（测试计量技术及仪器专业论文）高温高压实验系统中测量与控制技术的研究.pdf

摘要 在稠油开采的后期，为了有效提高采收率普遍采用分层注汽的生产方式。决 定分层注汽工艺效果的因素主要有两个方面：一是注汽参数与油藏性状之间数学 模型的建立，二是注汽过程中井下工具性能的影响；这也是当前国内外分层注汽 工艺研究的热点内容。 在稠油开采过程中，通常的注汽温度为3 0 0 3 5 0 ，注汽压力为1 2 1 6 m p a ， 不同的油藏性状需要与之相适应的注汽温度和压力；温度和压力的变化直接影响 注汽工艺效果和井下工具的运行状况。本文主要研究在一套分层注汽室内模拟试 验系统中精确施加高温高压实验条件、实现分层注汽的工艺过程和井下工具的性 能参数检测技术，从而为新工具的设计和新工艺的研究提供有效的试验平台和可 靠的实验数据。 本课题完成的主要工作包括： 1 、对国内外相关测试系统的发展历程进行总结和调研，结合辽河油田具体 测试需求，比较不同测控系统设计方案的优势与弊端，完成了适用于高温高压试 验系统的测控系统软硬件设计。 2 、采用了虚拟仪器的设计思想，完成了测试系统的整体搭建，根据测试系 统具体需求，选型和购置相应的前端传感装置和后端执行机构。 3 、根据系统测量和控制参数的要求，完成了上下两级计算机测控系统的方 案设计；完成了下位机微机测控系统的硬件结构搭建及各功能模块的实现；使用 v i s u a lb a s i c 平台配合m i c r o s o f ta c c e s s 数据库完成下位工控机及上位机测控软件 的开发，主要实现试验参数显示、试验流程控制、u i 接口、数据存储和分析、 网络通讯、安全限位报警等功能。 4 、对测控系统进行了全面的调试和实验，验证了测控系统功能。 关键词：高温高压智能化测控系统数据采集虚拟仪器数据库 l l a b s t r a c t c l o s et oe n do fe x p l o i t i n gp e r i o do fh e a v yo i l ，i t su s u a l l ya d o p t i n gs e p a r a t es t e a mi n j e c t i o n f o re n h a n c i n go i lr e c o v e r ye f f e c t i v e l y t h ef a c t o r sd e t e r m i n i n gp r o c e s s i n ge f f e c to ft h es e p a r a t e s t e a mi n j e c t i o na r et h em a t h e m a t i c a lm o d e le s t a b l i s h m e n tb e t w e e ns t e a mi n j e c t i o np a r a m e t e r sa n d r e s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep e r f o r m a n c eo fo i lw e l lt o o l sd u r i n gs t e a m 埘c o t i n g ，i t sa l s ot h e h i 曲l i g h to fs e p a r a t es t e a mi n j e c t i o np r o c e s sr e s e a r c ha r o u n dt h ew o r l d d u r i n gt h eh e a v yo i le x p l o i t i n g ，t h ei n j e c t e ds t e a mt e m p e r a t u r ei sc o m m o n l y3 0 0 - 3 5 0 c a r o u n d ，t h ei n j e c t e ds t e a mp r e s s u r ei sa b o u t1 2 - 1 6 m p a t h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r es h o u l d c o r r e s p o n dt o r e s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i c s ，b e