基于HPLC技術的油田井場管控系統設計與應用

趙懷軍，張佳輝，李亮辰，袁 濤，楊秀芳

(1.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，陜西 西安 710048；2.西北工業大學 倫敦瑪麗女王大學工程學院，陜西 西安 710048；3.中國石油長慶油田分公司 第十一采油廠，甘肅 慶陽 745000)

油田井場是石油能源生產的源頭，全面實時管控其運行狀態，對科學制定油田開發調整方案、有效降低采油成本和保障油田安全穩定運行意義重大[1]。

目前油田井場常規管控主要是單區域模式[2]，范圍涉及井場重點區域[3]。井場內部局域網的通信媒介普遍采用光纜、通信電纜等有線方式或ZigBee、Lora、4G/5G等通用無線方式。王勇[4]設計了基于ZigBee技術的抽油機井安全監控系統，對抽油機的安全運行進行了有效管控；姚卜文[5]基于4G技術建立了邊遠抽油機井的SCADA監控系統，解決了偏遠地區機井的監控問題；王濤等[6]基于阿里云設計了抽油機井多參數監控系統，豐富了對抽油機井的管控內容；顧雨晴等[7]基于ARM技術設計了注水井的流量監控系統，彌補了對注水井遠程監控的空白等。但是，上述技術與方法對油田井場中的配電臺區、集輸站、計量接轉站等環節尚沒有進行全面有效的管控，同時其內部局域網采用的有線通信方式會增加前期建設費用和后期維護難度[8]，采用的通用無線通信方式又易受環境干擾穩定性較差[9]，尤其對地處極端天氣易發、山壑縱橫的西北區域油田，通用無線通信方式應用受到較大限制。

針對上述問題，設計了基于高速電力載波通信(High Power Line Communication，HPLC)技術的油田井場管控系統。該系統在井場內部局域網構建上，以油田井場中既有的基礎電力線纜作為通信媒介、基礎電力網絡作為通信網絡，采用HPLC技術，完成井場內部局域網鏈路鏈接，不需再另外鋪設通信線，特別是HPLC技術引入先進OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術)調制編碼方法[10]，能很好地消除載波信道時變、強干擾等因素產生的影響，具備自組織性、自適應性強等優點[11-12]；在井場常規管控系統尚未涉及的井場配電臺區、或較少涉及的集輸站與計量接轉站等環節上裝設RTU控制終端管控相應數據，通過通信口/HPLC通信模塊并接至多井集聯控制器，最終將整個油田生產重點區域納入井場管控系統，完善管控內容，傳輸數據穩定可靠，滿足油田井場全面管控需求，提高生產運維效率。

1 油田井場構成與功能

圖1為油田典型的“以電換油”井場系統模型，包括配電臺區、采油井場、注水井場(配水間)、集輸站和計量接轉站等環節[13-15]。該井場系統中電能為井場設備和生產活動提供動力能源，水為井場地層壓力平衡保持和提高油液采收率提供保障，油液為井場系統生產出的工業產品。

圖1 典型的“以電換油”井場系統模型

圖2為油田井場生產工藝流程示意圖。作為采油作業的綜合場所，油田井場集供電網絡、地層注水、井口抽油、石油計量、石油運輸等功能于一體[13]，其各環節具體功能和任務如下所述。

圖2 油田井場生產工藝流程示意圖

配電臺區為整個油田井場運行提供電能動力。主要由電能輸入單元、電能變配單元和電能輸出單元組成。配電臺區工作時需要實時管控的參數包括配用電系統全電參數、配電設備及主要元部件狀態、變壓器溫度及傾斜度、輸入/輸出斷路器合分閘狀態、環境溫濕度等，進一步詳細內容在本文2.1節中敘述。

注水井場的核心任務是通過給地層合理注水保持地層壓力和提高原油采收率。主要由水井、配水間等單元組成。注水井場工作時需要實時管控的參數包括注水井視頻監控、注水管壓力、注水瞬時流量和累計流量以及注水閥控制等，如圖3所示。

圖3 注水井場參數采集

采油井場的核心任務是利用采油設備將油液從地層舉升到地面進行采收。采油設備主要由抽油機系統、抽油泵、電氣控制柜和輔助工藝設施等單元組成，工作時，輸入的電能經電動機變換為機械能，經減速器和傳動機構帶動井下抽油泵運動，不斷地將井中的原油抽出井筒。采油井場工作時需要實時管控的參數包括井口回壓、套壓、電參數、示功圖(通過同步采集載荷和位移數據生成)、沖次調節和抽油機的啟停狀態等，如圖4所示。

