1 前言
　　螺桿泵技術(shù)日益成熟,，成為了在油田生產(chǎn)過(guò)程中占有重要地位的舉升設(shè)備，其運(yùn)動(dòng)部件少,，吸入性強(qiáng),，可以在油氣比較大，原油黏度比較大的含砂井中保持比較高的效率,，并且其采油系統(tǒng)具有占地面積小,，投資費(fèi)用低，管理便利等優(yōu)點(diǎn),，適用于中淺井,，深層油田，低產(chǎn)井以及稠油井等,。正因?yàn)殡S著螺桿泵采油技術(shù)的應(yīng)用日益廣范,，對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)控也顯得日益重要，螺桿泵遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是以提高油田自動(dòng)化水平,、油井產(chǎn)量,、系統(tǒng)效率為目的，集數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)管理,、生產(chǎn)預(yù)測(cè)、工程分析,、遠(yuǎn)程計(jì)量,、優(yōu)化設(shè)計(jì)、方案發(fā)布,、控制執(zhí)行等于一體的螺桿泵井生產(chǎn)專(zhuān)家管理系統(tǒng)平臺(tái),。本文以大港油田為例，介紹以集扭矩,、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速一體的螺桿泵無(wú)線傳感器為基礎(chǔ)搭建的數(shù)字化平臺(tái)在螺桿泵井上的應(yīng)用,。
　　大港油田始建于1964年1月,，經(jīng)過(guò)多年的艱苦創(chuàng)業(yè),，昔日的鹽堿灘已建設(shè)成為一個(gè)集石油及天然氣勘探、開(kāi)發(fā),、原油加工,、機(jī)械制造、科研設(shè)計(jì),、后勤服務(wù),、多種經(jīng)營(yíng)、社會(huì)公益等多功能于一體的油氣生產(chǎn)基地,。
　　2011年大港油田公司第四采油廠受大港油田公司委托,，進(jìn)行板橋高含水油田節(jié)能優(yōu)化改造工程，使油水井具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制,、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,、油水井計(jì)量、油井工況診斷等功能,。壓力變送器,、載荷傳感器、溫度變送器與無(wú)線數(shù)據(jù)采集處理器數(shù)據(jù)傳輸方式采用微功耗無(wú)線傳輸模式,，無(wú)線數(shù)據(jù)采集處理器至采油廠管理站采用ZIGBEE傳輸,，采油廠管理站至油田信息中心采用油田公司局域網(wǎng)傳輸。
　　螺桿泵井是該項(xiàng)目的一部分,，利用微功耗的無(wú)線螺桿泵傳感器（SZ904）,、無(wú)線壓力表（SZ903D）、無(wú)線溫度表（SZ905D）,，無(wú)線電量模塊（L308）以及無(wú)線RTU（OM201）構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng),，遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿泵數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集分析,、判斷處理和遠(yuǎn)程啟停的控制和狀態(tài)的判斷,。
　　2 螺桿泵油井測(cè)量扭矩、負(fù)荷,、轉(zhuǎn)速的一些方法（及缺陷）
　　對(duì)于螺桿泵井扭矩,、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速是三個(gè)非常重要的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),，近些年對(duì)于螺桿泵油田提出并且實(shí)施了一些采集和監(jiān)控扭矩,、負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的方法，這里簡(jiǎn)單的介紹一些測(cè)量扭矩,、負(fù)荷,、轉(zhuǎn)速的方法。
　　轉(zhuǎn)速的測(cè)量比較常見(jiàn)的是利用位置開(kāi)關(guān)原理做的有線傳感器,，外加一塊磁鐵就可以完成對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量,。但這種測(cè)量方法只能測(cè)量轉(zhuǎn)速一個(gè)參數(shù),，并且其工作原理決定其測(cè)量的準(zhǔn)確度不是很高，尤其在轉(zhuǎn)速比較高的情況下準(zhǔn)確度更加受到影響,，并且是有線傳輸信號(hào),，這就需要現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)信號(hào)電纜，施工難度大,。
