防砂車(chē)組生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

劉少杰

(中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司油氣井下作業(yè)中心，山東 東營(yíng) 257237)

0 引 言

孤東油田現(xiàn)有油水井3000余口，其中每年約有2800口(次)井需要進(jìn)行作業(yè)施工。由于孤東油田油藏埋藏淺，地層膠結(jié)疏松，易出砂，90%以上的作業(yè)井需要進(jìn)行探?jīng)_砂洗井施工。隨著原油開(kāi)采率的不斷增大，特別是經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，孤東油區(qū)油、氣井生產(chǎn)層滲透率大幅度下降，防砂施工已成為目前提高原油產(chǎn)量的最有效措施之一。目前，國(guó)內(nèi)外防砂施工作業(yè)正朝著大排量、高砂比、高精度、高自動(dòng)化的方向發(fā)展，防砂設(shè)備也逐漸向大功率、多功能和高自動(dòng)控制方向發(fā)展。防砂施工中防砂介質(zhì)的壓力、排量、砂密度值、添加劑比例等重要參數(shù)是否符合防砂施工的設(shè)計(jì)要求，將直接影響防砂施工的效果，是防砂施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，測(cè)量系統(tǒng)性能好壞直接關(guān)系到施工的進(jìn)度、施工安全和施工質(zhì)量。因此，對(duì)防砂車(chē)組生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精確控制和調(diào)整防砂過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù),顯得尤為重要。

1 孤東采油廠(chǎng)目前防砂施工過(guò)程現(xiàn)狀

壓力、排量、攜砂比是防砂施工主要的工藝參數(shù)，但目前孤東特車(chē)大隊(duì)現(xiàn)有的一套防砂車(chē)組，投產(chǎn)于2001年，因?yàn)槿鄙賰x表車(chē)配套不能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集控制，主要表現(xiàn)在：①壓力參數(shù)主要來(lái)自壓力表，施工過(guò)程中需要操作人員持續(xù)目視監(jiān)測(cè)，而且壓力數(shù)據(jù)只有防砂車(chē)組臺(tái)上操作人員看見(jiàn)，并按照作業(yè)人員要求進(jìn)行壓力調(diào)整；②排量參數(shù)主要通過(guò)防砂車(chē)組本身的檔位排量疊加估算，屬于非直接測(cè)量數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性?xún)H憑經(jīng)驗(yàn)決定；③攜砂比參數(shù)主要靠作業(yè)人員隨時(shí)調(diào)節(jié)加砂量和排量控制，也屬于非直接測(cè)量數(shù)據(jù)，屬于典型的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確性不高。因此，除壓力參數(shù)外，排量及攜砂比都不能有準(zhǔn)確的量化計(jì)量，整個(gè)施工過(guò)程中的數(shù)據(jù)調(diào)整需要多方協(xié)調(diào)操作控制，不僅調(diào)整響應(yīng)慢，而且直接影響防砂施工質(zhì)量，也難以界定施工質(zhì)量糾紛責(zé)任。

2 數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為解決上述問(wèn)題，特對(duì)防砂車(chē)組進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)防砂施工中壓力、流量、砂比等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1 數(shù)據(jù)采集原理

如圖1，在低壓端(防砂泵車(chē)泵入口端)安裝攜砂比檢測(cè)裝置檢測(cè)攜砂比，安裝流量檢測(cè)裝置檢測(cè)流量。在高壓端(防砂泵車(chē)泵出口)進(jìn)行壓力檢測(cè)，采用的檢測(cè)方式為對(duì)防砂泵車(chē)壓力儀表信號(hào)(圖1中信號(hào)通道A、B、C)進(jìn)行采集并送入數(shù)據(jù)監(jiān)控采集系統(tǒng)處理；其中，對(duì)三個(gè)防砂泵車(chē)壓力進(jìn)行檢測(cè)，攜砂比、流量只檢測(cè)一個(gè)防砂泵車(chē)泵入口；攜砂比、壓力和流量檢測(cè)信號(hào)先送入數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行預(yù)處理，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊上傳到工控機(jī)；工控機(jī)由嵌入式工控機(jī)、觸摸顯示屏、穩(wěn)壓電源模塊組成，接收來(lái)自數(shù)據(jù)處理裝置上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行保存與顯示；顯示系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多屏顯示功能，即顯示系統(tǒng)分為操作人員和管理人員兩個(gè)系統(tǒng)，操作人員顯示屏安裝在控制柜內(nèi)，管理人員顯示屏為移動(dòng)筆記本顯示，系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙連接。

