基于摻水流量與壓力信號的稠油開采防堵預警系統

仉志華，張洪崎，李浩光，肖 坤

（1.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東東營257061；2.中國石化股份勝利油田分公司勝利采油廠，山東東營257506） ①

基于摻水流量與壓力信號的稠油開采防堵預警系統

仉志華1，張洪崎2，李浩光1，肖 坤2

（1.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東東營257061；2.中國石化股份勝利油田分公司勝利采油廠，山東東營257506）①

針對稠油開采過程中易出現的井堵問題，結合空心桿摻水稠油開采工藝，根據實時摻水流量和摻水壓力作為井堵判斷依據，基于PLC與單片機開發出經濟型防堵預警系統。根據所選流量計脈沖信號輸出特征設計展寬電路，利用普通IO口實現了高速脈沖計數功能；PLC根據實測瞬時流量與設定流量下限閾值比較，并結合摻水壓力變化趨勢自動判斷井況；基于單片機系統利用GSM模塊實現預警短信發送，將就地聲光報警與遠程短信息報警有機結合。實踐表明：該裝置能夠有效實現井堵預警功能，可有效保障稠油穩定開采。

井堵；稠油開采；可編程邏輯控制器；高速計數

與普通原油相比，稠油中的重質成分多、粘度大、相對密度大、流動系數小，在油藏條件下幾乎不能流動；且在井筒和地面輸送過程中，摩擦阻力大、粘度較大的稠油井不但不能自噴，而且抽油桿也不能順利上下運動。目前，普遍采用摻水降粘和摻稀油降粘2項技術［1－2］，但在稠油開采過程中仍時常出現堵塞現象。一旦井堵，需要進行高壓注水解堵作業，作業費用高昂，還會嚴重影響油田的正常生產。若能早期發現井堵趨勢，及時采取注入降粘劑等措施，可大幅減小井堵帶來的損失。由于井堵問題的發生為一漸進過程，期間會伴隨著摻水量的不斷下降及摻水壓力的不斷上升。但只有當值班人員定期

本文結合空心桿摻水稠油開采工藝，提出了一種經濟型防堵預警系統實現方案，通過實時跟蹤各井摻水量以及摻水壓力的變化，自動判斷工作狀態，及時發現井堵趨勢，并將就地聲光報警與遠程短信息報警相結合，實現了預警信息的無縫輸出。實踐證明，該方法能夠有效防止井堵問題的發生。

1 整體結構

空心桿降粘是摻水降粘和空心桿相結合，經過改造而適用于稠油生產的一種降粘工藝，克服了摻水量不易調配、摻水回滲和摻水熱損失大的缺點［3－4］。

稠油開采井組平臺通常由5～10口井組成，每口井的摻水量和摻水壓力由注水間內流量計和壓力表單獨計量，流量計本身具有脈沖輸出信號，壓力表具有4～20mA電流信號輸出。通過集中實時監測各口井的瞬時流量與壓力，與設定的閾值相比較，即可判斷出其工作狀態。本系統整體框圖如圖1所示，基于可編程邏輯控制器（PLC）實現流量脈沖計數、壓力測量、工作狀態自動判斷等功能；觸摸屏實現實時流量與壓力顯示、相關參數設置以及設備管理等功能；除就地聲光報警之外，報警信息還可通過工業無線數據遠傳模塊，以短信息的形式發送到相關值班人員手機中，從而保證井堵預警信息發出的時效性。

圖1 稠油開采防堵預警系統框圖

2 實現原理

2.1 脈沖信號展寬調理電路設計

現場所選儀表量程通常為6m3／h，所配脈沖輸出接口為儀表廠家提供的通用接口。該接口是按照其產品系列的最大測量量程來確定相關參數，脈沖寬度較小，約為4ms，而摻水環節所選儀表即使滿量程運行時脈沖數量也較少、周期也較長。

對于脈沖寬度為4ms的信號，只能采用PLC高速計數模塊才能滿足要求，否則將會出現脈沖丟失，無法準確反映實際流量［5］。為保證系統的經濟性，根據流量脈沖信號周期長、寬度小的特點，基于單穩觸發器74LS122設計了脈沖展寬電路，如圖2所示，將原有4ms的脈沖寬度展寬至20ms，完全可以采用普通I／O實現10路脈沖計數，替代多路高速計數模塊。展寬前后的脈沖對比如圖3所示。

圖2 脈沖展寬電路

圖3 脈沖展寬前后對比

2.2 主機系統設計

主機系統基于科威PLC與威綸通觸摸屏，基于上述展寬調理后的脈沖信號能夠滿足該PLC普通IO捕捉要求。對于壓力信號，直接選用科威模擬量4～20mA電流信號測量擴展單元。

由于生產過程中井下液位波動等原因會導致摻水量也會隨之變化，而發生井堵時為一漸進的過程，需要一定的時間（通常以小時為單位）。為有效剔除波動性帶來的干擾、增強報警可靠性，PLC將累計30s的計量數據與設定值相比較，由此判斷運行狀態。各路流量閾值通過觸摸屏設定，并寫入PLC具有保持功能的寄存器，以保證每次啟動時自動讀入最新設定值。一旦發現流量過低或者摻水壓力過高后，便可判斷該井具有井堵的趨勢，進行就地聲光報警，提醒值班人員進行現場操作，并通過觸摸屏將報警解除；同時啟動短信息控制平臺，若在3min之內沒有人為解除報警，將把報警信息以短信方式自動發送至相關人員手機中。監控系統流程如圖4所示。