c a u s et h e yd i r e c t l yi n f l u e n c et h es t e a mi n j e c t i o n p r o c e s s se f f e c ta n dt h eo p e r a t i o ns t a t u so fo i lw e l lt o o l s t h i sa r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e dt h es t u d y o ns o m et e c h n o l o g yu s e di nat e s t i n gs y s t e mo fs e p a r a t es t e a mi n j e c t i o n ，i n c l u d i n ge x e r t i n g t e s t i n gc o n d i t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e ，a c h i e v i n gt h ep r o c e s so fs e p a r a t es t e a m i n j e c t i o ni n d o o ra n dm e a s u r i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fo i lw e l lt o o l s t h i sm e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mc a np r o v i d ee f f e c t i v et e s t i n gp l a t f o r ma n dr e l i a b l ee x p e r i m e n td a t af o rt h e d e s i g no fn e wt o o l sa n ds t u d yo fa d v a n c e dp r o d u c t i o np r o c e s s t h i sd i s s e r t a t i o nh a sf i n i s h e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 s u m m a r i z e da n di n v e s t i g a t e dt h ed e v e l o p m e n to fm e a s u r i n gs y s t e ma r o u n dt h ew o r l d c o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e nd i f f e r e n td e s i g np l a n so fm e a s u r i n g a n dc o n t r o l l i n gs y s t e m sc o m b i n e dw i t ht h es p e c i f i ct e s t i n gr e q u i r e m e n t so fl i a o h eo i lf i e l d ； c o m p l e t e dt h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n ts u i t a b l ef o r l l i g ht e m p e r a t u r ea n dh i i g hp r e s s u r et e s t i n gs y s t e m 2 e s t a b l i s h e dt h ew h o l et e s t i n gs y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n td e s i g nc o n c e p t s e l e c t e d a n dp u r c h a s e dt h ef i o n t e n ds e n s i n gd e v i c e sa n db a c k e n da c t u a t o ra c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c