（电气工程专业论文）可编程控制器在海上采油自动化工程中的应用研究.pdf

t h e a p p l i c a t i o n i n v e s t i g a t i o n o f p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e ri no f f s h o r eo i le x t r a c t i o na u t o m a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ea u t o m a t l o ns y s t e mo f s h e n g l ic h e n g d a o o f f s h o r eo i i f i e l da n dt h ea p p l i c t i o n o f p r o g r a m b l el o g i cc o n t r o l l e ri nt h es y s t e m ，e x p o u n d e d t h e c o n t e n t ，f u n c t i o n ，u s e da d v a n c e dt e c h n o l o g y a n dt h e a c q u i r e d e f f e c to ft h e a u t o m a t i o ns y s t e mu s e di no f f s h o r eo i le x t r a c t i o np l a t f o r m ，p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d t h er e a s o no fc h o o s e m o d e l ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，t h ef u n c t i o no fa l l p a r t s ， p r o g r a mc o m p i l ee t c i nt h ee n d ，t h ea r t i c l ea n a l y z e dt h ea p p l i e de f f e c ta n dt h e i m p o r t a n tf i a n c t i n no f t h i st e c h n o l o g yf o ro c e s r ie n v i r o n m e n ta n ds a f ep r o d u c t i o n i t o f f e r e dr e l a t i v e l ys u c c e e de x a m p l ef o rm o r eu s eo f p r o g r a m b l el o g i cc o n t r o l l e ri n o f f s b o r eo i lf i e l do f o u r c o u n t r y k e yw o r d s ：o f f s h o r ea u t o m a t i o ns y s t e mp l c a p p l i c a t i o n 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 主席 委员 导师 答辩委员会签名 孑小岛 1 黔d 乏 彩积 蚤1 缸授 鬲矽 之- 7 向丛， 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得佥壁王些太堂 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谢意。 学位论文作者签名：嘭新卿签字日期彻佯朋舳 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权金胆王些盔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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：衫豇l 昀 f 签字日期a 椰，年g 月专日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名_ 丁小坞 签字日期：函州多年扩月侈日 电话 邮编 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到 