基于摻水流量與壓力信號(hào)的稠油開采防堵預(yù)警系統(tǒng)

仉志華，張洪崎，李浩光，肖 坤

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

基于摻水流量與壓力信號(hào)的稠油開采防堵預(yù)警系統(tǒng)

仉志華1，張洪崎2，李浩光1，肖 坤2

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

針對(duì)稠油開采過程中易出現(xiàn)的井堵問題，結(jié)合空心桿摻水稠油開采工藝，根據(jù)實(shí)時(shí)摻水流量和摻水壓力作為井堵判斷依據(jù)，基于PLC與單片機(jī)開發(fā)出經(jīng)濟(jì)型防堵預(yù)警系統(tǒng)。根據(jù)所選流量計(jì)脈沖信號(hào)輸出特征設(shè)計(jì)展寬電路，利用普通IO口實(shí)現(xiàn)了高速脈沖計(jì)數(shù)功能；PLC根據(jù)實(shí)測(cè)瞬時(shí)流量與設(shè)定流量下限閾值比較，并結(jié)合摻水壓力變化趨勢(shì)自動(dòng)判斷井況；基于單片機(jī)系統(tǒng)利用GSM模塊實(shí)現(xiàn)預(yù)警短信發(fā)送，將就地聲光報(bào)警與遠(yuǎn)程短信息報(bào)警有機(jī)結(jié)合。實(shí)踐表明：該裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)井堵預(yù)警功能，可有效保障稠油穩(wěn)定開采。

井堵；稠油開采；可編程邏輯控制器；高速計(jì)數(shù)

與普通原油相比，稠油中的重質(zhì)成分多、粘度大、相對(duì)密度大、流動(dòng)系數(shù)小，在油藏條件下幾乎不能流動(dòng)；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(yùn)動(dòng)。目前，普遍采用摻水降粘和摻稀油降粘2項(xiàng)技術(shù)［1－2］，但在稠油開采過程中仍時(shí)常出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。一旦井堵，需要進(jìn)行高壓注水解堵作業(yè)，作業(yè)費(fèi)用高昂，還會(huì)嚴(yán)重影響油田的正常生產(chǎn)。若能早期發(fā)現(xiàn)井堵趨勢(shì)，及時(shí)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(fā)生為一漸進(jìn)過程，期間會(huì)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(dāng)值班人員定期

本文結(jié)合空心桿摻水稠油開采工藝，提出了一種經(jīng)濟(jì)型防堵預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，通過實(shí)時(shí)跟蹤各井摻水量以及摻水壓力的變化，自動(dòng)判斷工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)井堵趨勢(shì)，并將就地聲光報(bào)警與遠(yuǎn)程短信息報(bào)警相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了預(yù)警信息的無縫輸出。實(shí)踐證明，該方法能夠有效防止井堵問題的發(fā)生。

1 整體結(jié)構(gòu)

空心桿降粘是摻水降粘和空心桿相結(jié)合，經(jīng)過改造而適用于稠油生產(chǎn)的一種降粘工藝，克服了摻水量不易調(diào)配、摻水回滲和摻水熱損失大的缺點(diǎn)［3－4］。

稠油開采井組平臺(tái)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(nèi)流量計(jì)和壓力表單獨(dú)計(jì)量，流量計(jì)本身具有脈沖輸出信號(hào)，壓力表具有4～20mA電流信號(hào)輸出。通過集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各口井的瞬時(shí)流量與壓力，與設(shè)定的閾值相比較，即可判斷出其工作狀態(tài)。本系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，基于可編程邏輯控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)流量脈沖計(jì)數(shù)、壓力測(cè)量、工作狀態(tài)自動(dòng)判斷等功能；觸摸屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量與壓力顯示、相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及設(shè)備管理等功能；除就地聲光報(bào)警之外，報(bào)警信息還可通過工業(yè)無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊，以短信息的形式發(fā)送到相關(guān)值班人員手機(jī)中，從而保證井堵預(yù)警信息發(fā)出的時(shí)效性。

圖1 稠油開采防堵預(yù)警系統(tǒng)框圖

2 實(shí)現(xiàn)原理

2.1 脈沖信號(hào)展寬調(diào)理電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)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(chǎn)品系列的最大測(cè)量量程來確定相關(guān)參數(shù)，脈沖寬度較小，約為4ms，而摻水環(huán)節(jié)所選儀表即使?jié)M量程運(yùn)行時(shí)脈沖數(shù)量也較少、周期也較長(zhǎng)。

對(duì)于脈沖寬度為4ms的信號(hào)，只能采用PLC高速計(jì)數(shù)模塊才能滿足要求，否則將會(huì)出現(xiàn)脈沖丟失，無法準(zhǔn)確反映實(shí)際流量［5］。為保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)流量脈沖信號(hào)周期長(zhǎng)、寬度小的特點(diǎn)，基于單穩(wěn)觸發(fā)器74LS122設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)10路脈沖計(jì)數(shù)，替代多路高速計(jì)數(shù)模塊。展寬前后的脈沖對(duì)比如圖3所示。

圖2 脈沖展寬電路

圖3 脈沖展寬前后對(duì)比

2.2 主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)基于科威PLC與威綸通觸摸屏，基于上述展寬調(diào)理后的脈沖信號(hào)能夠滿足該P(yáng)LC普通IO捕捉要求。對(duì)于壓力信號(hào)，直接選用科威模擬量4～20mA電流信號(hào)測(cè)量擴(kuò)展單元。