　　扭矩,、負(fù)荷的測(cè)量，（1）通過(guò)轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系利用數(shù)學(xué)公式得到扭矩,，這樣得到的扭矩是根據(jù)數(shù)學(xué)公式推理出來(lái)的,，轉(zhuǎn)速可以通過(guò)上述的位置開(kāi)關(guān)得到，而功率的得到方法是根據(jù)電機(jī)電流得到,，電流的得到方法可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的變頻器RS485通訊得到,，這樣和真實(shí)的扭矩值還有一定的差值，多出了電流到光桿扭矩的計(jì)算步驟,，增加了地面設(shè)備對(duì)計(jì)算精度的的影響誤差,，實(shí)際的扭矩值受到機(jī)械磨損，介質(zhì)粘度,，泵的安裝位置等很多因素的影響,。這樣對(duì)于系統(tǒng)扭矩曲線的真實(shí)性有很大的影響；（2）安裝扭矩和負(fù)荷測(cè)試儀表,，通過(guò)儀表的測(cè)量直接得到扭矩和負(fù)荷值,，這樣得到的值沒(méi)有問(wèn)題，但問(wèn)題是現(xiàn)在采集螺桿泵參數(shù)的儀表基本是只能采集一種參數(shù),，這就需要在現(xiàn)場(chǎng)安裝多種儀表,，成本費(fèi)比較高。
　　如果井場(chǎng)得到的扭矩,、負(fù)荷,、轉(zhuǎn)速的值不準(zhǔn)確，那么監(jiān)控中心畫(huà)出的載荷曲線,、負(fù)荷曲線,、轉(zhuǎn)速曲線也是有很大誤差的，計(jì)算出的動(dòng)液面也是有誤差的,，而泵效又是基于動(dòng)液面計(jì)算出來(lái)的,，這些誤差的存在往往是比較大的，而且由于數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)會(huì)使誤差慢慢的加大,，對(duì)于整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)有很大影響,，會(huì)使操作人員和遠(yuǎn)程監(jiān)控人員做出錯(cuò)誤的判斷，影響油田正常的運(yùn)行，降低經(jīng)濟(jì)效益,。北京安控科技生產(chǎn)的集扭矩,、負(fù)荷,、轉(zhuǎn)速測(cè)量一體的SZ904傳感器很好的解決了這個(gè)問(wèn)題,。
　　3 SZ904傳感器的簡(jiǎn)介
　　SZ904無(wú)線扭矩傳感器是一種將扭矩、載荷,、轉(zhuǎn)速等變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的計(jì)量器具,。它遵照IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，以2.4GHz無(wú)線傳輸數(shù)據(jù),?？赏ㄟ^(guò)無(wú)線通訊遠(yuǎn)程設(shè)定儀表參數(shù)。其圖片如下,。

　　3.1 應(yīng)用范圍
　　SZ904扭矩傳感器對(duì)旋轉(zhuǎn)光桿信號(hào)進(jìn)行采樣,，計(jì)算及變送輸出。它溫度漂移小,、穩(wěn)定性高,，具有很高的測(cè)量精度，可廣泛應(yīng)用于石油,、化工等行業(yè),。
　　3.2 性能特點(diǎn)
　　● 實(shí)時(shí)檢測(cè)光桿的扭矩、載荷,，轉(zhuǎn)速信號(hào),；
　　● 無(wú)線通訊，可更改無(wú)線通訊間隔,；
　　● 豐富的調(diào)試手段：無(wú)線通訊裝置,，如：手操器或筆記本；
　　● 可遠(yuǎn)程設(shè)置儀表參數(shù),；
　　● 防水設(shè)計(jì),，測(cè)試安全，效率高,；
　　● 抗過(guò)載,、防雷擊、抗振動(dòng),、防電磁干擾,、抗潮濕、抗環(huán)境溫度變化,；
　　3.3 主要的技術(shù)指標(biāo)
　　● 扭矩測(cè)量范圍：0~2000N.m,；
　　● 載荷測(cè)量范圍：0~150kN；
　　● 轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍：0~300 r/min,；
　　● 工作溫度：-40 ~ +85℃,；
　　● 工作濕度范圍：可達(dá)100%,，允許冷凝或結(jié)冰；
　　● 工作電源：鋰電池供電,；
　　● 2.4GHz無(wú)線通訊：符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),；