了我的导师孙鸣副教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资 料、论文成稿，都倾注了孙呜老师的心血，由衷感谢孙鸣老师在学业指导及各方 面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操，老师广博的学 识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益， 并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢电气工程学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了 理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会：感谢领导和同仁们，在我课程学 习和论文撰写期间，给予我的大力支持。 感谢所有的同学给予的帮助。 作者：王永湃 2 0 0 3 年6 月2 0 日 第一章绪论 1 1 胜利油田发展概况 胜利油田位于渤海湾西南面，占据鲁西北平原的广大陆地和浅海海域，石 油勘探总面积为3 3 x1 0 4 k m 2 ，己累计探明油田6 8 个，其中投入开发的6 7 个。 其发展历程可分为五个时期： 1 9 5 6 年1 9 6 3 年突破期此期有3 个突破：1 9 6 3 年钻探华7 井发现下第三 系生油层，1 9 6 1 年华8 井首获工业油流，1 9 6 2 年9 月2 3 日营2 井喷出高产原 油。这些突破不只是胜利油区油气勘探的大突破，而且是华北地区油气勘探的 大突破，也是我国东部石油勘探史上继大庆油区之后的大发展。 1 9 6 4 年1 9 8 0 年发展时期这一时期以背斜油气藏为主要勘探对象，逐渐 查明复式油气聚集带的含油特点，发现多种油气藏类型，探明3 1 个油气田，奠 定了胜利油田的基础。 1 9 8 1 年1 9 8 8 年大发展时期1 9 8 1 年年产原油约1 6 1 1 x l o t ，年产量平均 以2 4 6 1 0 4 t 的速度递增，1 9 9 8 年年产原油3 3 0 0 x1 0 4 t ，成为我国第二大石油 基地。 1 9 8 9 年2 0 0 2 年稳定发展时期济阳坳陷的油气勘探达中等程度，昌潍坳 陷及临清坳陷勘探程度较低，一方面老油田自然递减，另一方面新油田不断投 产，年原油产量连续多年稳定在2 6 6 5 x1 0 4 t 以上。 2 0 0 3 年至今再创辉煌时期2 0 0 3 年制订了稳定东部老区，发展西部新区， 油气当量重上3 0 0 0 x1 0 4 t 的奋斗目标。 1 2 埕岛海上油田生产概述 1 2 1 油田地理位置 埕岛油田位于渤海湾南部的浅海、极浅海海域，东经1 1 8 。4 4 1 1 8 。5 6 ， 北纬3 8 。0 87 3 8 。1 6 ，海域水深1 5 m 左右，南距现海岸约5 k m ，与陆上桩 西油田、埕东油田、五号桩油i ；开相邻，西北距渤海石油公司的埕北油田约3 5 k m ， 该油区自然环境和气候条件恶劣，春冬多风浪，最大风速3 3 m s ，气候潮湿， 冬季有3 0 4 0 c m 厚的海冰。埕岛油田构造上位于济阳坳陷与渤中坳陷交汇处的 埕北低凸起的东南端，为多含油层系、多油藏类型的大型复式高产油气区。 1 2 2 油田开发生产规模及现状 埕岛油田于1 9 8 8 年5 月钻探埕北1 2 井时发现。截止9 7 年6 月底，已探 明含油面积9 2 2 k m 2 ，石油地质储量2 7 3 6 1 万吨。自1 9 9 2 年1 1 月埕北1 5 l 井 投产以来，截止到2 0 0 2 年1 0 月底，共投产开发井2 0 0 多口，包括3 7 个开发井 组。按采油方式分：有自喷井，螺杆泵井，电泵井、注水井等四种类型。 埕岛油田开发初期隶属于桩西采油厂，由桩西采油厂浅海试采大队负责开 发管理。现在的管理体制采取的是油公司的建设路子，下设三个采油分公司。 通过十几年的开发建设，目前已建成年产2 2 0 万吨的生产能力，拥有4 0 座简易 采浊平台，2 座中心平台( 中。5 , - - - - 号在建) ，3 座小型集输处理站，1 座集输联 合站，和相应的陆地配套设施。由船泊拉油、采油平台间歇生产发展到中心平 台集油、管道输油上岸的连续生产，井组平台由平台生产人员负责现场操作、 采集录取油井资料等工作。 