叢式井組套管陰極保護數字化遠程監控柜研發應用

高寶元，高詩惠

(1. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院，陜西西安710018； 2. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安710018)

叢式井組套管腐蝕以外壁腐蝕為主，陰極保護是公認的控制外部腐蝕行之有效的技術手段之一，合理的陰極保護將有效地延長油水井套管的使用壽命[1]。某油田叢式井組套管陰極保護井場分布較廣，由于沒有數字化遠程監控，且管理不到位，因此每年有許多陰極保護系統受損需要維修。特別是雷雨天，如果不及時關掉陰極保護系統，會造成陰極保護設備遭雷擊損壞，從而導致陰極保護設備不能給油水井提供正常的陰極保護電流，使套管發生腐蝕，同時也無法滿足油田數字化建設發展的要求[2]。

研發的叢式井組套管陰極保護數字化遠程監控柜具有體積小、質量輕、調壓安全、運行效率高，能遠程監控叢式井組套管陰極保護設備的運行工況，不需專職人員管理，做到了真正的無人值守，滿足了油田發展的需求[3]。

1 叢式井組套管陰極保護系統工作原理

為了適應油田外部惡劣的工作環境，增加叢式井組套管陰極保護系統的運行可靠性并降低成本，研發中以井組為單元、以套管為重點建立了叢式井組套管陰極保護系統，該系統主要由動力電源柜、直流供電柜、瓷盤電阻器直流分配柜、油水井套管、絕緣法蘭、深井陽極六部分組成。瓷盤電阻器直流分配裝置單元主要用于控制各單井的輸出電流，平衡井間電位差；絕緣法蘭主要用于防止另一側未保護管線受到陰極保護系統雜散電流的干擾腐蝕[4]。

叢式井組套管陰極保護系統工作原理如圖1所示，直流電源負極與各單井套管連接，直流電源正極與深井陽極連接，構成保護回路。

圖1 叢式井組套管陰極保護系統工作原理示意

2 數字化遠程監控柜構成

叢式井組套管陰極保護數字化遠程監控柜主要由陰極保護在線監控裝置和高度集成的數字化遠程控制終端(RTU)兩部分構成，陰極保護在線監控裝置主要由交流供電單元、智能監測陰極保護的電流和電壓儀表單元、可調式直流供電開關電源單元、瓷盤電阻器直流分配裝置單元組成[5]。叢式井組套管陰極保護數字化遠程監控柜構成如圖2所示。

圖2 叢式井組套管陰極保護數字化遠程監控柜構成示意

3 數字化遠程監控柜設計

3.1 在線監控部分設計

在線監控部分由智能監測電流儀表、電壓儀表、瓷盤電阻器分配裝置、直流供電電源、RTU等組成，一并安裝在700 mm(長)×450 mm(寬)×1 800 mm(高)的監控柜中[6]。

1)智能監測電流儀表、電壓儀表。用于采集和傳輸油水井套管陰極保護電流、電壓數據，并通過儀表的RS-485接口將采集的電壓和電流數據上傳至RTU[7]。

2)瓷盤電阻器直流分配裝置。直流分配裝置里的瓷盤電阻器可以改變保護回路電流值，單井套管一般需要4～5 A電流進行陰極保護；陰極保護電位越低，保護程度越高，保護距離也越長，但過低的電位將使陰極保護管道外防腐涂層與管道金屬的粘接力破壞，產生陰極剝離或出現金屬“氫破裂”，同時過低的電位也將消耗過多的保護電流，形成能源的浪費，所以瓷盤電阻器直流分配裝置也起著平衡井間電位差的作用。

3)直流供電電源。直流供電電源由4個功率為1.5 kW的獨立可調式開關電源并聯組成，可輸出0～60 V的直流電壓，額定電流為100 A。

3.2 RTU設計

1)硬件設計。為了滿足自動監控的需要，監控模塊設有8路數字量輸入、3路A/D輸入、6路繼電器輸出、2路D/A輸出、2路報警輸出。為實現本地的人機交互操作，系統采用了LCD界面和24鍵的鍵盤。

a)主控電路。RTU的主控電路采用Intel公司的80C196KC作為主控制器，經數傳模塊和發射電路將接收數據和信號發射出去。

b)采集電路。將0～60 V直流電壓和各分支的0～10 A電流經過信號調整后，再經多路開關送至主控制器80C196KC處理。

c)控制電路。通過繼電器組遠程啟停陰極保護系統。

d)發射電路。該模塊適用于無線網絡的現場數據傳輸[8]，用戶可根據需要選配GPRS模塊，同時在網絡交換機端增設1套無線接收裝置，RTU通過GPRS模塊將需要上傳的數據和啟停信號通過接收裝置的RJ-45接口傳輸至網絡交換機，然后再通過油田已有專用網絡進行上傳，從而實現了油田叢式井組套管陰極保護的遠程監控[9]。

2)RTU軟件設計。采用組態軟件，通過集中管理、獨立控制的模式，RTU軟件主程序流程示意如圖3所示。由于各模塊都有自己獨立的監控程序，當個別模塊出現故障時，將不會影響整機的運行。系統的初始化包括單片機內部控制寄存器的初始化，寄存器區及數據區的初始化等。自檢包括RAM自檢及控制系統各傳感器自檢，自檢通過后調用初始化子程序，顯示系統主菜單可用鍵盤選擇各子菜單，包括運行參數菜單、狀態菜單、故障記錄菜單及參數設置菜單。其中參數設置菜單僅供具有權限的維護人員使用，須輸入密碼才可進行操作。通信握手通過發送特征碼及接收回彈的數據碼來確定通信系統的正常與否[10]。

圖3 RTU軟件主程序流程示意

4 應用效果

叢式井組套管陰極保護數字化遠程監控柜2015年6月至2017年12月應用于該油田60多個叢式井組，可對陰極保護單元中總電流、分支電流、運行工況實時監控，做到無人值守，保證了陰極保護系統控制參數的真實性。實際應用表明： 采用該控制柜，油水井套管防蝕效果好、投入成本低、組網方便、數據傳輸穩定可靠、功能強大，克服了傳統人工檢測費時、費力和偶然性多的缺點，提高了油田自動化管理水平，符合油田發展的需求，有著廣泛的推廣應用前景。

5 結束語

1)叢式井組套管陰極保護數字化監控柜采用直流脈寬調制開關電源供電，克服了傳統型硅整流防蝕儀運行效率低、有振動噪音、發熱浪費電能等缺點，具有體積小、質量輕，不需要配電房等特點，節約了油田的初期投資費用[11]。

2)叢式井組套管陰極保護數字化監控柜與油田現場生產數字化運行平臺對接后，可遠程監控叢式井組套管陰極保護運行工況，使叢式井組套管的電位恒定在控制范圍內，達到最佳保護效果，實現了無人值守，解決了現場管理跟不上的大難題，降低了油井套管發生腐蝕的風險，是陰極保護技術發展的方向[12]。