圖4 采油井場參數采集

集輸站的核心任務是將單個或數個采油井場各油井生產的原油和油氣進行收集、處理后，分別輸送至礦場油庫或外輸站。其主要由原油集中處理環節、集輸環節、污水處理環節和輔助生產環節等單元組成。集輸站工作時需要實時管控的參數包括集輸站管線壓力、環境溫度、管線油液流量、可燃氣體濃度和集輸站視頻等，如圖5所示。

圖5 集輸站參數采集

計量接轉站的核心任務是負責油氣計量和原油接轉。其主要由集油閥組(俗稱總機關)、單井油氣計量分離器等單元等組成。其工作時需要實時管控的參數包括計量接轉站管線壓力、累計產油量、環境溫度、可燃氣體濃度等，如圖6所示。

圖6 計量接轉站參數采集

為滿足油田生產提質增效和整體安全水平提升，需要對上述各環節進行全面有效管控。

2 油田井場管控系統總體方案設計

油田井場管控系統總體方案如圖7所示。主要由井場各環節的數據采集與監控子系統、數據傳輸子系統、生產管理子系統等組成。數據采集與監控子系統部署在井場層級的各環節中，利用專門設計的RTU終端對各自生產現場的數據進行采集監控；數據傳輸子系統部署在站場層級，利用HPLC技術實現井場各環節之間的數據通信，最終并入多井集聯控制器實現數據的打包和遠程傳輸；生產管理子系統部署在采油廠及油氣田公司總部的控制中心，滿足油田現場油氣生產監測、分析診斷、預測預警等需求。

圖7 油田井場管控系統方案

2.1 數據采集與管控子系統

配電臺區作為井場電能輸配環節，是井場重要的組成部分和保障井場正常運營的動力基礎，對其進行有效管控意義重大，但在目前井場管控系統中，此環節尚為缺項。本節僅以配電臺區為例進行說明，其他如注水井場、采油井場、集輸站和計量接轉站等管控方法和技術與此類同。

圖8為典型的井場柱上配電臺區環節示意圖，其中左側虛線框為電能輸入單元和電能變配單元，右側虛線框為電能配送單元。電能輸入單元包括跌落式熔斷器、高壓絕緣瓷瓶及相應保護測量元件等，主要對從上級配電所引入的高壓電源(35 kV或10 kV)進行轉接和分配，經隔離保護后送至電能變配單元；電能變配單元包括配電變壓器、低壓絕緣瓷瓶、電流母排、互感器和相應的測量保護元件等，主要對電能輸入單元送來的高壓電源經配電變壓器變換成低壓電源(1200 V、600 V或400 V)后，送至低壓電流母排，再由電流母排匯聚、配送至電能配送單元；電能配送單元包括饋出斷路器、保護測量元件、無功補償子單元等，饋出斷路器及保護測量元件進一步將低壓電能經隔離保護后分配至井場各個用電設備，無功補償子單元完成對井場無功功率的綜合補償，降低配電變壓器鐵損和輸電線纜銅損，它包括由3組三角形與1組星形接法的電容器組、微斷開關ZK、塑殼斷路器nQS(n=1，2，3，4)、負荷斷路器FK等。低壓電源系統采用三相四線制TNC供電方式。

圖8 柱上配電臺區系統主回路示意圖

在配電臺區中增設RTU控制終端實現對該環節的有效管控。RTU控制終端主要用于完成對跌落式熔斷器的熔斷狀態監測；對配電變壓器及其饋出線路進行電能分配、保護、監視、控制、全景數據測量和統計分析；控制電容器組負荷斷路器FK投切，自動動態補償井場無功功率；并進行其他參量及狀態量測量。對配電變壓器或其饋出線路的保護包括電流速斷，限時電流速斷，過電流、過電壓、欠電壓、缺相、三相不平衡和絕緣接地等故障保護，對配電變壓器故障監視包括重瓦斯或高溫預警，對饋出線路監視包括饋出斷路器合分狀態、饋出斷路器的機械壽命等，對配電變壓器及其饋出線路控制包括進線、饋出斷路器的遠程合/分操作，對配電變壓器及其饋出線路的全景電量測量，包括各項相電壓、相電流、合相有功功率、合相無功電能、三相電流不平衡度、三相電流諧波畸變率、剩余電流Ir、線纜絕緣電阻等；對井場無功功率進行自動動態補償，通過電壓及電流互感器實時采集配電臺區電能變配單元的電壓、電流，計算其各相有功與無功功率、功率因數等，根據內置的無功補償控制算法運算獲得對執行元件的投切指令，控制相應的負荷斷路器FK合/分動作將電容器組并入/退出系統，實現井場無功功率動態補償；其他參量及狀態量測量包括對配電變壓器傾斜度、環境溫濕度、負荷預測量和輔助遙信量等的測量。