1 2 2 1 油井生产系统主要分为三种形式： 自喷单井( 井组) 间歇生产：自喷井( 井组) 生产的油通过油气分离器， 分离的天然气通过火炬燃烧掉，分离出的原油装油船运上岸，实行油井间歇生 产； 移动式采油平台生产：生产的油气通过油气分离器，分离出的天然气通 过火炬烧摔，分离出的原油临时储集在油罐内，再利用油船把原油运到岸上， 实现油井连续生产： 固定式采油平台生产：油井生产的油气，可通过加热器、油气分离器， 油、气分别计量后再混合进入海底管线，或油井生产的油气通过电加热器，或 电加热器旁通直接进入海底管线，该采油平台的电力是通过海底电缆输送到的， 实行油井连续生产。 1 2 2 2 油井存在的主要技术问题： l _ 2 2 2 1 先进测试技术的检验，资料解释及应用待完善：井下存储式电 子压力计在使用时需用钢丝作业测井绞车，它占用空间大，比较笨重，仅适合 于中心一号、开发一号、开发二号等大平台，这使海上大多数油井难以进行存 储式压力计测试，同时因海上机采井油套环形空间被封隔器封隔，也不适合于 海上机采井。 1 2 2 2 2 永久式电子压力计和毛细管测压技术是近几年才在滩海油田开 始应用，资料的解释是引用程序软件，该技术还没有充分发挥作用。 1 2 2 2 3 地面驱动螺杆泵监测装置的信号变送器部太重：重约4 0 公斤， 在海上运输安装调试比较困难，需进步改进。 1 2 2 2 4 油井计量误差较大；由于原油粘度大，油气分离比较困难，使 油井生产的油气分离效果较差，引起计量误差较大。 1 2 2 2 5 加强系统的维护保养：由于海上恶劣环境条件影响，使各种设 备、电子元件的稳定性较差，再加上无线通讯受干扰较多，为保证平台无人值 守的安全运行，必须定期对自动化设备进行维护保养。 1 3 实施海上自动化工程的必要性 由于海上生产气候条件恶劣，采油平台设计空间有限，且投资巨大，管理 难度也大。生产管理方式不可能采取陆地油田依靠大批工作人员来进行管理的 模式，另外从安全环保方面考虑，都要求平台管理人员越少越好，直至无人值 守，要达到这一目的，只有全面实施海上平台的自动化测控系统工程。 1 4 国内外工业p l c 的现状及发展 在全球工业计算机控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过 程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有p l c 。 长期以来，p l c 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化 控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因，在于它能够为自动化控制 应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业企业对自动化的需 要。 尽管传统p l c 被应用于离散过程控制领域，但现在，p l c 已被广泛应用于 连续过程控制领域，而且基于连续过程控制技术的发展趋势正在进一步得到增 长。通信是p l c 应用的关键技术，这种技术在p l c 领域已经得到扩展。同系 统一样，对p l c 进行分散化处理已经成为可能，所以更容易进行管理，以便能 够更好地集成在一起。 面对传统工业过程控制市场所存在的巨大竞争压力，许多p l c 供应商正在 开始主动转移他们所服务的过程控制应用领域。通过短短几年的努力，不断有 许多新的软逻辑控制软件产品推出。传统p l c 供应商在他们的产品目录中也已 经开始逐渐增加基于工业p c 的控制产品。另外，p l c 开发费用中，软件开发 费用所占的百分数正得到稳定的增长。例如，r o c k w e l l 公司将4 0 的开发费用 投入到硬件产品开发中，而将6 0 左右的开发费用转移到了软件开发工作上。 其着眼点在于全球市场对软件产品有强大的购买力，并要求软件产品能够更加 完美地运行在工业标准平台上。 p l c 一般总是使用梯形图逻辑控制程序，现在，所有类型的其他产品正在 努力获得并使用一些或者全部与i e c6 1 1 3 1 - 3 标准兼容的程序设计语言，包括 梯形图逻辑图表、功能模块图表、顺序功能图表、结构化文本和指令表等程序 设计语言。 然而，硬件、操作系统和应用软件相互之间都是彼此独立的实体，与传统 的全集成p l c 系统有很大的不同。随着硬件和操作系统的不断发展，操作系统 所提供的标准商业化功能特性可能会进一步促使p l c 变成一种更加不同的控 制设备，这也就是p l c 需要采用i e c 6 1 1 3 1 3 标准程序设计语言的原因所在。 可以采取各种方式来解决p l c 的编程问题。r o c k w e l l 公司对其所有产品均 采用l o g i x 系列软件来编程，包括机器人控制器、软逻辑控制器。