智能完井液壓站控制系統設計及實現

薛德棟，張璽亮，劉鐵明

（中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300457）

0 引言

海上油田開發過程中，面臨層數多，層間矛盾大等突出問題，層間差異大，單層出水嚴重導致底水、邊水突進，造成整井水淹。智能完井技術能夠對井下的滑套狀態進行實時控制，能夠監測井下壓力、溫度、流量層實時參數，結合油層數值模擬信息進行決策，對井下滑套進行生產遙控，從而達到穩油、控水，提高最終采收率的目的。

圖1 直接液力控制液控智能完井示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct hydraulic control hydraulic control intelligent well completion

井下流量控制器控制方式主要有液壓控制、電動控制或者液壓/電動控制，控制狀態有全開、全閉、多級調節和精細調節等。其中，液壓驅動由于其耐高溫、扭矩大、可靠性高的優點，在國內外應用廣泛[1]。國外的Welldynamics 公司Smart-Well 智能完井系統，Halliburton公司HS-ICV、LV-ICV、MCC-ICV 等系列的井下流量控制閥，以及Schlumberger 公司的IntelliZone Compact 智能完井系統均采用液壓控制方式。

1 地面液壓控制站

智能完井液壓控制站是智能完井的重要組成部分，其安裝在地面，產生液壓動力，對井下液控滑套及解碼器提供液壓動力，實現井下滑套的開啟與關閉。圖1 為直接液力控制液控智能完井示意圖。如圖1 所示，實現井下2 層滑套的控制需要3 條液控管線，井下閥的開啟分別由各自的控制管線控制，但關閉僅由一根控制線實現。控制管線2，3 分別控制閥A 和閥B，當這兩根管線施加高壓油時，便能實現兩個閥門A 和B 的開啟。而閥門A 和B 的關閉端由一根控制線1 共同控制，當控制線1 通入高壓油，從而實現兩個閥門的關閉。當井下液控滑套數量增加時，需要增加井下解碼裝置，能夠利用3 條液控管線實現井下6 層的控制，即若完成井下不低于6 層液控滑套的控制，需要地面液壓控制站能夠獨立輸出3 路液壓動力。

地面液壓控制站主要參數如下：

1）使用環境溫度：-35℃～60℃。

2）電源輸入：380 VAC / 480VAC /690VAC 50 HZ。

3）設計壓力：70000Psi。

4）輸出壓力：6000Psi。

5）三路壓力輸出。

地面液壓控制站主要由儲油罐、液壓泵、電磁控制閥、回油管、液壓管匯、檢測設備、液壓控制系統等組成；液壓泵產生液壓動力，電磁控制閥實現液路的開關與液路轉向控制，檢測設備等實現液壓流量、壓力等參數的計量；液壓控制系統為地面液壓控制站的核心，其系統采用PLC控制，能夠接收遠程信號，通過邏輯判斷，控制電磁閥通斷，從而實現液路的控制。

圖2 地面液壓控制系統整體原理圖Fig.2 Overall schematic diagram of ground hydraulic control system

2 智能完井地面液壓站控制系統設計

2.1 地面液壓站控制系統設計

液壓站驅動控制系統包括：上位機控制級、PLC 控制級、變頻控制級，下位機PLC 選用西門子s7-1200 系列，PLC 配有7 寸觸摸屏。上位機控制級中控室與PLC 之間通過RS-485 連接，完成地面控制系統的計算機自動復合控制，RS485 傳輸速率為9600bps 時，傳輸距離可達1500m，可連接128 個收發器。以太網無法保證數據傳輸的實時性要求，魯棒性和抗干擾能力很難適應環境惡劣的工業現場[2-4]。可見，RS485 最適合智能完井現場需要。同時，可通過工業以太網將該地面控制系統與其余控制終端連接，實現遠程控制。為了實現高精度的速度閉環控制，變頻器控制級選配脈沖編碼器接口模塊，用于變頻器接收驅動電機的編碼器反饋地面，液壓控制站整體原理如圖2 所示。

2.2 地面液壓站PLC控制系統設計及接線

地面控制站設置有壓力、流量等傳感器，啟停開關、壓力調節電磁閥等外置設備，設備信號的輸入是通過各總線協議和I/O 模塊來實現的。利用PLC 系統實現數據的采集和信號的輸出，同時通過PLC 與上位機連接，實現數據的傳輸和圖形監測功能，實現了邏輯控制、過程控制一體化。為配合井下液控滑套的精細化控制，地面液壓控制協同應具備以下功能。

1）為解碼器及井下多級流量控制裝置提供液壓動力，根據邏輯命令完成相應的動作。

2）系統具備輸出壓力檢測功能，當壓力超過設定值時可自動進行溢流泄壓。

3）主回路分為3 路，每一主回路上配有進口高精度比例流量控制閥，能夠準確控制輸出液壓油的液量。

圖3 脈沖流量計及報警信息PLC接線圖Fig.3 PLC Wiring diagram of pulse flowmeter and alarm information

