叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控柜研發(fā)應(yīng)用

高寶元，高詩惠

(1. 中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，陜西西安710018； 2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)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(hù)是公認(rèn)的控制外部腐蝕行之有效的技術(shù)手段之一，合理的陰極保護(hù)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(hù)井場分布較廣，由于沒有數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控，且管理不到位，因此每年有許多陰極保護(hù)系統(tǒng)受損需要維修。特別是雷雨天，如果不及時(shí)關(guān)掉陰極保護(hù)系統(tǒng)，會造成陰極保護(hù)設(shè)備遭雷擊損壞，從而導(dǎo)致陰極保護(hù)設(shè)備不能給油水井提供正常的陰極保護(hù)電流，使套管發(fā)生腐蝕，同時(shí)也無法滿足油田數(shù)字化建設(shè)發(fā)展的要求[2]。

研發(fā)的叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控柜具有體積小、質(zhì)量輕、調(diào)壓安全、運(yùn)行效率高，能遠(yuǎn)程監(jiān)控叢式井組套管陰極保護(hù)設(shè)備的運(yùn)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(fā)展的需求[3]。

1 叢式井組套管陰極保護(hù)系統(tǒng)工作原理

為了適應(yīng)油田外部惡劣的工作環(huán)境，增加叢式井組套管陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性并降低成本，研發(fā)中以井組為單元、以套管為重點(diǎn)建立了叢式井組套管陰極保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(cè)未保護(hù)管線受到陰極保護(hù)系統(tǒng)雜散電流的干擾腐蝕[4]。

叢式井組套管陰極保護(hù)系統(tǒng)工作原理如圖1所示，直流電源負(fù)極與各單井套管連接，直流電源正極與深井陽極連接，構(gòu)成保護(hù)回路。

圖1 叢式井組套管陰極保護(hù)系統(tǒng)工作原理示意

2 數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控柜構(gòu)成

叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控柜主要由陰極保護(hù)在線監(jiān)控裝置和高度集成的數(shù)字化遠(yuǎn)程控制終端(RTU)兩部分構(gòu)成，陰極保護(hù)在線監(jiān)控裝置主要由交流供電單元、智能監(jiān)測陰極保護(hù)的電流和電壓儀表單元、可調(diào)式直流供電開關(guān)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(hù)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控柜構(gòu)成如圖2所示。

圖2 叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控柜構(gòu)成示意

3 數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控柜設(shè)計(jì)

3.1 在線監(jiān)控部分設(shè)計(jì)

在線監(jiān)控部分由智能監(jiān)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(jiān)控柜中[6]。

1)智能監(jiān)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(hù)電流、電壓數(shù)據(jù)，并通過儀表的RS-485接口將采集的電壓和電流數(shù)據(jù)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(hù)回路電流值，單井套管一般需要4～5 A電流進(jìn)行陰極保護(hù)；陰極保護(hù)電位越低，保護(hù)程度越高，保護(hù)距離也越長，但過低的電位將使陰極保護(hù)管道外防腐涂層與管道金屬的粘接力破壞，產(chǎn)生陰極剝離或出現(xiàn)金屬“氫破裂”，同時(shí)過低的電位也將消耗過多的保護(hù)電流，形成能源的浪費(fèi)，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(gè)功率為1.5 kW的獨(dú)立可調(diào)式開關(guān)電源并聯(lián)組成，可輸出0～60 V的直流電壓，額定電流為100 A。

3.2 RTU設(shè)計(jì)

1)硬件設(shè)計(jì)。為了滿足自動監(jiān)控的需要，監(jiān)控模塊設(shè)有8路數(shù)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(bào)警輸出。為實(shí)現(xiàn)本地的人機(jī)交互操作，系統(tǒng)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(jīng)數(shù)傳模塊和發(fā)射電路將接收數(shù)據(jù)和信號發(fā)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(jīng)過信號調(diào)整后，再經(jīng)多路開關(guān)送至主控制器80C196KC處理。

c)控制電路。通過繼電器組遠(yuǎn)程啟停陰極保護(hù)系統(tǒng)。

d)發(fā)射電路。該模塊適用于無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸[8]，用戶可根據(jù)需要選配GPRS模塊，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)端增設(shè)1套無線接收裝置，RTU通過GPRS模塊將需要上傳的數(shù)據(jù)和啟停信號通過接收裝置的RJ-45接口傳輸至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，然后再通過油田已有專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳，從而實(shí)現(xiàn)了油田叢式井組套管陰極保護(hù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[9]。

2)RTU軟件設(shè)計(jì)。采用組態(tài)軟件，通過集中管理、獨(dú)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(dú)立的監(jiān)控程序，當(dāng)個(gè)別模塊出現(xiàn)故障時(shí)，將不會影響整機(jī)的運(yùn)行。系統(tǒng)的初始化包括單片機(jī)內(nèi)部控制寄存器的初始化，寄存器區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)的初始化等。自檢包括RAM自檢及控制系統(tǒng)各傳感器自檢，自檢通過后調(diào)用初始化子程序，顯示系統(tǒng)主菜單可用鍵盤選擇各子菜單，包括運(yùn)行參數(shù)菜單、狀態(tài)菜單、故障記錄菜單及參數(shù)設(shè)置菜單。其中參數(shù)設(shè)置菜單僅供具有權(quán)限的維護(hù)人員使用，須輸入密碼才可進(jìn)行操作。通信握手通過發(fā)送特征碼及接收回彈的數(shù)據(jù)碼來確定通信系統(tǒng)的正常與否[10]。

圖3 RTU軟件主程序流程示意

4 應(yīng)用效果

叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控柜2015年6月至2017年12月應(yīng)用于該油田60多個(gè)叢式井組，可對陰極保護(hù)單元中總電流、分支電流、運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)控，做到無人值守，保證了陰極保護(hù)系統(tǒng)控制參數(shù)的真實(shí)性。實(shí)際應(yīng)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(wǎng)方便、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、功能強(qiáng)大，克服了傳統(tǒng)人工檢測費(fèi)時(shí)、費(fèi)力和偶然性多的缺點(diǎn)，提高了油田自動化管理水平，符合油田發(fā)展的需求，有著廣泛的推廣應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

1)叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化監(jiān)控柜采用直流脈寬調(diào)制開關(guān)電源供電，克服了傳統(tǒng)型硅整流防蝕儀運(yùn)行效率低、有振動噪音、發(fā)熱浪費(fèi)電能等缺點(diǎn)，具有體積小、質(zhì)量輕，不需要配電房等特點(diǎn)，節(jié)約了油田的初期投資費(fèi)用[11]。

2)叢式井組套管陰極保護(hù)數(shù)字化監(jiān)控柜與油田現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)字化運(yùn)行平臺對接后，可遠(yuǎn)程監(jiān)控叢式井組套管陰極保護(hù)運(yùn)行工況，使叢式井組套管的電位恒定在控制范圍內(nèi)，達(dá)到最佳保護(hù)效果，實(shí)現(xiàn)了無人值守，解決了現(xiàn)場管理跟不上的大難題，降低了油井套管發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，是陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展的方向[12]。