　　● 數(shù)據(jù)傳輸距離(空曠距離)：250米；
　　● 防爆等級(jí)：ExibⅡCT4,；
　　● 外殼材質(zhì)：鑄鋁外殼,；
　　● 重量：3kg；
　　3.4 遠(yuǎn)程操作
　　● 此儀表具有無(wú)線通訊功能,，采用802.15.4協(xié)議,，可任意實(shí)現(xiàn)與以下設(shè)備的通信，并使用它們遠(yuǎn)程改寫(xiě)儀表的"地址信息",，如：
　　手操器,；
　　● 配套的無(wú)線采集器；
　　● 配接無(wú)線通訊裝置并安裝配套軟件的計(jì)算機(jī)或筆記本,；
　　4 SZ904傳感器在大港油田的應(yīng)用
　　根據(jù)大港油田板橋高含水油田節(jié)能優(yōu)化改造工程的要求,，對(duì)于螺桿泵井的改造，既要實(shí)現(xiàn)能夠穩(wěn)定可靠,，高效采集螺桿泵的各項(xiàng)參數(shù),，同時(shí)也要做到節(jié)能的效果。
　　在產(chǎn)品選型上,，選用北京安控科技股份有限公司的生產(chǎn)的螺桿泵傳感器SZ904,、無(wú)線壓力表SZ903D、無(wú)線溫度表SZ905D,，無(wú)線電量模塊L308以及一體化的無(wú)線RTU(OM201)產(chǎn)品,。安控產(chǎn)品既保留了傳統(tǒng)的高性能、高可靠性等特點(diǎn),，同時(shí)又支持ZigBee無(wú)線技術(shù),。
　　螺桿泵井的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示，包括數(shù)據(jù)的采集,、網(wǎng)絡(luò)通訊部分,。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　如上圖所示，每個(gè)井口通過(guò)無(wú)線傳感器采集所需數(shù)據(jù),，充分利用ZigBee的特點(diǎn),，一個(gè)平臺(tái)的所有井口儀表通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入到同一個(gè)RTU，提高通訊的可靠性,，由井口RTU通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳至井場(chǎng),，再由井場(chǎng)傳到采油廠管理站。做到了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸,、遠(yuǎn)程控制等效果,，并且，將數(shù)據(jù)傳至后臺(tái)網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)信息共享,、信息管理等。
　　從圖1中可以看出,，所有的儀表和RTU均支持手操器的操作,，方便現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試,。
　　整個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程都是通過(guò)無(wú)線ZigBee技術(shù)傳輸完成,，ZigBee技術(shù)采用了IEEE 802.15.4強(qiáng)有力的無(wú)線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn) ：省電、簡(jiǎn)單,、成本又低的規(guī)格,。并且采用無(wú)線技術(shù)降低了施工的難度。
　　由圖1還可以看出,，安控科技的RTU支持一帶多功能,，即一個(gè)RTU帶多個(gè)儀表，最多帶64塊儀表,，在很大程度上節(jié)約了成本,。
　　4.1 井口數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控中心的簡(jiǎn)單說(shuō)明
　　在螺桿泵井井口安裝各種無(wú)線采集傳感器組成一套完整的井口采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的采集井口的各項(xiàng)數(shù)據(jù),，在通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將井口的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心,，從而保證螺桿泵井高效、安全的運(yùn)行,。
　　無(wú)線扭矩傳感器,，實(shí)時(shí)的采集光桿的扭矩、負(fù)荷,、轉(zhuǎn)速,，在監(jiān)控中心則有專(zhuān)門(mén)的監(jiān)控螺桿泵這三項(xiàng)指標(biāo)測(cè)軟件，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控,、分析,，實(shí)時(shí)的監(jiān)控螺桿泵的運(yùn)行情況。
