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
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琴谱架
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
美工刀片周运动。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
转椅底盘闭，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。
锅炉制造（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绿隔热玻璃
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音频编解码芯片
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，
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