传统p l c 系 统全部采用r s l o g i x5 0 0 0 软件进行编程工作。其他途径包括微软技术，像 d c o m 、a c t i v e x 以及s u n 的j a v a 等，在将来，也许会使用m i c r o s o f t n e t 技术， 其中大多数编程方式是通过s u n 宏系统和o n e ( 开放网络环境) 来发布的。 1 4 1r o c k w e l l 公司p l c 的特点 1 4 1 1r o c k w e l l 自动化公司软件已升级到r s l o g i x5 0 0 0 系列版本，该系 列软件版本采用了c o n t r o l l o g i x 结构体系和l o g i x5 5 5 0 处理器。r s l o g i x 系列 版本软件其自身已经升级到4 0 ，此外，借助于对a i 系列入e l 命令、改进的安 全性能和有效性对比，以及一种新地址向导的支持，能够支持a - b 公司的p l c 产品和个别改进程序。 1 4 1 2r o c k w e l l 自动化在其c o n t r o l l o g i x 平台也为工业用户增加了冗余性 选择。一种新的软件部件适合于1 7 5 7 s r m 系统冗余模件，以便做出适当的选 择。它可使用r s l o g i x5 0 0 0 程序设计软件与其他一些模件一起组成冗余系统， 并可以使用供电电源、机箱和c o n t r o l n e t 桥路等标准部件。 1 4 1 3 几年前，r o c k w e l l 自动化公司也在其p l c 产品中提供了e t h e m e t 接口，而且正稳步提高e t h e m e t 的功能特性。其1 7 5 6 型c o n t r o l l o g i xi o 也是 基于标准e t h e m e tt c p i p 和u d p 数据传输协议的组件，其应用层使用了一种 开放式、面向对象、基于生产者消费者的技术。这种技术在c o n t r o i n e t 、 d e v i c e n e t 和f f 现场总线h l 网络系统中也能够找到。 r o c k w e l l 自动化公司在其产品中也积极地增加了对e t h e m e t 连接性能的支 持，包括专门提供用于c o n t r o l l o g i x 的e t h e m e t i p 、f l e xi 0 、m i c r o l o g i x 和 p a n e l v i e w 系列产品。类似产品还有p r o c e s s l o g i x 、p l c 和s l c5 0 0 过程控制器 系列。通过进一步改进和提高，其产品能够同时支持隐式和显式两种数据信息 的传输，借助于隐式数据信息传输方式，其数据字段仅仅包含了实时i o 数据 信息。 1 4 1 4 r o c k w e l l 自动化公司也推出了增强型p r o c e s s l o g i x 分散型控制系 统。随后，又公布了其f l e x l o g i x 分散型控制系统，其中内藏有5 4 3 0 型f l e x l o g i x 控制器和现有的f l e xi o 控制设备产品。5 4 3 0 型控制器与a b 公司的 c o n t r o l l o g i x 多功能控制器使用了与r o c k w e l l 自动化公司相同的过程控制软件 包r s l o g i x 5 0 0 0 。 r o c k w e l l 自动化公司的c o n t r o l l o g i x5 5 5 0 多功能控制器，为满足运动控制 的需要已经增加了3 种新指令，同时也增加了两种新的坐标类型。通过允许 r s l i n x 软件用一个请求命令能够接收全部标识符数据列表的方式，网络数据吞 吐量得到了极大的提高。 1 4 2 智能化仪表的现状和发展趋势 随着以知识经济为特征的信息时代的到来，人们对仪器仪表的认识已显的 观念更新。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的 推动下，j 下跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。其技术发展的主流趋 势表现在：测量信息数字化，检测控制仪表智能化，控制管理集成化。 专家们认为，在计算机与自动化领域内，2 0 世纪8 0 年代的热点是个人计 算机，9 0 年代的热点是计算机网络，新世纪第一个1 0 年的热点将是传感、执 行与通信。