長慶油田井場和增壓站數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)

鄭 飛，閆蘇斌，張會森

（中國石油長慶油田分公司培訓中心，陜西西安 710201）

長慶油田井場和增壓站數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)

鄭 飛，閆蘇斌，張會森

（中國石油長慶油田分公司培訓中心，陜西西安 710201）

基于計算機技術、無線通信技術、網(wǎng)絡視頻技術、傳感器技術以及控制技術的井場和增壓站數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)井站生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)監(jiān)測和關鍵過程控制，提高生產(chǎn)過程的精細化管理水平，降低工人勞動強度。長慶油田的井場和增壓站采用了數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，文章介紹了該系統(tǒng)的組成、功能以及主要監(jiān)控內(nèi)容。通過對井場、增壓站基本生產(chǎn)單元生產(chǎn)過程的監(jiān)控，完成數(shù)據(jù)的采集、過程監(jiān)控和動態(tài)自動分析，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，維持井場的正常生產(chǎn)。通過 “同一平臺、信息共享、多級監(jiān)視、分散控制”，達到強化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目的。

油田；井場；增壓站；監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)字化管理

0 引言

長慶油田井站分布在荒原大漠、梁峁溝壑和遠離城鎮(zhèn)的地區(qū)，作業(yè)區(qū)域分散、交通不便、地理環(huán)境復雜，加上生產(chǎn)場所多涉及易燃、易爆、高溫、高壓等情況，安全環(huán)保風險高，日常人工巡井所花費的人力物力支出很大。同時，油井原油被盜和人為破壞等情況時有發(fā)生，也給油井日常管理帶來了很大難度。依據(jù) “十二五”規(guī)劃，到2015年，長慶油田油氣當量將達到5 000萬t，油井總數(shù)也將達到5萬口，而用工總量不超過7萬人。采用傳統(tǒng)的工藝技術、設備及生產(chǎn)組織方式已經(jīng)不能適應現(xiàn)代大油田生產(chǎn)管理的需要。

采用基于計算機技術、無線通信技術、網(wǎng)絡視頻技術、傳感器技術以及控制技術的井場和增壓站數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了井站生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)監(jiān)測和關鍵過程控制，提高了生產(chǎn)過程的精細管理水平，降低了工人勞動強度，優(yōu)化了生產(chǎn)和管理模式，向數(shù)字化油田管理目標邁出了重要一步。

1 系統(tǒng)設計目標

應用先進的工業(yè)以太網(wǎng)絡和工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術，實現(xiàn)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)的實時采集、存儲；通過對實時數(shù)據(jù)分析，預測生產(chǎn)系統(tǒng)中可能存在的問題，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)超限報警；監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)境不安全因素，生成環(huán)境安全監(jiān)控報表，實現(xiàn)環(huán)境安全異常報警；通過對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對關鍵生產(chǎn)過程的自動控制或提示；利用視頻監(jiān)控技術，實行重點區(qū)域的實時圖像監(jiān)測。

2 系統(tǒng)組成及功能

長慶油田井站數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)是以增壓站為中心輻射到井，構(gòu)成以過程控制為核心的基本生產(chǎn)單元。中控室設在增壓站，站控計算機同時控制站內(nèi)設備和井場設備，完成本站生產(chǎn)管理和站外所轄井場的電子巡井兩大基本功能，實現(xiàn)井站一體化、同界面操控和遠程操控。井場和增壓站數(shù)據(jù)傳輸流程如圖1、圖2所示。

圖1 井場數(shù)據(jù)傳輸流程

圖2 增壓站數(shù)據(jù)傳輸流程

井場設置井口RTU、閥組間RTU、井場主RTU和井場視頻監(jiān)控設備，以及相關通信設備；增壓站內(nèi)設置數(shù)據(jù)采集儀表、PLC控制器、視頻監(jiān)控設備和中控室操作員站。通過無線網(wǎng)橋連接使兩個部分成為一體化監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 井口RTU