r e q u i r e m e n t sf o rt e s t i n gs y s t e m 3 c o m p l e t e d t h e d e s i g n o fm e a s u r i n ga n dc o n t r o l s y s t e m w i t hs l a v e h o s t c o m p u t e r s ； e s t a b l i s h e dt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es l a v ec o m p u t e rm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m a n dr e a l i z e de a c hf u n c t i o nm o d u l e f i n i s h e dt h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r e d e v e l o p m e n to fs l a v ei n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dh o s tc o m p u t e rb a s e do nv i s u a lb a s i cp l a t f o r m a n dm i c r o s o f ta c c e s sd a t a b a s e i tm a i n l ya c h i e v e dt e s t i n gp a r a m e t e r sd i s p l a y i n g ，t e s t i n g p r o c e s sc o n t r o l l i n g ， u ii n t e r f a c e ，d a t as t o r a g ea n da n a l y s i s ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n d s a f e t ys t o pw a r n i n g i i l 4 a d j u s t e da n dt e s t e dt h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo v e r a l l ，v e r i f i e dt h es y s t e m f u n c t i o n k e y w o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e ，i n t e l l i g e n tm e a s u r i n g & c o n t r o l s y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ，d a t a b a s e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 劢、孜签字日期： 2 夕年厂月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 豸力、及 签字日期：伽夕年纩月巧日 导师签名： 签字日期：2 帅? 年，月谚日 | 第一章绪论 第一章绪论 在稠油开采生产的后期，为了有效提高采收率普遍采用分层注汽的生产方 式。本章首先简单介绍了稠油开采与分层注汽生产工艺，引出了建立高温高压室 内模拟实验系统的主要目的，然后说明了计算机测控技术在高温高压模拟实验系 统中应用的意义，最后总结了本课题研究的意义和主要内容。 1 1 稠油开采与分层注汽工艺简介 “稠油”是指在油层温度下脱气原油粘度大于1 0 0 m p a s ，相对密度大于0 9 2 的原油，国外称之为“重油”( h e a v yo i l ) 。按其粘度可分为普通稠油、特稠 油、超稠油。油层条件下粘度在1 0 0 1 0 0 0 0 m p a s 之间、相对密度大于o 9 2 的 稠油称之为普通稠油；粘度在10 0 0 0 5 0 0 0 0 m p a s 之间、相对密度大于0 9 5 的 稠油称之为特稠油；粘度大于5 0 0 0 0 m p a s 、相对密度大于0 9 8 的稠油称之为 超稠油。 