基于LabVIEW的高壓氣井環空帶壓管理系統應用

馮　潔，解秦保，翟　超，王　貝

(1.河南理工大學 應急管理學院，河南 焦作 454000；2.海工國際工程有限責任公司，天津 300461)

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基于LabVIEW的高壓氣井環空帶壓管理系統應用

馮潔1，解秦保2，翟超2，王貝2

(1.河南理工大學 應急管理學院，河南 焦作 454000；2.海工國際工程有限責任公司，天津 300461)

摘要：氣井環空帶壓會嚴重威脅天然氣的生產安全和環境健康。為有效管理高壓氣井環空帶壓問題，分析了高壓氣井環空帶壓原因，在此基礎之上建立高壓氣井環空帶壓管理操作流程。針對高壓氣井生產動態，在采氣樹環空連通閥引入壓力變送器與自動泄壓管線，并基于LabVIEW平臺，結合DATAQ數據采集卡、及PLC下位機，開發出高壓氣井環空壓力管理系統。進而進行壓力泄放/恢復監測與井口氣體泄漏測試。結果表明，該系統測量精度高、運行穩定可靠，同時節省了人工成本，對提高高壓氣井動態管理水平與風險控制技術有重大意義。

關鍵詞：LabVIEW；高壓氣井；環空帶壓；管理系統

在天然氣井生產過程中，環空壓力經井口閥門泄壓后又重新恢復到泄壓前壓力值或低于泄壓前壓力值的現象叫做環空帶壓SCP(sustainedcasingpressure)。根據美國聯邦礦業管理局統計，墨西哥灣外大陸架有超過該地區總井數43%的井至少有一層環空帶壓[1]。我國塔里木油田高壓氣井中有93%存在環空帶壓現象，最高環空帶壓值甚至超過50MPa[2]。隨著開采期的增加，環空帶壓問題日益突出，已經成為影響氣井安全生產的重要因素。因此，適合于高壓天然氣井的環空帶壓管理系統亟待開發與研究。

LabVIEW是國際上首推并應用最廣的數據采集和控制開發環境之一，然而與其配套使用的ATE系列采集卡價格昂貴，其他品牌滿足功能需要的采集卡因與LabVIEW連接困難而導致應用的不多[3]。本文基于LabVIEW開發平臺，利用Windaq控件，實現對DATAQ數據采集卡控制，實時采集井口環空閥門上的溫度、壓力變送器數據；同時通過DataSocket完成與下位機PLC之間的實時通訊，進而控制泄壓電磁閥門的開閉運動、進行壓力泄放/恢復測試。開發了高壓天然氣井環空帶壓管理系統，具有適合井場實際生產、在同等技術條件下要求成本低的優點。

1環空帶壓管理流程

引起環空帶壓的因素主要是以下3種：首先是環空流體受熱膨脹引起的壓力升高，該種情況壓力可經過環空泄壓閥泄去。其次是作業施加的環空壓力，該種情況是臨時變化的壓力，可通過壓力變化識別出。第3是油套管柱泄漏、水泥環失效引起氣竄而導致的環空帶壓。其中，環空密封失效導致油氣從地層經水泥封固井段和環空液柱向上竄流是形成環空帶壓的主要原因。當上竄天然氣來源是生產層或有能力產生油氣的地層時，因其具有持續流動的能力而使這種情況危險性非常高，必須制定合理的環空帶壓管理措施[4]。

1.1環空最大許可壓力計算

根據APIRP90標準[5]，油氣井井身結構是由許多層的套管構成的，兩層套管之間的環形空間稱之為環空。依據由內而外的不同位置的環空，可以依次將其表示為“A環空”、“B環空”、“C環空”…，當環空帶壓值超過管柱強度極限時，油氣會突破井的安全屏障造成泄漏甚至井噴等安全事故。因此，需要給定環空最大許可壓力(MaximumAllowableWellheadOperatingPressure，MAWOP)來評判環空帶壓危險程度。參考APIRP90標準，定義MAWOP如下：

1)A環空MAWOP為以下各項最小者。

①油管抗擠毀強度的75%。

②生產套管抗內壓強度的50%。

③內層技術套管抗內壓強度的80%。

④生產套管頭強度的60%。

2)中間環空MAWOP為以下各項最小者。

①該環空內層套管抗擠毀強度的75%。

②該環空外層套管抗內壓強度的50%。

③該環空外、隔層套管抗內壓強度的80%。

④該環空套管頭強度的60%。

3)表層環空MAWOP為以下各項最小者。

①外層技術套管抗擠毀強度的75%。

②表層套管抗內壓強度的50%。

③表層套管頭強度的60%。

井下管柱為多種規格油套管共同組成，即使同一層管柱也包含多種類型油套管及井下工具。因此在計算各層環空MAWOP時要充分考慮不同種類的管柱，取其最小值。

1.2環空帶壓管理流程

氣井的環空帶壓值以MAWOP為安全上限。當環空帶壓值超過該值時，認為必須進行關井；當環空帶壓值小于MAWOP時，需要進一步分析，進行泄壓/壓力恢復測試。目前，普遍認為進行泄壓/壓力恢復測試的臨界壓力值為0.7MPa(100psi)[6]，即當氣井環空帶壓值介于0.7MPa(100psi)和MAWOP之間時，需要進行泄壓/壓力恢復測試，并且該井需要實時監測環空帶壓狀態變化、定期進行泄壓/壓力恢復測試，其管理流程如圖1 所示[7]。其中p1、p2均為臨界壓力值。