通過井口RTU實現(xiàn)抽油機載荷、位移及電參數(shù)的實時采集、傳輸和遠程啟停，并實現(xiàn)抽油機參數(shù)的自動調(diào)整。載荷、位移傳感器分別測試抽油桿所受壓力和抽油機游梁擺動的角度，將其轉(zhuǎn)換為4～20 mA輸出信號，通過電纜引至井口RTU，完成油井示功圖數(shù)據(jù)的采集。通過2.4 GHz無線通訊協(xié)議與井場主RTU通訊，實現(xiàn)井口數(shù)據(jù)上傳。

2.2 閥組間RTU

穩(wěn)流配水閥組間配套壓力變送器、流量計和穩(wěn)流配水調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)注水壓力、流量檢測，通過閥組間RTU為井場RTU上傳各注水井注水壓力和流量值 （瞬時和累計），并實現(xiàn)注水量遠程設定及調(diào)節(jié)。

2.3 井場主RTU

通過壓力變送器檢測井場井組集油管道的運行壓力；通過Modbus RTU串口通信協(xié)議與井口RTU和閥組間RTU進行無線通訊，實現(xiàn)井口和閥組間數(shù)據(jù)的采集與控制；采用以太網(wǎng) （RJ45接口）、TCP/IP協(xié)議，通過無線網(wǎng)橋與增壓站進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 井場視頻監(jiān)控

井場視頻監(jiān)控設備包括一體化攝像機 （帶云臺）、智能分析視頻服務器、輔助照明燈及揚聲器等設備，實現(xiàn)井場視頻圖像的實時采集與傳送以及語音提示報警等功能。其中智能視頻服務器集視頻采集、視頻壓縮、視頻分析、網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ転橐惑w，能對入侵者進行特殊的判別并報警。

2.5 井場通信

井場通信主要將井場生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻圖像傳輸至所屬增壓點。通信方式采用以太網(wǎng)無線網(wǎng)橋，長慶油田用的是5.8 GHz點對多點BreezeACCESS VL系列無線網(wǎng)橋設備。

2.6 PLC數(shù)據(jù)采集及控制

站內(nèi)過程控制單元主要完成站內(nèi)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)的采集和重要生產(chǎn)過程的自動控制等功能。采用高可靠性的PLC控制器，適合各種數(shù)據(jù)的監(jiān)測、檢測及自動化控制，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜控制功能。PLC與現(xiàn)場檢測儀表和執(zhí)行器采用兩線制信號電纜連接,數(shù)據(jù)傳輸信號為4～20 mA模擬信號或485信號。PLC與上位工控機 （IPC）連接，由工控機控制PLC動作。這樣，就將系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，使系統(tǒng)具有充分的開放性和擴展能力。

2.7 中控室操作員站

操作員站選用工控機，是站控系統(tǒng)的人—機接口。通過操作員站實現(xiàn)對現(xiàn)場信息的集中監(jiān)視和操作，通過眾多的顯示畫面和簡單的鍵盤 （或鼠標）就可以對生產(chǎn)過程和系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)視和控制。可以在操作員站上方便地修改組態(tài)，所以系統(tǒng)采用的監(jiān)控軟件除具備常規(guī)的顯示、監(jiān)控、報警、報表自動生成、系統(tǒng)自檢等功能外，還具備組態(tài)、PID參數(shù)整定等功能。同時，通過光纖與作業(yè)區(qū)進行互聯(lián)網(wǎng)通信，真正實現(xiàn)了 “同一平臺、信息共享、多級監(jiān)視、分散控制”的目標。

3 站控系統(tǒng)主要監(jiān)控內(nèi)容

3.1 油井功圖計量

功圖法油井計量技術是從能真實反映抽油系統(tǒng)有桿泵工況的地面示功圖入手，將定向井有桿泵抽油系統(tǒng)視為一個復雜的三維振動系統(tǒng) （包含抽油桿、油管和液柱三個振動子系統(tǒng)），研究建立了定向井有桿泵抽油系統(tǒng)的力學、數(shù)學模型及算法，計算在不同示功圖激勵下的泵功圖響應，采用矢量特征法對泵功圖進行分析，對故障進行識別，確定泵的有效沖程，得出油井產(chǎn)液量。