中国稠油资源比较丰富，陆上稠油、沥青资源约占石油资源总量的2 0 以上， 预测资源量1 9 8 1 0 8 吨，其中最终可探明的地质资源量为7 9 5 1 0 8 吨。 稠油由于其粘度高、流动性差，甚至在油层温度下不能流动，因而采用一般 常规方法开采很难有效地进行开发，采用热采方式开发可以有效提高采收率。如 粘度大于10 0 m p a s 的原油常规注水开采采收率很低，一般只有2 0 左右，图 1 1 为热采和常规开采采收率与油藏原油粘度的关系。 采 收 率 ， 1 0 0 1 0 0 01 0 0 0 0 m p a s 常规开采率 图1 1 热采和常规开采采收率与油藏原油粘度的关系 卯 如 加 m o 第一章绪论 热力开采按其对油层加热的方式分为两类：一类是把热流体注入油层，如注 热水、蒸汽吞吐、蒸汽驱等；另一类是在油层内燃烧产生热量，称为就地燃烧式 火烧油层( 火驱法) 。 目前国内稠油的热力开采主要以蒸汽开采为主，其产量占稠油总产量的 8 4 8 ，常规开采的稠油产量占1 5 2 。热力开采中蒸汽吞吐的产量占9 5 6 ： 而蒸汽驱开采仅开展了小型工业性的试验和不同类型油藏的先导试验，其产量占 稠油总产量的3 7 5 f 卜引。 分层注汽就是针对油井各油层物性的差异，将油层物性相近的油层化为一个 注汽单元，各注汽单元之间用热力封隔器分隔开，根据各注汽单元的地质情况设 定不同的注汽温度、压力和注气量，利用蒸汽配注器对各单元分别注汽，使各油 层均衡吸汽，因此注汽工具的质量和性能直接影响分层注汽工艺过程的成败。世 界各国都在投入很大力量开展这方面的研究1 6 j 。 分层注汽工艺实施过程主要包括以下几个方面： 1 ) 根据油藏的物性，包括油藏厚度、渗透率等划分不同的注汽单元，并根 据各注汽单元的物性合理设定注汽参数，包括注汽温度、注汽压力、注 汽量等。 2 ) 根据设定的注汽参数，设计各单元蒸汽配注器( 即确定每一层注汽嘴孔 径的大小) 。 3 ) 利用热力封隔器将不同的注汽单元分隔开，防止蒸汽在各注汽单元之间 产生汽窜。 4 ) 利用蒸汽配注器对不同的注汽单元分别注汽，达到既动用中、低渗透层， 又发挥高渗透层剩余能量的目的。 稠油实际生产中，通常的注汽温度为3 0 0 3 5 0 ，注汽压力为1 2 1 6 m p a 。 开采不同的油藏需要与之相适应的注汽温度和压力，注汽温度和压力的变化会直 接影响注汽工艺效果和井下工具的运行状况。 但是，如果直接在油井中进行注汽实验寻求最佳注汽参数则比较困难，这主 要是由于：第一，由于在生产井中投放注汽工具所花费的资金巨大，直接进行井 下试验会大大增加生产成本；第二，各油井的油藏地质特性往往都有所差异，因 此，单口油井的注汽参数无法应用于其他油井；第三，直接从井下取得注汽参数 难度很大。因此本课题提出了在室内建立分层注汽室内模拟试验系统，结合稠油 开采前期测井掌握到的油藏物性，在室内进行注汽试验，得到适用于单口油井的 最佳注汽参数后再进行实际生产。 建立本套分层注汽室内模拟试验系统的主要作用分为两个方面：一是将高温 高压的试验介质精确施加于全尺寸的井下工具，从而实现分层注汽过程中高温高 第一章绪论 压的工艺过程；二是提供检测井下工具性能参数的实验平台。本套分层注汽室内 模拟试验系统能够为新工具的设计和新工艺的研究提供有效的试验平台和可靠 的实验数据。 本系统主要具有以下特点： 1 ) 在室内模拟实际生产中的高温高压工况，精确控制试验介质的温度、压 力及流量能达到生产现场的要求。 2 ) 能够模拟分层注汽流程，通过现场安装的传感变送装置，准确得到各注 汽参数，直观地反映注汽效果。 3 ) 能够灵活地设置不同的地层压力，模拟不同的油藏物性，为分层注汽工 艺研究提供高温高压的试验环境，得到各种不同地层环境状态下的最佳 注汽参数。 4 ) 通过自动流程切换，能够在实验室内对井下工具的性能进行检测，使生 产者在新工具投入生产之前全面掌握井下工具的各项性能指标。 1 2 计算机测控技术在高温高压实验系统中应用的意义 一套完整的测控系统有三个主要功能： 1 ) 对被测对象的物理参数进行采集、处理和记录； 2 ) 以数字、图表和图像等方式显示测量和处理结果； 3 ) 对被控对象进行控制。 计算机测控系统作为当今工业控制的主流系统，已逐步取代常规的模拟检 测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作管理的人工职能，并具有较高 级且复杂的计算方法和处理方法，以完成各种过程控制、操作管理任判7 1 。 