4）主回路上均配有壓力表，用于現場顯示系統輸出壓力，同時配有壓力變送器，可將壓力信號傳送到中控室，將壓力數據進行實時顯示與記錄。

5）配有自動泄壓閥，主回路不需要加壓時可將管線壓力泄放。

6）現場控制面板上具有主回路的壓力輸出通斷、壓力顯示、泄壓等功能。

7）中控室具有所有回路的壓力輸出通斷、壓力顯示、泄壓、流量計量及井下多級流量控制裝置位置顯示等功能，根據設定程度能夠完成相關自動控制。

2.2.1 流量控制系統實現

控制液流量計量為一項重要指示參數，通過控制液流量能夠精確判斷井下狀態，該地面控制站選用kracht 公司的VC0.025F1PS 脈沖流量計，該流量計計量范圍是0.008L/min ～2L/min，能夠精確地對進入井下控制管線的控制液進行精確計量。在3 條液控管線上分別安裝1 個流量計，3個脈沖流量計占用PLC 輸入口（I 口）兩個位，這兩個位連接PLC 的計數器，通過計數器的脈沖個數，加上每個脈沖對應0.25ml，可以算出流量值。同時，對液位低信息、變頻器故障、變頻器運行、油泵電機啟動、油泵電機停止、急停按鈕在PLC 上的接線圖，如圖3 所示。

圖4 壓力變送器PLC接線圖Fig.4 PLC Wiring diagram of pressure transmitter

2.2.2 壓力控制系統實現

壓力變送器選用AST 公司4401C00400 型號，該變送器壓力測試范圍是0MPa ～40MPa，工作環境溫度-40℃～80℃。壓力變送器與地面控制站壓力輸出口連接，實時顯示地面控制站3 條壓力管線壓力輸出值。圖4為3 個壓力變送器在PLC 上的接線圖。

3 智能完井地面液壓站控制軟件設計

為實現地面控制系統的邏輯控制，通過上位機變成實現控制程序的開發和控制。上位機對下位計算機進行數據發送和接收、修改試驗參數、控制工作狀態、存儲試驗數據、顯示控制界面和數據回放、報表生成等功能，采用友好的軟件交互界面，從而實現整個系統的穩定運行。上下位機互相獨立，互不干擾，分工明確，從而可以更好地保證系統穩定運行。下位機PLC 負責完成所有試驗傳感器信號的采集、測試壓力的采集、測試流量的采集、異常判斷等功能。

3.1 軟件框架結構

上位機Visual Basic 軟件通過RS485 串口通訊實現遠距離向下位機輸入試驗標準、試驗工藝及試驗參數等指令，同時也可向下位機獲取試驗壓力和試驗流程狀態、異常情況等參數，并可實時顯示試驗數據。上位機軟件基于Visual Basic 6.0 開發，系統控制流程圖如圖5 所示。控制結構采用上、下位機控制模式，上位機下位機軟件功能如圖6 所示，下位機主要進行系統過程控制、數據采集以及與上位計算機進行數據交換等功能。

圖5 軟件控制流程參考圖Fig.5 Software control flow reference diagram

表1 PLC 1200寄存器地址映射關系Table 1 Address mapping relationship of PLC 1200 register

3.2 上下位機的MODBUS RTU協議

上下位機通訊選用MODBUS RTU 協議，Modbus 是一種串行通信協議，是Modicon 公司（現在的施耐德電氣Schneider Electric）于1979 年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發表。

對于地面控制液壓站上位機與下位機的通訊，上位機需要實時讀取下位機傳感器傳回的瞬時壓力、流速、溫度信息，還包括泵、油箱液位、變頻器、控制柜按鈕信息，同時上位機需要發送指令給下位機，進行控制。西門子PLC 1200 作為下位機，作為Modbus RTU 從站，對應的寄存器地址見表1。

圖6 上、下位機軟件功能示意圖Fig.6 Software function diagram of upper and lower computer

其首地址應為40001，因為地址碼是一個字節，故Modbus RTU 地址碼定為01，對于上位機從下位機讀取信息，流量、溫度、壓力均為浮點數，每個參數占4 個字節，共計28 個字節，加上下位機運行信息，需要32 個字節，發送數據幀格式為01 03 00 00 00 10 44 06，其中01 地址碼；03 功能碼；00 00 為MD0 地址，00 10 定義為16 個字（32 個字節）44 06 為CRC 檢驗碼。工作時，當上位機將數據幀發送給下位機時，下位機就向上位機發送流量、溫度、壓力、下位機運行狀態信息，上位機不發送該幀格式，下位機也不向上位機回傳信息。對于上位機控制下位機，是位控制指令，每個位可控制一個按鈕，一個字節8 位可控制8 個按鈕。

4 結論

地面液壓控制站為智能完井井下工具提供液壓動力，其核心控制系統采用PLC 控制，配合RS485 通訊方式，能夠實現多組數據的遠程傳輸，滿足現場需求。所設計的PLC 接線方式能夠對地面液壓控制站的控制液流量、控制液壓力等參數進行實時監測與判斷。同時，設計的地面控制軟件采用MODBUS 傳輸協議，實現上位機對地面液壓站的遠程控制，實現了下位機對地面液壓站的控制，及瞬時壓力、流量、溫度等實時參數的讀取，滿足智能完井井下控制需求。