这种预测是有一定根据的。我们知道，智力活动的基础必须是依靠 仪器仪表获取应有的可靠的信息，于是人们终于认识到仪器仪表已不仅仅是工 业时代必不可少的“工具”，而是当今高科披信息时代的“尖兵”，是信息的源 头。科技要发展，生产要发展，仪器仪表必须先行发展，这已成为有识之士的 共识。近年来，各种高新技术迅猛发展，特别是微电子、微机械、新材料和新 工艺的发展，及计算机、通信技术的广泛应用，正在彻底改变着自动化仪表的 本质及其工作原理，进而实现传统仪表不可能完成的全新更佳功能，创造出新 一代传感检测仪表和控制系统装置。下面扼要叙述一下我国自动化仪表与装置 的技术进展。 “智能化”是自动化仪表当自口和今后的发展动向之一，它已经成为工业控 制和自动化领域的各种新技术，新方法、新产品的发展趋势和显著标志。中国 人工智能学会理事长涂序彦教授曾撰文论述：“什么是智能化? 目前尚缺乏 明确的、公认的、科学的定义。但是，智能化与电脑化是有区别的，不 是同一个概念。 智能化应当有两方面的含义： ( 1 ) 采用人工智能的理论、方法和技术； ( 2 ) 具有拟人智能的特性或功能，例如自适应、自学习、自校正、自 协调、自组织、自诊断、自修复等。这可作为衡量是不是智能化装嚣、设备、 系统的性能标准。由此可得到关于智能化的定义：是采用人工智能理论、方 法、技术并具有某种拟人智能特性和功能。也就是说：利用计算机来代替 人的一部分脑力劳动，具有运用知识进行推理、学习、联想解决问题的能力。 就智能化仪表和装置来说，则应该具有以下特征： a 、能自动完成某些测量任务或在程序指导下完成预定动作； b 、具有进行各种复杂计算和修正误差的数据处理能力； c 、具有自校准、自检测、自诊断功能： d 、便于通过标准总线组成个多种仪表的复杂系统，实现复杂的控制功能， 并能灵活地改变和扩展功能。 本课题的选题正是鉴于工业自动化的发展和技术的先进性，考虑到海上采 油生产的情况，结合实际工作而确定的。 第二章埕岛油田海上采油自动化系统 2 1 埕岛海上自动化系统的构成及特点 2 1 1 自动化系统设计概述 2 1 1 1 系统设计原则 埕岛油田工程建设按“安全、简便、经济、可靠、注重环保”的要求，自 动化系统设计遵循以下原则： 测控系统设备选型原则 具有“三防”( 防潮、防赫雾、防霉菌) 能力，适应海上恶劣环境。 可靠性高，减少维修、维护工作量。 能选用国产设备的尽可能选用国产设备，降低工程投资。 为使采油平台达到无人值守，测控系统应具有很高的可靠性，设备选型采 用国内产品与国外产品相结合的方案国产设备能满足要求的( 包括合资、引 进) 则选用国产设备，国内没有的或不能满足海上恶劣环境要求的，则选用国 外产品。 测控参数的确定原则 在保证工艺设备安全运行、满足油减工程、采油工程和生产管理需要的基 础上，将平台参数分为两类： 第一类是安全生产必须的：温度、压力、液位高低限报警，电泵停泵、缺 相、短路报警、遥控电泵启停，遥控螺杆泵启停，遥控关闭井上井下安全阀及 遥控紧急关断，火灾、可燃气体检测报警等。 第二类是生产管理需要的：油温、油压、回压、套压、井下压力和温度、 注水压力、电泵运行参数、污水处理参数、海水处理参数、油罐参数、外输泵 测控、油气水计量、注水计量等。 针对以上分类，第一类参数对安全生产至关重要，一旦发生异常应及时处 理，否则，将造成油井停产和重大事故的发生，必须进行监测控制；第二类参 数对生产管理和地质研究是必需的，需要进行测控。 2 1 1 2 设计执行标准 过程检测和控制流程图用图形符号和文字代号g b 2 6 2 5 8 1 爆炸及火灾危险环境电力装置设计规范g b 5 0 0 5 8 9 2 石油化工企业设计防火规范g b 5 0 1 6 0 一9 2 原油及天然气工程设计防火规范g b 5 0 1 8 3 9 3 过程检测和控制系统用文字代号和图形符号h g 2 0 5 0 5 9 2 火灾报警系统设计规范g b j l 16 8 8 滩海石油工程仪表与自动控制技术规范s y t0 3 1 0 9 6 分散控制系统工程设计规范h g t2 0 5 7 3 9 5 火灾报警设备图形符号z g c8 0 0 0 1 8 4 工业自动仪表安装工程质量检验评定标准g b j l 3 1 9 0 石油建设工程质量检验评定标准自动化仪表安装工程s y 4 0 3 1 9 3 石油地面工程设计文件编制规程s y 0 0 0 9 9 3 滩海石油建设工程安全规则s y 5 7 4 7 9 3 2 1 1 3 系统设计特点 埕岛油田远离陆地、环境恶劣，而采油平台面积有限，工艺、设备不同于 陆地，面临着许多新的技术难题，为此我们在自动化工程设计中，本着引进消 化、吸收创新的指导思想，整个自动化工程设计主要由自己完成，部分设备从 国外引进，保证了自动化系统安全可靠的投运。 