1 2 1 测控系统的发展历程和现状 测控系统的概念是由测试仪器生产厂家首先提出来的，他们在传统测试系统 的基础上增加控制功能构成了测控系统。这种测控系统最初起源于2 0 世纪5 0 年 代初期，因当时是将不同的输入和输出电路的几种可程控仪器总装在一起形成一 个组装系统，所以人门常称这一时期为总装阶段。 进入2 0 世纪6 0 年代，专用计算机已充当了测控系统的主角，尽管标准化、 通用化的仪器产品还未出现，各种仪器接口仍未实现标准化，但和初期的测控系 统相比已有很大的改变，所以这一时期是测控系统发展的第二阶段。 到了2 0 世纪7 0 年代，随着美国h p 公司提供接口电路标准化设计方案及其 进一步完善，测控系统的发展达到了第三阶段。在许多系统中大量使用的 第一章绪论 i e e e 4 8 8 ( 通用接口标准系统) 、c a m a c 系统( 计算机自动测量与控制系统) 等就是在这一时期形成和发展起来的，因此可称这一阶段为接口标准化时期。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，测控系统的发展已步入第四阶段，并以个人仪 器为典型代表。所谓个人仪器，就是用个人计算机控制多个“仪器”，而这些仪 器与传统仪器的概念已完全不同，它们本身大多都不带机箱和显示装置，而是以 插件板或插件卡的形式作为个人计算机的附件，并通过计算机的内部接口电路把 计算机与各仪器插件板卡连接起来，构成一个小型的自动测控系统，所以又称为 p c 仪器。这种突破了传统仪器概念的全新设计思想被称为虚拟仪器技术。 虚拟仪器是一种以计算机软件为核心的新型仪器系统，它以计算机为硬件平 台，采用各类仪器总线为传输介质，充分利用各种插卡式数据采集板( d a q ) ， 采用软件技术实现的适应性广泛的测控系统。虚拟仪器技术已经越来越多的运用 于测控系统中1 | 。 1 2 2 测控系统微机化的重要意义1 1 2 j 计算机技术的引入，为测控系统带来了一些新特点和新功能： 1 ) 自动清零功能 2 ) 量程自动切换功能 3 ) 多点快速数据采集 4 ) 数字滤波功能 5 ) 自动修正误差 6 ) 数据处理功能 7 ) 复杂控制规律 8 ) 多媒体功能 9 ) 通信与网络功能 1 0 ) 自我诊断功能 计算机测控系统与一般常规测控系统相比，有如下突出特点： 1 ) 技术集成和系统复杂程度高 2 ) 实时性强 3 ) 可靠性和可维护性好 4 ) 环境适应性强 5 ) 控制的多功能性 6 ) 应用的灵活性。 4 第一章绪论 1 3 本课题研究的意义及主要内容 稠油开采初期普遍采用的是蒸汽吞吐开采工艺，然而随着开采周期的增加， 产量明显下降，主要原因是受油层物性差异的影响，导致油井各层吸汽不均，油 层动用程度较差，因此在稠油热采后期大多采用分层注汽开采方式。分层注汽生 产工艺中需要解决的关键问题有两个：一是根据不同的油藏性状，确定分层注汽 的工艺过程，找到适合该油藏的注汽参数( 包括注汽温度、注汽压力和注气量等) ； 二是在实际生产作业之前，对井下注汽工具( 包括配注器和压力封隔器等) 的各 项性能指标进行检测。 本课题首先对国内外相关测试系统的发展进行了大量的调研，分析了当前研 究的热点问题，在此基础上，结合辽河油田实际需求，设计并实现了一套适用于 高温高压条件下稠油井下工具检测的计算机测控系统，此套测控装置能够在室内 模拟高温、高压的现场生产工况，满足分层注汽试验要求，另外通过流程切换， 能够满足井下工具密封件密封性能的检测、注汽工具高温高压性能的测试等要 求。计算机测控系统能够实时地监测试验过程中系统各关键部位的参数变化趋 势，并能够控制试验流程的自动切换。 本课题完成的主要工作包括： 1 、对国内外相关测试系统的发展历程进行总结和调研，结合辽河油田具体 测试需求，比较不同设计方案的优势与弊端，制定分层注汽室内模拟试 验系统中测控系统部分设计方案和满足多种试验要求的测试流程。 2 、采用了虚拟仪器的设计思想，完成了测控系统的整体搭建，根据测控系 统具体需求，选型和购置相应的前端传感装置和后端执行机构。 3 、根据系统测量和控制参数的要求，完成了上下两级计算机测控系统的方 案设计；完成了下位机微机测控系统的硬件结构搭建及各功能模块的实 现；使用v i s u a lb a s i c 平台配合m i c r o s o f ta c c e s s 数据库完成下位工控机 及上位机测控软件的开发，主要实现试验参数显示、试验流程控制、u i 接口、数据存储和分析、网络通讯、安全限位报警等功能。 