　　在井口控制柜中安裝無(wú)線電量模塊SZ308,，監(jiān)控三相電壓,、三相電流、功率因數(shù),、每日電能等參數(shù),。
　　井口安裝無(wú)線溫度表SZ905D，監(jiān)控井口油溫的變化。防止停抽后,，管線凍堵,，同時(shí)避免過(guò)高溫度、過(guò)低影響生產(chǎn),，避免引起事故,。
　　井口安裝無(wú)線壓力表SZ903D，監(jiān)控油壓和套壓的變化,。以便測(cè)量油量和檢測(cè)底層壓力,。
　　建立完善的數(shù)字化螺桿泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)流程監(jiān)控,、扭矩,、負(fù)荷、速度曲線,、生產(chǎn)曲線,、報(bào)表生成、操作日志和警報(bào)等功能,?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)控，遠(yuǎn)程調(diào)速,、啟停井控制,，操作人員可隨時(shí)了解油井的運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患,，防止設(shè)備帶病運(yùn)行,，提高安全指數(shù)、避免不必要的損耗,。從而提高了螺桿泵油田油井系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,、安全性與經(jīng)濟(jì)效益，減輕了調(diào)度員的負(fù)擔(dān),，實(shí)現(xiàn)了螺桿泵油田調(diào)度的自動(dòng)化與現(xiàn)代化,。
　　5 無(wú)線儀表運(yùn)用于螺桿泵數(shù)字化油田的優(yōu)勢(shì)
　　隨著油田數(shù)字化理念的逐步深入，對(duì)螺桿泵油田數(shù)字化的要求亦日益提高,，無(wú)線傳感器與傳統(tǒng)的儀表相比,，在油田數(shù)字化的建設(shè)中有著明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　傳統(tǒng)的螺桿泵油田井口采用的設(shè)備比如測(cè)量扭矩,、負(fù)荷,、轉(zhuǎn)速的儀表不僅是有線的而且功能單一，如果想測(cè)量這3個(gè)參數(shù)必須安裝三種儀表,，還有測(cè)量其他參數(shù)的儀表,，并且儀表與主控模塊的通訊也是通過(guò)RS485,、RS232或者其他有線方式通訊。這樣在施工安裝過(guò)程中,，不可避免的要在井場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)挖溝,、鋪設(shè)信號(hào)電纜、通訊電纜,、電纜護(hù)管等,，這樣導(dǎo)致施工速度緩慢，尤其在一些土壤鹽堿化或者土壤結(jié)構(gòu)很復(fù)雜的情況下,，施工速度更加的緩慢,。由于油田維護(hù)人員對(duì)井場(chǎng)有例行的一些維護(hù)工作，有些維護(hù)工作可能會(huì)動(dòng)用大型的機(jī)械,，可能會(huì)軋壞或者劃斷通訊電纜,、信號(hào)電纜，這樣就要重新挖溝鋪電纜,，人工費(fèi)用和材料費(fèi)用造成施工成本高,。
　　無(wú)線傳感器應(yīng)用在井口系統(tǒng)，利用安控科技生產(chǎn)的集扭矩,、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速一體的無(wú)線傳感器SZ904,，減少了安裝傳感器的數(shù)量,，從而直接的提高了施工的速度，以及施工的安全度,，而且信號(hào)的傳輸和通訊的傳輸全部采用無(wú)線方式,，不再需要挖溝、鋪設(shè)電纜,，很大程度的提高了施工的速度,，減少了人工費(fèi)用和材料費(fèi)用，并且后期維護(hù)簡(jiǎn)單,、快捷,，不會(huì)出現(xiàn)需要重新挖溝的情況。
　　井場(chǎng)內(nèi)設(shè)備安裝調(diào)試以及后期的維護(hù)過(guò)程中,，都需要對(duì)井場(chǎng)進(jìn)行停機(jī),，而停機(jī)的時(shí)間越長(zhǎng)那油田的產(chǎn)量就會(huì)減少的越多，而提高施工和調(diào)試的速度對(duì)生產(chǎn)效益有明顯的影響,。
　　集扭矩,、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速一體的螺桿泵無(wú)線傳感器,，對(duì)于推動(dòng)螺桿泵油田的數(shù)字化,，生產(chǎn)預(yù)測(cè),、工程分析遠(yuǎn)程計(jì)量，提高螺桿泵油田的生產(chǎn)效益,、安全性,，減少損耗，有著決定性的作用,。