1.3環空帶壓管理系統設計要求

根據上文建立的環空帶壓管理(操作)流程可知：高壓氣井環空帶壓管理系統應滿足以下各項性能的設計要求。

1)功能完整，操作和控制方便。

2)準確監測與記錄壓力、溫度，測試精度小于0.2%F.S.。

3)實時顯示出環空壓力、溫度及系統工作狀態。

4)順利開關泄壓閥門，并且可選擇手動/自動2種模式。

5)控制系統滯后時間小于500ms。

圖1　環空帶壓管理流程

2高壓氣井環空帶壓管理系統設計

為滿足高壓氣井環空帶壓管理系統的性能要求，采用模塊化設計思路。該系統由環空帶壓數據采集系統和環空泄壓系統組成，如圖2 所示。

2.1基于LabVIEW與DATAQ的環空帶壓數據采集系統

數據采集系統通過采氣樹環空連通閥上的溫度、壓力變送器將環空溫度、壓力參數轉換為對應的模擬信號，模擬信號再通過信號隔離器、DATAQ數據采集卡及485通訊模塊傳輸至PC。基于LabVIEW平臺開發數據采集分析模塊，利用Windaq接口函數與DATAQ采集卡連接，實現對環空溫度、壓力的實時監測，其中數據采集的程序框圖如圖3所示。

圖2　高壓氣井環空帶壓管理系統

圖3　DATAQ數據采集程序框圖

數據采集系統依據高壓氣井環空壓力采集時間久、采樣頻率及精度要求不高的特點，選擇適合工況DATAQ數據采集卡。對比采用以前的LabVIEW配套的NI數據采集系統，降低了成本。

2.2基于LabVIEW與PLC的環空泄壓系統

利用數據采集系統實現天然氣井環空帶壓值實時監測，當壓力超過0.7MPa(100psi)時可通過環空泄壓系統進行泄壓/恢復測試。該系統采用Siemens公司點到點通訊模塊CP340，利用集成在CP340模塊中的ASCII碼通訊協議，將LabVIEW與PLC結合起來，實現上位機對PLC端口的開關控制，進而控制井口泄壓管路中的電磁閥啟閉，完成環空泄壓/恢復[8]。向PLC中發送數據命令讀取寄存器狀態框圖程序如圖4所示。

圖4　發送操作指令程序框圖

3現場應用

圖5　高壓氣井環空帶壓管理系統軟件界面

環空壓力變化曲線如圖6所示。該井放壓前A環空壓力值為18.85MPa，泄壓后壓力降到4MPa，關閉閥門后壓力恢復為穩定值15.85MPa。采集泄壓氣體未發現天然氣成分，判斷A環空壓力為流體熱膨脹造成，表明油管、生產套管及封隔器完整性良好。

圖6　環空壓力變化曲線

井口氣體泄漏測試曲線如圖7所示，測試2h后A環空泄壓，壓力曲線pA值降低為4.4MPa。之后關閉環空泄壓閥門，pA恢復到19.03MPa并穩定。8h調節油嘴，油壓p0升高到50.52MPa，此時觀察pA升高為29.61MPa，并且pA變化趨勢與p0相似，說明油管柱有泄漏。同時由于pA小于p0，說明泄漏量不大，需要時刻監測A環空壓力，定期進行泄壓測試。當A環空帶壓值出現上升趨向時，必須進行關井維修工作。

圖7　井口氣體泄漏測試曲線

4結論

1)介紹了氣井環空帶壓原因，在此基礎之上建立了環空帶壓管理流程，進而提出了環空帶壓管理系統要求。

2)基于LabVIEW平臺、結合DADAQ數據采集卡及PLC控制器開發的高壓氣井環空帶壓管理系統，降低了數據采集系統成本，適合井場實時應用。

3)利用井口實時動態監測數據，可以發現油管柱泄漏，保障高壓氣井的安全生產。

參考文獻：

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[2]李汝勇，朱忠謙，伍藏原，等.克拉2氣田壓力動態監測方法[J].石油鉆采工藝，2007，29(5)：102-104.

[3]隋紅林，王華.LabVIEW下普通數據采集卡的驅動與調用[J].微計算機信息，2009(25)：23-24.

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[6]XuR，WojtannowiczAK.Diagnosisofsustainedcasingpressurefrombleed-offbuilduptestingpatterns[G].SPEProductionandOperationsSymposium.Oklahoma.2001.

[7]ZHUHongjun，LINYuanhua，ZENGDezhi，etal.Calculationanalysisofsustainedcasingpressureingaswells[J].PetroleumScience，2012，9(1)：66-74.

[8]張永根.基于LabVIEW與PLC的船舶柴油機監控系統[J].江蘇船舶，2010(2)：27.

ResearchandApplicationofManagementSystemofSustainedCasingPressureforHigh-pressureGasWellBasedonLabVIEW

FENGJie1，XIEQinbao2，ZHAIChao2，WANGBei2

(1.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；2.COOEC International Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China)

Abstract：The sustained casing pressure (SCP) threatens the safety of gas production and environmental health.To effectively solve the problem in high-pressure gas wells，in this paper the causes of SCP was analyzed and then serious of management operation process for high-pressure gas wells was established.In connection with the production status in high pressure gas wells，the pressure transmitters were used and automatic pressure relief lines were added to the annulus connected valves in Christmas trees and then based on LabVIEW，with the DATAQ data acquisition cards and PLC，a management system for SCP was developed to do the pressure relief/recovery monitoring and tests for gas leakage.The results show that the system is in high precision，stable and reliable，while also will save the labor costs and improve the management level of high pressure gas wells and risk-control techniques.

Keywords：LabVIEW；high pressure gas well；sustained casing pressure (SCP)；management system

文章編號：1001-3482(2016)06-0095-05

收稿日期：2016-01-18

作者簡介：馮潔(1989-)，女，河南焦作人，碩士研究生，主要從事管道應急安全及石油鉆采方面的研究工作。解秦保為并列第一作者。

中圖分類號：TE938.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.022