為提高檢測(cè)精度，設(shè)計(jì)增加泵車(chē)模擬數(shù)據(jù)采集功能，提取車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、柱塞泵沖次模擬計(jì)算出排量、壓力等，數(shù)據(jù)與安裝在混砂車(chē)上的傳感器檢測(cè)系統(tǒng)做一比較分析，以便相互參考修正；電源均由車(chē)載電源(DC24V)進(jìn)行供電，為保證電源可靠性與安全，在給控制柜和數(shù)據(jù)處理裝置供電前必須設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓電源模塊。

圖1 數(shù)據(jù)采集原理圖

2.2 數(shù)據(jù)采集流程

防砂液由入口1或入口2處的4英寸快速接頭進(jìn)入，經(jīng)過(guò)三通A進(jìn)入六英寸管道，經(jīng)過(guò)手動(dòng)截止閥A，進(jìn)入流量傳感器，對(duì)液體流量進(jìn)行測(cè)量；從流量傳感器出來(lái)的液體，經(jīng)過(guò)三通B轉(zhuǎn)換接頭，一部分經(jīng)手動(dòng)截止閥B、密度傳感器(對(duì)液體密度進(jìn)行測(cè)量)、彎頭、單向閥到達(dá)三通B；另一部分液體經(jīng)過(guò)彎頭、單向閥到達(dá)三通C。最后在出口1、出口2、出口3處進(jìn)入防砂泵車(chē)(如圖2所示)。

2.3 混砂車(chē)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)

目前，測(cè)量密度最常用的變送器為核子測(cè)量變送器，此方法檢測(cè)精度高，但核子密度計(jì)不僅本身價(jià)格昂貴，而且由于使用放射性材料，一者影響人身安全與環(huán)境，二者使用成本也極高，專(zhuān)人專(zhuān)職使用、管理，即使報(bào)廢也必須永久保管，因此選用了新的密度計(jì)，為保護(hù)密度計(jì)，采用旁路安裝的方式，管道的管徑較大，但是安裝空間有限，選用了比較小的密度計(jì)，以確保可以實(shí)現(xiàn)改造，同時(shí)小的管徑導(dǎo)致混砂液不易進(jìn)去密度計(jì)，為此在密度計(jì)上的安裝管道設(shè)置了如圖3所示的工藝結(jié)構(gòu)，具體混砂車(chē)改造方案如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖1.快速接頭 2.三通A 3.手動(dòng)截止閥A 4.變徑四通 5.流量傳感器 6.三通C 7.手動(dòng)截止閥B.8.單向閥 9.彎頭 10.密度傳感器

圖3 混砂車(chē)改造方案圖

2.4 采集電路設(shè)計(jì)

采集過(guò)程中要求對(duì)3路傳感器模擬量(16位精度)，20路開(kāi)關(guān)量，采集的數(shù)據(jù)每隔1毫秒，通過(guò)串行通訊方式RS232/藍(lán)牙向工控機(jī)傳送。數(shù)據(jù)采集與傳輸一般由信號(hào)調(diào)理電路，多路開(kāi)關(guān)，采樣保持電路，A/D，單片機(jī)，電平轉(zhuǎn)換接口，接收端(單片機(jī)、PC或其它設(shè)備)組成。硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具，數(shù)據(jù)采集原理圖如圖4所示。

由原理圖可知，此設(shè)計(jì)主要分四大部分：模擬量的輸入采集，數(shù)字量的輸入采集，從機(jī)向主機(jī)的RS232/藍(lán)牙通信，主機(jī)顯示與控制。本課題傳感器數(shù)據(jù)采集采用定時(shí)掃描方式進(jìn)行，使用單片機(jī)內(nèi)部的Timer定時(shí)器產(chǎn)生50 ms的采集時(shí)間。

圖4 數(shù)據(jù)采集原理圖

2.5 混砂車(chē)改進(jìn)前、后的結(jié)構(gòu)對(duì)比

混砂車(chē)改進(jìn)前、后結(jié)構(gòu)圖如圖5、6所示。

圖5 混砂車(chē)未改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)圖 圖6 混砂車(chē)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)完成檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)防砂車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行壓力、排量、攜砂比等工作參數(shù)的在線(xiàn)檢測(cè)與傳輸，特別是以密度傳感器完成攜砂比在線(xiàn)檢測(cè)，徹底改變常規(guī)估算檢測(cè)方法，提高攜砂比檢測(cè)準(zhǔn)確性，滿(mǎn)足了防砂車(chē)組施工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求。

(2) 傳感器裝置及安裝結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)，便于安裝、維護(hù)、升級(jí)換代。

(3) 建立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)，壓力、流量、攜砂比參數(shù)與實(shí)際工況吻合率大于98%。

(4) 控制系統(tǒng)采用嵌入式數(shù)據(jù)采集板與相關(guān)電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、嵌入式工控機(jī)程序設(shè)計(jì)、觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)等，具備了實(shí)時(shí)處理、顯示、傳輸檢測(cè)信息的能力，綜合實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功能性與宜人性。