优化设计方案，开展“全面质量管理”活动，使工程设计创出新水平，降 低了测控系统造价，提高了系统可靠性。 井口参数优化：原设计为每口井设1 个油压和1 个回压检测点。根据现场 调查分析，海上采油平台除自喷井外，采油设备为潜油电泵和螺杆泵2 种，而 所有的螺杆泵井的油压等于回压，通过测回压就可以得到油压，这样螺杆泵井 的油压检测点可以去掉。目前海上有螺杆泵井6 7 口，可以减少压力检测点6 7 个，减少压力变送器6 7 台。 电加热器温度检测参数优化：每座卫星平台上有3 台电加热器，原设计为 每台电加热器的出口均设置了温度检测点。通过对流程图分析，汇管上的2 台 电加热器入口温度一致，可以只测1 个温度点，单井计量管线电加热器入口温 度与井口温度一致，可以不测，这样由6 个温度检测点改为4 个，每座卫星平 台可以减少温度变送器2 台，2 0 座卫星平台共减少温度检测点4 0 个，计温度 变送器4 0 台。 潜油电泵测控参数优化：在潜油电泵参数检测中，原设计检测参数为3 相 电流及5 种故障状态，经优化后只需检测3 相电流和短路、缺相2 种状态即可， 这样每台电泵减少3 个检测点，目前海上有5 6 台电泵，共减少1 6 8 个检测点。 安全阀测控参数的优化：原设计为每口井安装有井上、井下安全阀压力检 测，根据分析，所有井的井上、井下安全阀压力源相同，只测1 点即可，这样 6 井式卫星平台可减少1 1 个压力检测点、1 1 台压力变送器，2 0 座卫星平台共 减少2 2 0 个压力检测点，计2 2 0 台压力变送器。 通过以上参数优化研究，既保证了检测功能的实现，又减少了采油平台测 控点，降低了系统造价，提高了测控系统的可靠性。 2 1 1 4 系统设计的可行性和先进性 充分发挥科技人员的技术优势，设计科研同步进行。在工程的实施过程 中，设计采用了许多新技术、新设备，如安全生产遥控遥测技术、太阳能电池 供电、发备等，为滩海油田自动化的发展超到了示范作用。 引进先进技术和设备与消化吸收和技术开发相结合，是埕岛油田自动化 设计的重要途径。由于国内在自动化控制系统软件和设备方面与国外存在差距， 引进技术和设备是必须的。埕岛油田自动化测控系统工程在实施的过程中，项 目组参与了系统设计、硬件集成、软件组态、系统安装、调试、投运等全过程， 达到了锻炼队伍的目的，为系统的管理、维修维护打下了基础。 在国内滩海油田自动化设计中首次大规模采用了s c a d a 技术，并主要由 国内力量自行设计。 测控系统根据埕岛油田的总体规划，结合生产单位的管理体制，系统结 构设为三级管理模式，第一级为陆地中心站，第二级为中心平台站，第三级为 卫星平台站，布局合理。在控制管理上采用两级控制、三级网络的系统结构。 实现了卫星平台的遥测遥控和中心平台的本地控制。陆地中心站设有网关计算 机，将自动化测控系统网络结构与油田综合信息网相连，为测控系统所采集数 据的进一步利用打下了基础。 系统扩展性好，适应油田发展的需要，近期与远期结合，分步实施。 地上地下结合，管控一体化，有利于获取油田最大的综合效益。自动化 测控系统采集油井各类参数包括井下压力、温度等，并将这些参数传送到油藏 分析部门和生产决策部门，为油田开发提供决策依据。 埕岛油f l j i l 自动化测控系统无线数据传输根据传输距离、传输内容和信息 量的要求，中心平台站到陆地中心站采用扩频微波设备，集数据、语音、图象 传输于一体，中心平台站到卫星平台采用无线电台的方式传输遥测遥控数据， 具有性能、价格比高，扩展性好，功能不过剩的优点。 2 2 埕岛油田海上采油自动化系统概况 s c a d a 监控系统是埕岛油田自动化系统的核心，起着举足轻重的作用。 s c a d a 监控系统是否高效可靠，决定着整个油田自控系统的运行是否高效可靠。 埕岛油田的自控系统采用的是澳大利亚h o n e y w e l l 公司开发的s c a d a 系统，它 的软件主要是基于w i n d o wn t 环境下的s c a n 3 0 0 0 监控系统，硬件主要是中心 平台站和陆地中心站的i b m 工业控制计算机以及各卫星平台s l c 5 0 0 型可编程控 制器组成的远程终端r t u 。 2 2 1 系统管理模式 整套系统采用三级管理： 第一级： 陆地中心站。设在公司总部。在陆地控制中心可以监视及控制整 个埕岛油田的生产状态，处理油田生产信息，打印油田生产报表，为动态分析、 数值模拟及油藏描述提供数据。 第二级： 中心平台站。设在中心一号及中- b - - - 号平台。