配電臺區RTU控制終端由通信口/HPLC通信模塊接入數據傳輸子系統，與生產管理子系統進行雙向交互，接收生產管理子系統的管控命令，完成對配電臺區的有效管控。同理，注水井場、采油井場、集輸站和計量接轉站也通過各自裝設的相應RTU控制終端由通信口/HPLC通信模塊接入數據傳輸子系統，完成對相應環節的管控。

2.2 數據傳輸子系統

數據傳輸子系統分為井場內部局域網和井場外部局域網。井場內部局域網主要利用HPLC技術完成多井集聯控制器、采集與管控子系統中各個生產環節之間的數據傳輸，井場外部局域網則利用4G完成多井集聯控制器與生產管理子系統之間的遠程數據傳輸。

井場內部局域網數據傳輸子系統利用井場傳輸電力的線路作為通信介質來傳輸數字信號，電纜所到之處便是信道即至之所，施工維護極為簡便。OFDM調制解調方法原理如圖9所示，采用OFDM調制解調方法的HPLC，將電力線信道細分為n個子信道，各子信道彼此正交，在線路上將高速串行數據轉換為并行數據，合并于子信道后，實現數據的高速率傳輸，抗干擾能力好、穩定性高、抗衰減性強，其單級通信距離可達1.5 km，支持多級中繼，能很好地滿足井場數據傳輸的要求。

圖9 OFDM調制解調方法原理框圖

圖10為HPLC技術實現信號電力線傳輸過程。發送端通過編碼調制模塊將數據信號轉化成高頻信號，經過功率放大、信號耦合模塊加載至電力線上進行傳輸；接收端通過對偶的信號解耦合模塊實現被傳輸信號的拾取，經過濾波、解調譯碼和功率放大模塊的處理，即可恢復被傳送的數據信號，完成信號的電力線接收過程。

圖10 HPLC技術實現原理

井場內部局域網數據傳輸子系統由通信口/HPLC通信模塊并接至多井集聯控制器。

2.3 生產管理子系統

生產管理子系統后臺顯示界面如圖11所示，生產管理子系統對油田井場的各種生產數據、設備運行狀況信息、原油儲運數據信息進行可視化展示、分析和數據挖掘，實現高效生產指揮、調度和快速科學決策。

圖11 生產管理子系統后臺顯示界面

3 井場管控系統主要環節軟硬件設計

3.1 采油井場RTU控制終端軟硬件設計

采油井場環節涉及的設備和工作參數較多，工藝過程相對復雜，故以采油井場環節RTU控制終端為例，說明其軟硬件設計原理及技術實現路線。

3.1.1 采油井場RTU控制終端硬件設計

圖12為采油井場RTU控制終端硬件設計原理圖。其主要由井場參量處理單元(A)、井場參量及信號量采集單元(B)、輸出執行單元(C)3個主工作單元組成。

圖12 井場RTU控制終端硬件設計原理圖

井場參量及信號量處理單元(A)由模擬信號調理電路模塊5、數字量信號調理電路模塊6、DSP系統模塊7、單片機系統模塊8、CPLD邏輯與組合系統模塊9、鍵盤模塊15、液晶顯示模塊14和串行通信模塊13組成，模擬信號調理電路模塊5的輸出端接入DSP系統模塊7，DSP系統模塊7分別通過標準SPI總線與單片機系統模塊8、CPLD邏輯與組合系統模塊9相連，單片機系統模塊8通過通用并行輸入/輸出口和CPLD邏輯與組合系統模塊9相連，鍵盤模塊15和液晶顯示模塊14分別經磁耦合器(12、11)隔離后與CPLD邏輯與組合系統模塊9相連，串行通信模塊13經磁耦合器10隔離后同時與單片機系統模塊8和CPLD邏輯與組合系統模塊9相連。

井場參量及信號量采集單元(B)由三相電流電壓檢測模塊1、井口油壓和平衡度檢測模塊2、位移/游梁傾角檢測模塊3、開關量檢測模塊4組成。三相電流電壓檢測模塊1、井口油壓和平衡度檢測模塊2、位移/游梁傾角檢測模塊3的輸出端分別與模擬信號調理電路模塊5的輸入端相連，經DSP系統計算后接入單片機系統8或CPLD邏輯與組合系統模塊9的輸入端；開關量檢測模塊4的輸出端經數字信號調理電路模塊6處理與隔離后接至CPLD邏輯與組合系統模塊9的輸入端。