4 、对测控系统进行了全面的调试和试验，验证了系统功能。 第二章分层注汽试验系统的总体设计 第二章分层注汽试验系统的总体设计 本课题设计的测控系统是基于分层注汽室内模拟试验系统构建的，要设计一 套具有实际应用价值的测控系统，必须深入了解整套分层注汽室内模拟试验系统 的结构原理和运行方式。本章首先确定了分层注汽试验系统的功能要求与技术指 标，讲解了为实现系统的多功能而设计的各个工艺流程，并介绍了不同试验流程 之间的切换过程。在此基础上对系统的整体设计，包括系统的组成部分以及各部 分的功能进行了简要介绍。 2 1 系统的功能需求与试验介质选择 2 1 1 功能需求 1 ) 模拟分层注汽工艺流程 本系统要能够在室内模拟分层注汽的试验过程，检测分层注汽工具 的设计性能，对研制的配汽阀的配汽孔径与配汽量之间的关系通过地面 模拟试验进行拟合和验证，同时能够为新工具的设计提供实验参考依据。 2 ) 模拟地层压力变化 本系统能够模拟地层压力的变化，为分层注汽试验提供不同的地层 温度和压力环境，结合辽河油田油藏实际情况，地层压力能在0 o 5 m p a 范围内任意设定，注汽温度可以在3 0 0 3 5 0 之间调节，从而得到不同 地层环境下的注汽数据。 3 ) 封隔器上下承压试验 本系统能对注汽工具的层间封隔器分别进行上承压和下承压试验， 可以提供最大1 6 m p a 的系统压力，试验压力和试验温度达到实际生产应 用指标，使得封隔器的质量和性能在实际生产中有可靠的保障。 2 1 2 试验介质选择 本试验装置的试验介质有两种选择：导热油和蒸汽，这两者各有优点，具体 如表2 1 所示。通过对比并结合现有条件，在室内搭建的分层注汽试验系统采用 导热油作为试验介质。 6 第二章分层注汽试验系统的总体设计 表2 1 蒸汽与导热油两种介质的比较 蒸汽 导热油 效果直接试验介质、不需转换间接试验介质、需要转换 效率开放式循环系统，热损失大封闭式循环系统，热损失小 温度控制温度调节控制不方便温度调节控制容易、方便 实现条件需要专门的场地及安全措施 可在室内实现、需要相应的安全措施 成本需在较高压力下达到要求的工艺参数可在较低压力下达到要求的工艺参数 2 2 试验流程介绍和系统各部分功能简介 2 2 1 分层注汽试验工艺流程的设计 为了实现系统要求的三个基本功能，设计了分层注汽模拟试验装置的试验流 程，流程图如图2 1 所示 n - 1 2 】。流程图中共包括以下几个主要部分：7 ，和5 5 的 试验套管、连接管线、仪表、阀门、导热油炉、循环泵、高温高压泵、储油槽及 膨胀槽等。 7 第二章分层注汽试验系统的总体设计 m f 1 _ _ - 。- h 。_ - 。- 。_ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ - 。_ 一 苎蝉三兰砣 i 一：_ 0 0 7 1 。- 。_ _ 。_ _ - 。_ _ _ - 。- - 。_ _ _ ，_ 。一 井口法兰 封隔器 1 ”油管 配汽嘴 f g 璺u 7 0 0 2一，： v 4 膨胀槽 1 - - - - - v - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 i 【- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 曰e _ ：j ：i _ 1 苫安全阔j d 髂坚： ：一 。j 一= 3 一 c j 1 。1 。一 。1 p s v 3 一 e 高 一一 7 一 皇f - 3 p g一 帅8 一 l 一 一二 l ! 一p s v - 4 f - 4 ； f - 7 ；j 。一 口f 巾而 ：。卜_ = 一j ji 一 c = l 一 i ! 一安全阀争 p s v 一。： f 5 ：f 8 、一 雹2 r n痂 ： 工一h ：卜上- 一仁r 一1 q ； ；_ 1 p s v - 6 f - 6 ! f - 9f 。：_ 一号号 ，一 p g 嫂i f 1 1 f 1 2 南配菇 f - 3 6 而 图2 1 分层注汽试验系统工艺流程副1 3 - 1 4 在进行试验操作时，首先将被试井下工具放入试验套管，然后将试验介质注 入试验套管，再将介质加温加压至试验状态，为受试工具提供符合实际工况的试 验环境，试验介质由套管的三层支路输出，通过每层支路上安装的传感器得到压 力、流量等参数，数据由测控系统采集后进行分析处理，输出工具性能检测结果。 