，同时避免过高温度、过低影响生产，避免引起事故。

        井口安装无线压力表SZ903D，监控油压和套压的变化。以便测量油量和检测底层压力。

       建立完善的数字化螺杆泵远程监控系统，可以实现流程监控、扭矩、负荷、速度曲线、生产曲线、报表生成、操作日志和警报等功能。可以实时监控，远程调速、启停井控制，操作人员可随时了解油井的运行情况，及时发现事故隐患，防止设备带病运行，提高安全指数、避免不必要的损耗。从而提高了螺杆泵油田油井系统运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻了调度员的负担，实现了螺杆泵油田调度的自动化与现代化。

5 、无线仪表运用于螺杆泵数字化油田的优势

       随着油田数字化理念的逐步深入，对螺杆泵油田数字化的要求亦日益提高，无线传感器与传统的仪表相比，在油田数字化的建设中有着明显的优势。

       传统的螺杆泵油田井口采用的设备比如测量扭矩、负荷、转速的仪表不仅是有线的而且功能单一，如果想测量这3个参数必须安装三种仪表，还有测量其他参数的仪表，并且仪表与主控模块的通讯也是通过RS485、RS232或者其他有线方式通讯。这样在施工安装过程中，不可避免的要在井场现场挖沟、铺设信号电缆、通讯电缆、电缆护管等，这样导致施工速度缓慢，尤其在一些土壤盐碱化或者土壤结构很复杂的情况下，施工速度更加的缓慢。由于油田维护人员对井场有例行的一些维护工作，有些维护工作可能会动用大型的机械，可能会轧坏或者划断通讯电缆、信号电缆，这样就要重新挖沟铺电缆，人工费用和材料费用造成施工成本高。

       无线传感器应用在井口系统，利用安控科技生产的集扭矩、负荷、转速一体的无线传感器SZ904，减少了安装传感器的数量，从而直接的提高了施工的速度，以及施工的安全度，而且信号的传输和通讯的传输全部采用无线方式，不再需要挖沟、铺设电缆，很大程度的提高了施工的速度，减少了人工费用和材料费用，并且后期维护简单、快捷，不会出现需要重新挖沟的情况。

       井场内设备安装调试以及后期的维护过程中，都需要对井场进行停机，而停机的时间越长那油田的产量就会减少的越多，而提高施工和调试的速度对生产效益有明显的影响。

       集扭矩、负荷、转速一体的螺杆泵无线传感器，对于推动螺杆泵油田的数字化，生产预测、工程分析远程计量，提高螺杆泵油田的生产效益、安全性，减少损耗，有着决定性的作用。