輸出執行單元(C)由3個開出回路(17、19、21)組成，它們分別通過功率光電耦合器(16、18、20)隔離、驅動后與CPLD邏輯與組合系統模塊9的輸出端相連。

工作時，井場參量和信號量采集單元采集的各種參數信號經模擬信號調理電路模塊5放大、濾波后輸入DSP系統模塊7(內置多路二階sigma-delta ADC)進行模數轉化并完成算法與數據處理，將結果傳至單片機系統模塊8，由單片機系統模塊8進行顯示、進一步邏輯判斷，通過CPLD邏輯與組合系統9輸出；輸出執行單元(C)根據CPLD邏輯與組合系統9輸出結果形成相應分/合動作。

3.1.2 采油井場RTU控制終端軟件設計

采油井場RTU控制終端軟件部分主要包括主程序設計、各參量處理子程序、啟停控制子程序和保護子程序設計等。圖13為采油井場RTU井場控制終端主程序流程，圖14為采油井場RTU井場控制終端利用電動機輸入電參數實現游梁式抽油機懸點載荷軟測量的子程序流程圖，式(1)為具體計算公式。其余流程圖不再贅述。

圖13 井場控制終端主流程圖

圖14 懸點載荷軟測量流程圖

(1)

3.2 HPLC通信模塊軟硬件設計

3.2.1 HPLC通信模塊硬件設計

圖15為HPLC通信模塊硬件設計結構圖。包括前端驅動放大器和調制解調器、HPLC載波ES1667-NC芯片和STM32F103RCT6單片機主控單元、后端RS485收發電路。其中，HPLC模塊的前端驅動放大器和調制解調器與電力線連接，后端與HPLC載波芯片相連接，用于接收電力線路的載波信號，并以一定接收增益將載波信號發送給HPLC載波芯片，載波芯片從獲取的載波信號中提取所需的數據信息，并將數據發送給STM32F103RCT6單片機主控單元；HPLC載波模塊RS485收發電路與從機連接，另一端與STM32F103RCT6單片機主控單元連接，用于從STM32F103RCT6單片機主控單元接受數據通過RS485接口上傳至從機。載波芯片檢測載波信號的幅度，根據載波信號的幅度控制接收增益和發射功率，實現電力載波通信的自適應調節。

圖15 HPLC通信模塊硬件設計結構圖

工作時，生產管理子系統通過多井集聯控制器對井場每個環節的RTU控制終端按照地址編碼逐個發送命令幀，RTU控制終端定點收到數據后自行解析；當分析到幀中的地址與本機相同時，對消息幀進行CRC校驗并執行；若驗證通過則按照預先約定的功能碼生成應答數據幀發送至多井集聯控制器，從第1個井場RTU控制終端到最后一個依次輪詢；反之井場RTU控制終端實時采集數據并經多井集聯控制器傳送至生產管理子系統。

3.2.2 HPLC通信模塊的軟件設計

圖16為HPLC通信模塊軟件部分的程序主流程，主要實現模塊定點傳輸、自組網和參數配置等功能。

圖16 HPLC通信模塊軟件主流程圖

4 工程應用

在長慶油田第十一采油廠新集作業區，對設計的基于HPLC技術的油田井場管控系統進行了試驗與應用，油田井場現場實驗圖如圖17所示。生產管理子系統的數據監測場景如圖18所示，完成了對井場各環節的全面管控，可對采油井與注水井進行遠程啟停控制、對臺區變壓器進行分合閘控制等，使管理人員實時了解油田的運行動態，及時對現場進行規劃決策。經過近一年的試驗運行，證明該系統可實現井場全面管控，井場內部通信網絡施工維護工作量小、通信可靠穩定、工程實用性好。

圖17 油田井場現場實驗圖

圖18 長慶油田數據實時監測場景

5 結束語

設計的管控系統以油田井場中既有的基礎電力線纜作為通信媒介，采用HPLC技術，完成井場內部局域網鏈路鏈接的信息傳輸，傳輸穩定性好、施工維護工作量小、工程實用性強；同時在井場常規管控系統尚未涉及的井場配電臺區、或較少涉及的集輸站與計量接轉站等環節中裝設RTU控制終端，能實現井場的全面管控、有效滿足了井場生產需求。后續將進一步對所采集的井場數據進行融合處理、分析，為科學制定油田開發方案提供數據支持。