鄭 飛，閆蘇斌，張會森

（中國石油長慶油田分公司培訓(xùn)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(xùn)中心，陜西西安 710201）

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)、傳感器技術(shù)以及控制技術(shù)的井場和增壓站數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)井站生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)監(jiān)測和關(guān)鍵過程控制，提高生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理水平，降低工人勞動強(qiáng)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(shí)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(dá)到強(qiáng)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(yuǎn)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(fù)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(fēng)險(xiǎn)高，日常人工巡井所花費(fèi)的人力物力支出很大。同時(shí)，油井原油被盜和人為破壞等情況時(shí)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(dāng)量將達(dá)到5 000萬t，油井總數(shù)也將達(dá)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(shù)、設(shè)備及生產(chǎn)組織方式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代大油田生產(chǎn)管理的需要。

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

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

應(yīng)用先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲；通過對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，預(yù)測生產(chǎn)系統(tǒng)中可能存在的問題，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)超限報(bào)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(bào)表，實(shí)現(xiàn)環(huán)境安全異常報(bào)警；通過對實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵生產(chǎn)過程的自動控制或提示；利用視頻監(jiān)控技術(shù)，實(shí)行重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)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(shè)在增壓站，站控計(jì)算機(jī)同時(shí)控制站內(nèi)設(shè)備和井場設(shè)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(shí)現(xiàn)井站一體化、同界面操控和遠(yuǎn)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(shè)置井口RTU、閥組間RTU、井場主RTU和井場視頻監(jiān)控設(shè)備，以及相關(guān)通信設(shè)備；增壓站內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)采集儀表、PLC控制器、視頻監(jiān)控設(shè)備和中控室操作員站。通過無線網(wǎng)橋連接使兩個(gè)部分成為一體化監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 井口RTU

通過井口RTU實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)載荷、位移及電參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和遠(yuǎn)程啟停，并實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)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(jī)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(shí)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(jì)和穩(wěn)流配水調(diào)節(jié)閥，實(shí)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(shí)和累計(jì)），并實(shí)現(xiàn)注水量遠(yuǎn)程設(shè)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(yùn)行壓力；通過Modbus RTU串口通信協(xié)議與井口RTU和閥組間RTU進(jìn)行無線通訊，實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 井場視頻監(jiān)控

井場視頻監(jiān)控設(shè)備包括一體化攝像機(jī) （帶云臺）、智能分析視頻服務(wù)器、輔助照明燈及揚(yáng)聲器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)井場視頻圖像的實(shí)時(shí)采集與傳送以及語音提示報(bào)警等功能。其中智能視頻服務(wù)器集視頻采集、視頻壓縮、視頻分析、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ転橐惑w，能對入侵者進(jìn)行特殊的判別并報(bào)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(diǎn)。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(diǎn)對多點(diǎn)BreezeACCESS VL系列無線網(wǎng)橋設(shè)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(yùn)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(fù)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(jī) （IPC）連接，由工控機(jī)控制PLC動作。這樣，就將系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，使系統(tǒng)具有充分的開放性和擴(kuò)展能力。

2.7 中控室操作員站

操作員站選用工控機(jī)，是站控系統(tǒng)的人—機(jī)接口。通過操作員站實(shí)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(biāo)）就可以對生產(chǎn)過程和系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制?？梢栽诓僮鲉T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(bào)警、報(bào)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(shí)，通過光纖與作業(yè)區(qū)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)通信，真正實(shí)現(xiàn)了 “同一平臺、信息共享、多級監(jiān)視、分散控制”的目標(biāo)。

3 站控系統(tǒng)主要監(jiān)控內(nèi)容

3.1 油井功圖計(jì)量

功圖法油井計(jì)量技術(shù)是從能真實(shí)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(gè)復(fù)雜的三維振動系統(tǒng) （包含抽油桿、油管和液柱三個(gè)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(xué)、數(shù)學(xué)模型及算法，計(jì)算在不同示功圖激勵(lì)下的泵功圖響應(yīng)，采用矢量特征法對泵功圖進(jìn)行分析，對故障進(jìn)行識別，確定泵的有效沖程，得出油井產(chǎn)液量。