由于生產(chǎn)過程中井下液位波動(dòng)等原因會(huì)導(dǎo)致?lián)剿恳矔?huì)隨之變化，而發(fā)生井堵時(shí)為一漸進(jìn)的過程，需要一定的時(shí)間（通常以小時(shí)為單位）。為有效剔除波動(dòng)性帶來的干擾、增強(qiáng)報(bào)警可靠性，PLC將累計(jì)30s的計(jì)量數(shù)據(jù)與設(shè)定值相比較，由此判斷運(yùn)行狀態(tài)。各路流量閾值通過觸摸屏設(shè)定，并寫入PLC具有保持功能的寄存器，以保證每次啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)讀入最新設(shè)定值。一旦發(fā)現(xiàn)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(shì)，進(jìn)行就地聲光報(bào)警，提醒值班人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，并通過觸摸屏將報(bào)警解除；同時(shí)啟動(dòng)短信息控制平臺(tái)，若在3min之內(nèi)沒有人為解除報(bào)警，將把報(bào)警信息以短信方式自動(dòng)發(fā)送至相關(guān)人員手機(jī)中。監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)流程

圖4監(jiān)控流程中把流量和壓力信號(hào)作為互為備用的方式判斷井況，主要是防止現(xiàn)場(chǎng)儀表損壞、臨時(shí)拆除校驗(yàn)等情況下導(dǎo)致的漏報(bào)問題。為有效避免誤報(bào)可以將二者采用“與”的關(guān)系予以處理，只有當(dāng)壓力增加且流量減小時(shí)，才診斷為井堵，盡管該方法增加了可靠性，但不能消除現(xiàn)場(chǎng)儀表校對(duì)、損壞等可能會(huì)帶來的漏報(bào)問題，故該系統(tǒng)中采用了前者。

2.3 短信控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

短信息控制平臺(tái)是基于89C52單片機(jī)與TC35GSM模塊［6］而設(shè)計(jì)。為防止正常運(yùn)行時(shí)因受干擾等原因?qū)е抡`發(fā)信息，并避免垃圾短信等影響，在沒有報(bào)警信息時(shí)，PLC直接通過輸出口O01控制其復(fù)位端，有報(bào)警信息時(shí)才啟動(dòng)其工作，O02輸出與O01輸出電平正好相反，主要為控制邏輯簡(jiǎn)單。短信息控制平臺(tái)啟動(dòng)后，通過3min延時(shí)，確保值班房?jī)?nèi)有人值班情況下，不必短信通知，只有在3min之內(nèi)沒有解決警報(bào)，即沒有及時(shí)處理時(shí)才短信通知相關(guān)人員，實(shí)現(xiàn)了就地報(bào)警與遠(yuǎn)程報(bào)警的有機(jī)結(jié)合，有效保證了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

3 功能與特點(diǎn)

1） 正常工作時(shí)，顯示各口井的瞬時(shí)流量、壓力及工作狀態(tài)。

2） 當(dāng)流量出現(xiàn)下降或者壓力上升時(shí)報(bào)警器自動(dòng)提示報(bào)警，并顯示井號(hào)。

3） 可通過觸摸屏靈活設(shè)定各口井摻水量的下限報(bào)警值。

4） 可通過觸摸屏設(shè)定各口井監(jiān)控的投入與退出。

5） 具有報(bào)警記錄查詢功能，可隨時(shí)查詢報(bào)警的時(shí)間及井號(hào)。

6） 報(bào)警信息能夠自動(dòng)遠(yuǎn)傳至相關(guān)人員手機(jī)中。

7） 各路相互獨(dú)立，可靈活配置和功能擴(kuò)展。

4 結(jié)論

1） 基于PLC和單片機(jī)雙CPU系統(tǒng)開發(fā)了經(jīng)濟(jì)型防堵預(yù)警系統(tǒng)，利用摻水流量和摻水壓力信號(hào)變化趨勢(shì)綜合判斷井堵趨勢(shì)。

2） 針對(duì)所選流量計(jì)脈沖信號(hào)輸出特征，通過對(duì)其進(jìn)行展寬，利用PLC所帶的普通IO口實(shí)現(xiàn)高速脈沖計(jì)數(shù)功能，替代了多路高速計(jì)數(shù)模塊。

3） 該系統(tǒng)將摻水流量與摻水壓力相結(jié)合，有效杜絕了井堵漏報(bào)問題；同時(shí)將就地報(bào)警與短信息報(bào)警有機(jī)結(jié)合，保證了信息傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。

4） 該裝置已成功應(yīng)用于勝利油田勝利采油廠稠油熱采區(qū)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行半年多來，多次監(jiān)測(cè)到井堵趨勢(shì)并準(zhǔn)確發(fā)出預(yù)警信息，有效避免了井堵問題的發(fā)生，有力保障了油田的穩(wěn)定生產(chǎn)。

［1］ 張鴻文.稠油空心桿摻水降粘技術(shù)試驗(yàn)及應(yīng)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(shù)在孤東油田的應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)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(yàn)封管柱的創(chuàng)新與應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)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(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（5）：86－88.

［5］ 鐘肇新.可編程控制器原理及應(yīng)用［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2000.

［6］ 吳飛青，李林功，馬修水.TC35i在溫室環(huán)境信息監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)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－h(huán)ua1，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(wǎng)保護(hù)與控制、油田自動(dòng)化設(shè)備的研究與開發(fā)工作，E－mail：zzh－upc＠163.com。巡檢時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，難以確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)井堵。因此，亟待開發(fā)防堵自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。