圖4 監控系統流程

圖4監控流程中把流量和壓力信號作為互為備用的方式判斷井況，主要是防止現場儀表損壞、臨時拆除校驗等情況下導致的漏報問題。為有效避免誤報可以將二者采用“與”的關系予以處理，只有當壓力增加且流量減小時，才診斷為井堵，盡管該方法增加了可靠性，但不能消除現場儀表校對、損壞等可能會帶來的漏報問題，故該系統中采用了前者。

2.3 短信控制平臺設計

短信息控制平臺是基于89C52單片機與TC35GSM模塊［6］而設計。為防止正常運行時因受干擾等原因導致誤發信息，并避免垃圾短信等影響，在沒有報警信息時，PLC直接通過輸出口O01控制其復位端，有報警信息時才啟動其工作，O02輸出與O01輸出電平正好相反，主要為控制邏輯簡單。短信息控制平臺啟動后，通過3min延時，確保值班房內有人值班情況下，不必短信通知，只有在3min之內沒有解決警報，即沒有及時處理時才短信通知相關人員，實現了就地報警與遠程報警的有機結合，有效保證了系統運行的經濟性。

3 功能與特點

1） 正常工作時，顯示各口井的瞬時流量、壓力及工作狀態。

2） 當流量出現下降或者壓力上升時報警器自動提示報警，并顯示井號。

3） 可通過觸摸屏靈活設定各口井摻水量的下限報警值。

4） 可通過觸摸屏設定各口井監控的投入與退出。

5） 具有報警記錄查詢功能，可隨時查詢報警的時間及井號。

6） 報警信息能夠自動遠傳至相關人員手機中。

7） 各路相互獨立，可靈活配置和功能擴展。

4 結論

1） 基于PLC和單片機雙CPU系統開發了經濟型防堵預警系統，利用摻水流量和摻水壓力信號變化趨勢綜合判斷井堵趨勢。

2） 針對所選流量計脈沖信號輸出特征，通過對其進行展寬，利用PLC所帶的普通IO口實現高速脈沖計數功能，替代了多路高速計數模塊。

3） 該系統將摻水流量與摻水壓力相結合，有效杜絕了井堵漏報問題；同時將就地報警與短信息報警有機結合，保證了信息傳輸的經濟性。

4） 該裝置已成功應用于勝利油田勝利采油廠稠油熱采區。系統穩定運行半年多來，多次監測到井堵趨勢并準確發出預警信息，有效避免了井堵問題的發生，有力保障了油田的穩定生產。

［1］ 張鴻文.稠油空心桿摻水降粘技術試驗及應用［J］.特種油氣藏，2004，11（1）：82－85.

［2］ 常方瑞，黃 煦.空心桿摻水技術在孤東油田的應用［J］.石油地質與工程，2007，21（6）：91－92，96.

［3］ 楊法仁，張有天，王 峰，等.熱采橋塞堵水驗封管柱的創新與應用［J］.石油礦場機械，2009，38（3）：91－94.

［4］ 袁 美，韓 鵬，張俊霞，等.泵上摻水降粘工藝在零散稠油開采中的應用［J］.石油礦場機械，2005，34（5）：86－88.

［5］ 鐘肇新.可編程控制器原理及應用［M］.廣州：華南理工大學出版社，2000.

［6］ 吳飛青，李林功，馬修水.TC35i在溫室環境信息監控中的應用［J］.自動化儀表，2008，29（8）：41－43.

Pre－warning System for Jam during Exploitation of Thickened Oil Based on Flow and Pressure Signal of Water Down

ZHANG Zhi－hua1，ZHANG Hong－qi2，LI Hao－guang1，XIAO Kun2
（1.College of Information and Control Engineering，China University of Petroleum（East China），Dongying257061，China；2.Shengli Oil Production Plant，Shengli Oilfield，Dongying257506，China）

To deal with jam during exploitation of thickened oil，an early warning system with PLC and SCM is present，based on the changing characteristic of the injecting water flow and pressure.A circuit was designed to broaden the pulse signal of water flow in order that the general IO of PLC could count the pulse quantity on the basis of pulse signal characteristic.The PLC could judge the running state of the exploitation，by comparing the monitored signal with the setting threshold.And the warning information could be sent out by GSM controlled by the SCM.The warning model of sound－light and GSM is dynamic integrated.The onsite running result proves its validity.

jam of exploitation；exploitation of thickened oil；PLC；high speed count

1001－3482（2011）12－0089－04

TE934

B

2011－06－22

仉志華（1977－），男，山東德州人，講師，主要從事配電網保護與控制、油田自動化設備的研究與開發工作，E－mail：zzh－upc＠163.com。巡檢時才能發現，難以確保及時發現井堵。因此，亟待開發防堵自動預警系統。