8 第二章分层注汽试验系统的总体设计 试验中设计了以下几个工艺流程：注油流程、预热流程、分注流程、上承压 流程、下承压流程以及冷却，各流程相互之间的关系如图2 2 所示。 囱 图2 2 各试验流程关系示意图 在这六个流程中，注油、预热和冷却是试验的必备环节，分注和上下承压流 程根据不同的试验要求可以分别进行，试验结束后是整个系统的冷却过程。下面 对这几个流程进行简要的说明： 注油流程 此流程的目的是将冷油箱中的导热油注满整个试验管路系统，排空系统中的 气体。在这个过程中，首先将导热油注入试验套管，测控系统实时监测回油流量 开关传感器的输出信号，如果流量开关检测到井口四通回路有流量，表明套管注 满导热油，此时测控系统输出信号，控制阀门的切换，开始向膨胀槽中注油，再 通过流量开关检测到膨胀器三分之二液位引出管处的流量，表明膨胀器中注满导 热油。至此，系统中已充满导热油，可进入下一流程。 预热流程 预热流程将系统中的导热油加温到试验要求的温度( 3 2 0 0 c ) ，在此过程中 通过导热油电加热炉和循环泵对系统的导热油进行循环加热，为了排除导热油中 9 冒自 守 j 富 亨 第二章分层注汽试验系统的总体设计 的水分及各种杂质，升温不能过快。系统中的气体以及导热油中的水分等在加热 的过程中释放到膨胀器中，另外，在上承压和下承压试验中，封隔器若受热爆裂， 系统中产生的瞬时超压释放到膨胀器中。测控系统实时监测温度计输出信号，如 果导热油温度达到要求，则测控系统输出控制信号，断开加热炉和循环泵与系统 的连接，同时启动伴热装置，加热炉与循环泵自循环冷却。 分注流程 这个流程实现在室内模拟分层注汽过程，检测配注工具的实际性能，并为新 工具的设计提供试验依据。在试验过程中，测控系统输出控制信号，将三层调节 阀置于全开的状态，实时检测每层支路的压力、流量，并将采集的数据送到计算 机进行数据处理，验证配注工具实际配注量是否与设计相符。此流程同样可以模 拟地层压力的变化，测控系统输出控制信号调节三层调节阀开度，为系统提供不 同的背压，模拟地层压力的变化，由每层配备的压力表、流量计得到各支路的流 量和压力，将数据送到计算机进行分析处理，得到不同地层条件下的注汽参数。 上承压流程 此流程能够检测井下工具封隔器承受上压的性能，试验温度3 2 0 0 c ，压力达 到1 6 m p a 。在试验过程中，测控系统控制阀门开关，开启高温高压泵将导热油 压入试验套管的上层支路。压力达到要求后保持一段时间，监测井口四通上压力 表的输出信号，测量套管压力。如果封隔器失效则套管内压力会下降，测控系统 停止高温高压泵工作，试验液由中心油管返回油箱，试验结束。 下承压过程 此流程能够检测井下工具封隔器承受下压的性能，试验温度3 2 0 0 c ，压力达 到1 6 m p a 。在试验过程中，高温高压泵将导热油打入试验套管的下层支路，压 力达到要求后保持一段时间，监测中间支路配备的压力表的输出信号，测量套管 压力。如果封隔器失效则套管内压力会下降，测控系统停止高温高压泵工作，试 验液由井口四通返回油箱，试验结束。 1 ) 冷却回油过程 试验结束之后，关闭系统伴热装置，采用自然冷却的方式，待导热油冷却到 设定温度后，自动开启所有的电动截止阀、电动调节阀、手动截止阀，依靠自身 重力让所有导热油自然流回冷油箱i l5 1 。 2 2 2 分层注汽试验系统总体构成 分层注汽试验系统运行时，首先按照工艺流程的要求将导热油注满系统，然 后进行预热、加压，将高温高压导热油( 温度3 2 0 c ，压力1 6 m p a ) 注入试验套 管，由套管上的三层支路输出，通过在试验系统各个监测点安装的变送器得到压 l o 第二章分层注汽试验系统的总体设计 力、温度、流量等参数送给信号采集控制单元进行处理，通过以太网通讯单元 与上位计算机进行数据和命令交换，通过中央控制室内的上位计算机向试验操作 人员展示实时的试验状态，并在上位机完成液汽模型转换，得到并输出试验数 据。同时，试验操作人员可以在上位机发布操作命令，由下位机读取后输出相应 的控制信号，现场的执行器做出相应动作，从而实现整个试验流程的自动控制和 温度压力参数的改变。 分层注汽试验系统主要由全尺寸试验平台、导热油加温加压系统以及计算机 铡控系统三部分组成，系统组成框图如图2 - 3 所示。下面对三部分的组成及功能 进行简要介绍。 