集測試技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的抽油機(jī)功圖法油井自動計(jì)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(guān)鍵難題，實(shí)現(xiàn)了油井實(shí)時(shí)示功圖數(shù)據(jù)采集、油井工況診斷、產(chǎn)液量計(jì)量等功能。功圖法油井計(jì)量技術(shù)原理見圖3。

圖3 功圖法油井計(jì)量技術(shù)原理示意

3.2 抽油機(jī)運(yùn)行監(jiān)測與控制

3.2.1 抽油機(jī)電參采集及啟?？刂?/p>

在抽油機(jī)井口RTU機(jī)柜配套電流互感器，監(jiān)測抽油機(jī)上下行過程中電流/電壓等參數(shù)變化情況；設(shè)置抽油機(jī)電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控模塊，監(jiān)視抽油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對電機(jī)缺相、過載、空轉(zhuǎn)等故障實(shí)現(xiàn)自動報(bào)警，并能接上位機(jī)指令實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)遠(yuǎn)程啟停。

3.2.2 抽油機(jī)自動調(diào)平衡

數(shù)字化抽油機(jī)通過自動監(jiān)測上下行程電流判斷抽油機(jī)的平衡狀況，并通過驅(qū)動平衡塊電機(jī)將抽油機(jī)調(diào)整到最佳的平衡狀況，降低峰值電流，達(dá)到保護(hù)減速器和節(jié)能的目的?？稍O(shè)定平衡度，如90%～100%為最佳平衡狀態(tài)，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)RTU計(jì)算之后，啟動平衡電機(jī)進(jìn)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(jī)見圖4。

圖4 具備自動調(diào)平衡功能的數(shù)字化抽油機(jī)

3.2.3 抽油機(jī)自動調(diào)沖次

在抽油機(jī)運(yùn)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(jì)算出最優(yōu)的沖次，發(fā)送指令給變頻器，調(diào)節(jié)電動機(jī)輸入頻率，使抽油機(jī)沖次調(diào)整到最合理，達(dá)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(shè)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動配水和流量自動測控。

流量測控裝置由流量計(jì)、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(shè)定值與流量計(jì)檢測到的流量值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測到的流量值與設(shè)定值不一致時(shí)，流量調(diào)節(jié)器開啟，自動調(diào)節(jié)流量到設(shè)定值。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、流量設(shè)置方便、信號遠(yuǎn)傳輸出、中控室遠(yuǎn)程流量調(diào)節(jié)、手動自動兩用等特點(diǎn)。

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(shí)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(gè)電動換向三通閥 （閥1、閥3）、一個(gè)調(diào)節(jié)閥 （閥2）和相應(yīng)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(yùn)行方式為增壓輸出流程設(shè)計(jì)，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(yīng)，達(dá)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(shí)現(xiàn) “一鍵式”切換，輔助流程方式也可運(yùn)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(jì)算機(jī)指令控制相互作用，即使控制計(jì)算機(jī)死機(jī)或通信失敗，裝置上的PLC仍會自動控制運(yùn)行。因此大大降低了現(xiàn)場員工的勞動強(qiáng)度和切換運(yùn)行的誤操作風(fēng)險(xiǎn)。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(shè)定開度調(diào)節(jié)閥 （閥2）進(jìn)緩沖區(qū)的開度，監(jiān)測罐內(nèi)液位，當(dāng)液位上升 （或下降）則通過變頻器調(diào)節(jié)外排泵轉(zhuǎn)速；當(dāng)調(diào)節(jié)泵速至最大 （或最?。r(shí)，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(shí)，對另一臺泵隨之反調(diào)節(jié)，確?？傒敵雠c總來油的平衡關(guān)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(dāng)緩沖區(qū)壓力低至0時(shí)，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(shí)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(shí)現(xiàn)井場和增壓站重點(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(jìn)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(dá)到強(qiáng)化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約人力資源和提高效益的目標(biāo)。

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

[2]Q/SY CQ3356-2009，井場和增壓點(diǎn)數(shù)字化管理建設(shè)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(shè)計(jì)[J].石油工程建設(shè)，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(xué)，理學(xué)碩士，現(xiàn)從事油田數(shù)字化及儀表自動化教學(xué)培訓(xùn)工作。

2011-12-22