中心平台p l c 负 责中心平台现场参数的测控，并将测控参数送给中心平台控制室，中心平台控 制室的计算机可以监控中心平台站及周围所属卫星平台站的生产运行情况，并 通过数字微波向陆地中心站传送数据。 第三级：卫星平台站。每个采油平台设置一个卫星平台站。卫星平台站 由远程终端( r t u ) 完成采油平台数据采集处理判断，并通过无线信道发往中心平 台站，同时接收中心平台站发来的控制命令，实现卫星平台的遥测遥控。 2 2 2 自动化系统在采油工程方面的应用 埕岛油田海上自动化系统解决的现场采油工程问题包括以下几个方面： 2 2 2 1 机采井监控 目前，埕岛油田以电潜泵和螺杆泵井为主，因此机采井的管理是油田生产 管理最为关键的环节。埕岛油田海上自动化系统充分考虑到了这个因素，每口 电泵井都安装了三相电流传感器、电压变送器、运行状态检测、油套回压压力 变送器、油温传感器、启停控制装置，以及保护中心装置；每口螺杆泵井安装 了电流传感器、电压变送器、启停控制装置。可实现机采井泵的远程启停。超 限报警停机和油井的油压、套压、回压、温度检测，为机采井的优化管理提供 可靠的技术支持，从而将使机采井的常规管理发生根本的变革，以前繁杂的资 料录取工作，现在轻而易举即可录取。 2 2 2 1 1 机采井日常管理在目前状况下，机采井巡检是采油工每天 必须进行的大量而繁琐的工作，检查机采井的工作状态，录取井口压力和温度， 如果发现电泵或螺杆泵工作不正常或井不出液等故障，立即停机。这样的巡检 方式，巡检次数极为有限，不能及时发现机采井故障，并且要求采油工要具有 较高的责任心，油田自动化的建成将给机采井的日常管理工作带来根本性的变 化，使一些长期困扰机采井管理的问题得以解决。 2 2 2 1 2 机采井超限报井停机电泵控制柜具有保护中心，除此之外， 对螺杆泵和电泵都安装了电流传感器、电压变送器，实现机采井电机运行的电 流电压连续监测。一旦泵运行电流、电压超过可编程控制器所设置的上下限电 流、电压时，控制器立即将报警信号送往中心平台控制室并停机等待检查。另 外可编程控制器电流电压变送器本身一旦出现故障，在中心平台和陆地中心站 立刻可得到报警信号。此外，电泵运行的电流、电压和螺杆泵运行的电压上下 限的设定为额定值( 1 2 0 ) ，螺杆泵井运行电流的上下限设定为正常值2 a 。 报警考虑了一定的延迟时问0 5 s 。 2 2 2 1 3 机采井的远程启停安装可编程控制器和电机控制装置后， 实现在中心平台控制室和陆地中心站即可根据需要随时启停螺杆泵、电泵。这 样如果发现机采井或平台流程有故障，工作人员不用到井场就可以首先停泵， 避免由于故障而导致意外事情的发生。另外还可以检测电泵、螺杆泵运转是否 f 常，对于现场人为停泵，需将开关柜的闸刀拉下，将会有一个特殊信号，通 9 过终端设备发往中心平台和陆地站，可使监控人员了解停泵情况；遥启泵时， 首先通过泵控制柜进行声音报警，延时2 0 4 0 s 启动，以免误伤人。 2 2 2 1 4 油温、油压、套压、回压的检测安装井口油压、套压、回压 变送器和温度传感器，可实现对井口油压、套压、回压和温度的连续检测，操 作人员可以在陆地站和中心平台站控制室随时观察每口井的井口参数变化情 况，以保证电泵和螺杆泵运转正常、井口到汇管以及计量管路不被堵塞，影响 生产，同时根据油井的套压变化情况组织上人放套管气，确保油井发挥最大产 油效益。这样，在巡井方式发生了根本性的变化，不必长期耵在现场，只需定 期巡井，节省大量人力物力。 2 2 2 2 资料录取 目前，电泵、螺杆泵井的运行状态、电流、电压，油井的油压、套压、回 压、温度，流程的压力、温度等资料需要巡井人员上井采集，并且所采集资 料的精确度和可靠性都无从考证，随仪器仪表的精度、资料录取人员的责任心 的不同而差异非常大。借助油田自动化系统，资料录取精度、可靠性、方法和 过程都大为改善，温度压力等资料的采集不需任何人为干预，自动完成，精度 和可靠性都有了保证，并且在陆地或中心平台控制室都可以对一次仪表的运行 情况进行检测，仪表发生故障时，对压力等部分智能型仪表可进行远程诊断和 组态，确保其检测精度。同时在陆地和中心平台控制室，工作人员根据录取的 资料，就可以对泵的运行情况进行分析判断，及时采取必要的维护和工艺措施。 2 2 2 3 原油升温设备测控 安装电加热器进出口温度传感器后，可检测电加热器的工作状况以及计量 输油的油温情况。 2 2 2 4 自动选井计量 安装有可编程控制器的井口电动三通阀、液气两相分离器( 通过浮球控制 的三通调节阀实现气液分流，实现分离) 、质量流量计、旋进旋涡流量计，实 现遥控自动选井计量。