图2 - 3 分层洼汽试验系统组成框图 2 ) 全尺寸试验平台 全尺寸试验平台在系统中主要完成试验工具的承载、试验介质的循环等功 能，是本套试验装置实现的基础，主要由全尺寸的试验套管、井口四通，试验管 线、液压设各咀及各种阀门( 手动、自动) 组成。 在实施试验时，试验管柱加载分层注汽工具，提供模拟套管试验环境，因此 试验管柱选用全尺寸石油套管，高达9 米，满足分层注汽工具的长度要求。另外 考虑到在实际应用中，分层注汽工具的尺寸主要有两种规格，分别为7 ”和5 5 “， 第二章分层注汽试验系统的总体设计 为了提高系统的适应性，系统中设计两根管柱，直径分别为7 ”和5 5 ”，能够实现 对不同尺寸的注汽工具进行检测。另外试验过程中，试验液主要集中在试验管柱 内，为避免试验液在试验管柱的热损耗，在试验管柱外壁包裹电伴热带。 井口四通用来将试验套管固定在钢结构操作平台上，连接套管与注汽支路， 提供试验介质回流通道，并安装现场压力仪表显示套管压力供试验人员参考。 试验管线连接系统各组成部分，是试验介质在系统中循环的通路，选用l ” 碳钢管线，并在其上附有保温材质，减少循环过程中试验介质的热损失。 在试验管线上安装有电动调节阀、电动截止阀、安全阀、减压阀等各种阀门， 用来调节系统中试验液的流量、压力的变化，以及控制试验液在系统中的流向， 实现不同流程之间的手动、自动切换，并确保系统总压力在安全范围之内。 3 ) 导热油加温加压系统 导热油加温加压系统模拟石油生产现场工况，为试验装置提供高温高压试验 介质，主要由电加热炉、循环泵、高温高压泵、膨胀器、瞬时压力释放单元等组 成。在系统工作过程中，首先通过电加热炉及循环泵对系统中的导热油循环加热， 由常温加温到试验温度( 3 2 0 0 c ) ，再通过高温高压泵对高温导热油加压，使得 系统压力达到试验要求( 1 6 m p a ) ，在系统加温加压过程中通过膨胀器和瞬时压 力释放单元来缓冲系统中的异常高压，确保系统安全。 4 ) 计算机测控系统 计算机测控系统是分层注汽模拟试验装置的核心组成部分。其设计思想是在 保证系统运行稳定、可靠的基础上，实现系统的多项测量与控制功能。测控系统 以计算机技术、现代传感器技术、自动控制技术为基础，以运行专用软件的中央 计算机子系统为核心，通过各种专项传感测试装置感知试验参数信号，然后由基 于p c i 总线的数据采集卡进行数据采集，由计算机加以分析处理，能够对试验参 数进行实时监测、控制和调整，自动控制各设备的运行状态，实现试验流程的自 动切换，并结合a c c e s s 数据库系统对试验过程及参数进行全面记录和查询。 第三章计算机测控系统的硬件设计 第三章计算机测控系统的硬件设计 本章介绍根据用户需求和系统的技术指标设计的两级计算机测控系统的硬 件结构。首先列出t n 控系统整体的功能需求及技术指标，然后比较了本课题两 种测控系统的硬件设计方案，指出了选择计算机测控系统设计方案的优势所在， 之后详细描述了两级计算机测控系统的方案设计与实现过程，并对其中使用到的 前端传感器、执行器以及信号调理单元做了简要的介绍。 3 1 测控系统整体功能介绍和方案设计 3 1 1 测控系统的功能要求及技术指标 1 功能要求 1 )自动测试功能：能对试验介质的多点温度、压力、流量参数进行自动测 试，还能完成对系统中电动截止阀、电加热炉、高温高压泵等设备开关 状态量和电动调节阀开度值的自动测试。 2 ) 自动控制功能：能对电动调节阀的开度进行自动或软手动控制，从而调 整试验介质的压力、流量等参数；同时能够自动控制各设备的开关，实 现试验流程的自动或软手动切换。 3 ) 显示操作功能：能以表格、曲线、趋势图、模拟工艺流程图等多种形式 显示实时测试数据。通过点击触摸屏或鼠标可以对画面进行切换，对系 统参数进行修改，对控制参数进行设定。 4 ) 自动、手动功能：能以自动、手动、软手动三种方式对系统进行控制， 控制方式之间可以实现无扰动切换，并且各种控制方式之间实现互锁以 提高整体系统运行的安全性。 5 ) 报警联锁功能：按照对试验系统的危害程度定义多级安全限，大致分为 报警限和安全限。当相应参数达到报警限时，进行声光报警：当达到安 全限时联锁停机，保证系统的安全运行。 6 ) 数据管理功能：试验进行过程中能够以数据库的形式实时保存温度、压 力和流量等试验参数，并能够记录试验中的报警信息和设备的开关状态， 便于试验管理者对历史实验数据进行查询和分析。 2 测控系统指标要求： 压力测量精度：1 第三章计算机测控系统的硬件设计 流量测量精度：5 温度测量精度：2 温度保持精度：