集測試技術、通信技術和計算機技術為一體的抽油機功圖法油井自動計量系統(tǒng)，解決了油井示功圖現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)連續(xù)錄取這一關鍵難題，實現(xiàn)了油井實時示功圖數(shù)據(jù)采集、油井工況診斷、產(chǎn)液量計量等功能。功圖法油井計量技術原理見圖3。

圖3 功圖法油井計量技術原理示意

3.2 抽油機運行監(jiān)測與控制

3.2.1 抽油機電參采集及啟停控制

在抽油機井口RTU機柜配套電流互感器，監(jiān)測抽油機上下行過程中電流/電壓等參數(shù)變化情況；設置抽油機電機運行監(jiān)控模塊，監(jiān)視抽油機運行狀態(tài)，對電機缺相、過載、空轉(zhuǎn)等故障實現(xiàn)自動報警，并能接上位機指令實現(xiàn)抽油機遠程啟停。

3.2.2 抽油機自動調(diào)平衡

數(shù)字化抽油機通過自動監(jiān)測上下行程電流判斷抽油機的平衡狀況，并通過驅(qū)動平衡塊電機將抽油機調(diào)整到最佳的平衡狀況，降低峰值電流，達到保護減速器和節(jié)能的目的。可設定平衡度，如90%～100%為最佳平衡狀態(tài)，當傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)RTU計算之后，啟動平衡電機進行調(diào)節(jié)，直至最佳狀態(tài)。具備自動調(diào)平衡功能的數(shù)字化抽油機見圖4。

圖4 具備自動調(diào)平衡功能的數(shù)字化抽油機

3.2.3 抽油機自動調(diào)沖次

在抽油機運行過程中，根據(jù)功圖量油軟件數(shù)據(jù)接口得到的油井產(chǎn)液量大小，RTU將根據(jù)沖次優(yōu)化算法自動計算出最優(yōu)的沖次，發(fā)送指令給變頻器，調(diào)節(jié)電動機輸入頻率，使抽油機沖次調(diào)整到最合理，達到最佳節(jié)能效果。

3.3 穩(wěn)流配水閥組監(jiān)測與控制

穩(wěn)流配水閥組的作用是自動控制和調(diào)節(jié)注水井的注水量，主要設備是流量測控裝置，該裝置將數(shù)據(jù)采集、流量控制和傳輸功能一體化，可實現(xiàn)遠程自動配水和流量自動測控。

流量測控裝置由流量計、流量調(diào)節(jié)器、智能化控制器等組成，見圖5，適合于單回路調(diào)節(jié)過程。其工作原理是：智能控制器將流量設定值與流量計檢測到的流量值進行比較，當檢測到的流量值與設定值不一致時，流量調(diào)節(jié)器開啟，自動調(diào)節(jié)流量到設定值。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、流量設置方便、信號遠傳輸出、中控室遠程流量調(diào)節(jié)、手動自動兩用等特點。

圖5 穩(wěn)流測控裝置結(jié)構(gòu)示意

3.4 數(shù)字化橇裝增壓集成裝置

數(shù)字化橇裝增壓集成裝置是將原油混合物加熱、分離、緩沖、增壓、控制等多功能高度集成，通過閥門切換可實現(xiàn)多種工藝流程，適用于低滲透油田油井產(chǎn)物的增壓混輸。該裝置由分離緩沖空間、水套加熱空間、兩臺油氣混輸螺桿泵、兩個電動換向三通閥 （閥1、閥3）、一個調(diào)節(jié)閥 （閥2）和相應的管路、PLC控制器等組成。

裝置采用2臺螺桿油氣混輸泵為輸出動力，以一主一輔運行方式為增壓輸出流程設計，以油氣加熱密閉混輸為條件，分離出的氣體除了滿足裝置加熱部分燃燒外，剩余氣體全部油氣混輸至下一級站。自動動態(tài)控制兩臺螺桿泵的轉(zhuǎn)速使來油與其外輸對應，達到油氣平穩(wěn)輸送，兩泵可相互主輔切換。主要生產(chǎn)流程實現(xiàn) “一鍵式”切換，輔助流程方式也可運行單泵或通過控制閥任意控制。借助PLC閉環(huán)控制和站控計算機指令控制相互作用，即使控制計算機死機或通信失敗，裝置上的PLC仍會自動控制運行。因此大大降低了現(xiàn)場員工的勞動強度和切換運行的誤操作風險。數(shù)字化橇裝增壓裝置流程見圖6。

控制主流程是以緩沖區(qū)的液位為調(diào)控依據(jù)，先設定開度調(diào)節(jié)閥 （閥2）進緩沖區(qū)的開度，監(jiān)測罐內(nèi)液位，當液位上升 （或下降）則通過變頻器調(diào)節(jié)外排泵轉(zhuǎn)速；當調(diào)節(jié)泵速至最大 （或最小）時，液位仍然不能平穩(wěn)，再調(diào)節(jié)閥2的開度；在升降一臺泵時，對另一臺泵隨之反調(diào)節(jié)，確保總輸出與總來油的平衡關系。為保證分離出的氣體滿足燃燒器使用，系統(tǒng)還監(jiān)測分離緩沖區(qū)壓力，當緩沖區(qū)壓力低至0時，說明氣體較少，自動調(diào)節(jié)閥2開度增大，緩沖區(qū)分流量同時增大排量。

圖6 數(shù)字化橇裝增壓裝置流程

3.5 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

視頻顯示端采用普通PC作為視頻工作站，安裝視頻監(jiān)控軟件，配置液晶顯示屏。實現(xiàn)井場和增壓站重點區(qū)域視頻圖像的顯示、集成、存儲以及攝像頭控制等。

視頻監(jiān)視的主要功能是完善井站的安全管理，直觀地監(jiān)視井站內(nèi)裝置運行和人員出入，在緊急情況下起到分析事故原因、輔助消防的作用。

4 結(jié)束語

井站數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)是油田數(shù)字化管理的重要組成部分，其重點是針對生產(chǎn)前端，即對井場、增壓站基本生產(chǎn)單元的生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，完成數(shù)據(jù)的采集、過程監(jiān)控和動態(tài)自動分析，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，維持正常生產(chǎn)。通過 “同一平臺、信息共享、多級監(jiān)視、分散控制”，達到強化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目標。

[1]張會森.長慶油田數(shù)字化采油技術 [J].油氣田地面工程，2011，30（1）：1－4.

[2]Q/SY CQ3356-2009，井場和增壓點數(shù)字化管理建設要求[S].

[3]馮宇，姬蕊，鄧展飛，等.長慶油田地面系統(tǒng)數(shù)字化設計[J].石油工程建設，2010，（1）：89-91.

Digital Monitoring and Control System of Well Sites and Boosting Stations in Changqing Oilfield

ZHENG Fei（PetroChina Changqing Oilfield Training Center， Xi’an 710086， China），YAN Su-bin，ZHANG Hui-seng

The digital monitoring and control system of well sites and boosting stations based on computer technology,wireless communication technology,network video technology,sensor technology and control technology can realize data supervision and key process control in well and station productions,raise delicacy management level of production process and reduce worker’s labor intensity.The well sites and boosting stations in Changqing Oilfield adopt the digital monitoring and control system.The configuration,function and main monitoring and control contents of the system are introduced in this paper.By means of data acquisition,process monitoring and control and dynamic analysis of production process of basic production units,problems can be found and resolved in time,with the philosophy of“identical platform,information co-sharing,multilevel monitoring and distributed control”,the targets of enhancing safety,process monitoring and control,saving manpower resource and raising benefit are reached.

oilfield;well site;boosting station;monitoring and control system;digital management

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.010

鄭 飛 （1972-），男，甘肅隴西人，講師，2007年畢業(yè)于陜西師范大學，理學碩士，現(xiàn)從事油田數(shù)字化及儀表自動化教學培訓工作。

2011-12-22