计量时，质量流量计计量液体，旋进旋涡流量计计量气 体，并且将检测采集到的数据发往中心平台和陆地站。对油井含水问题的处理， 由平台巡井人员定期取油样化验，并将化验结果定期存入计算机处理，从而实 现油气水三相计量的目的。 2 2 2 5 平台进线电流电压检测 在采油平台进线高压柜装有电流电压变送器，实现对平台整体供电系统的 检测，有利于及时发现平台供电问题和海底电缆故障，及时采取处理措施，确 保油井采油时率。 2 2 2 6 安全系统监控 2 2 2 6 1 井口井下安全阀监控 在井口井下安全阀控制柜上装有压阻压力变送器和紧急关断阀，并通过平 0 台可编程控制器实现对油井安全阀压力的检测( 设定上限5 5 0 0 p s i a 下限 3 0 0 0 p s i 报警) 和安全阀的摇控紧急关断。平台油井的安全阀系统不能通过平 台可编程控制器自行关断，只有在非常紧急的情况下，由陆地站或中心平台站 向平台r t u 发出关断命令并确认后而关断，排除了可能的误报警自动关断。安 全阀关断控制是一种人为参与综合分析处理的结果。安全阀关断的程序：对机 采井先自动停泵，再控制关闭井i e i 井下安全阀；对自喷井，直接控制安全阀关 闭。 2 2 2 6 2 平台油气泄漏监测 在平台四周及关键部位安装了可燃气体传感器，检测油气在空气中的浓度， 达到监测油气泄漏的目的，确保平台设施安全生产，同时人们可以根据报警情 况而采取相应的措施。 2 2 2 6 3 火灾烟雾报警监测 在计量平台安装了感温探头，平台配电间安装了感烟探头来探测平台可能 发生的火灾情况，并将检测到的情况通过平台控制器远程终端r t u ，上传到中 心平台和陆地站，根据报警情况，提示人们采取果断措施，将平台损失减少到 最低程度。 2 2 2 6 4 平台海管进出口温度、压力监测 在每个平台海管的进出口都安装了温度传感器和压力变送器，通过对海管 温度压力的监测，达到检测某一段海管是否堵塞、破损的目的。 2 2 2 6 5 分离器高低液位监测 在气液两相分离器上，安装有高低液位控制器，来监测分离器高低液位。 根据液位报警情况，工作人员就可以了解到分离器浮球连杆的工作情况。确保 选井计量顺利实施。 2 2 2 7 井下压力计参数检测 井下压力计为油藏及开发方案的优化提供了地下的压力温度资料。海上平 台每井组至少一口观察井，下有毛细管压力计或电子式压力计，对毛细管压力 计只检测井底压力，电子式压力计既要检测井底压力，又要检测井底温度。压 力计检测纳入自控系统，实现了井底压力的实时动态检测，为油田的开发提供 更好的服务。 2 2 2 8 采油平台入海管紧急关断 在平台原油汇管入海管处装有海管紧急关断阀，一旦采油平台出现严重漏 油事件，通过遥控紧急关断阀的关断，达到平台与海管隔离的目的，将可能出 现的污染降低到最低程度，保证平台安全生产。 2 2 2 9 海水净化、注水设备、单井注水量的监控 注水是油田稳产的一项极为关键的措施，而海上油井注水的水源来源于净 化的海水。渤海湾海水水质杂质含量高、海生物活跃，对海水处理的加药量、 过滤反冲沈、水质检测等，靠人力监控非常之难。因此，将海水处理纳入了自 控检测系统。对单井注水的监控，主要应检测注水压力( 包括管线干压和注水 压力) 和注水量，并通过实际注水量同开发要求的注水量比较，来控制注水量 的大小，主要通过水表、压力变送器、注水三通调节阀、可编程控制器实现。 2 2 3 自动化系统在油藏工程方面的应用 2 2 3 1 油藏概貌 埕岛油田主体北部馆上段油减属于稠油高饱和油藏，应当合理利用天然能 量，待地层压力降至饱和压力时再注水，这样做一是利于注水工程的进行；二 是原油在饱和压力时粘度最小，油水粘度比最低，有利于提高驱油效率，取得 好的开发效果。因此，监测油藏动态，合理选择注水时机是十分有必要的。 另外，根据埕岛油田1 9 9 7 年产能建设方案设计，至9 7 年底，共动用含油 面积2 7 7 7 k m 2 ，地质储量9 7 6 2 万吨，占总探明储量的3 5 7 ，其中中生界、 东营组探明1 5 3 4 万吨地质储量已全部动用。馆陶组动用含油面积2 0 1 7 平方公 里，地质储量8 2 2 8 万吨，占探明储量的3 3 6 。随着含油面积的不断动用，埕 岛油田产能建设的难度也越来越大。 因此，为了及时、准确地了解油藏动态，合理选择注水时机，最大程度的 提高采收率，必须找出一条适合埕岛油田发展的道路。 2 2 3 2 自动化工程与油藏工程的结合 自动化测控系统最终最大的效益在与油藏工程结合，改善开发效果上体现 了出来。它包括井下压力监测、自动计量等先进技术。 2 2 3 2 1 井下压力监测 埕岛油田自动化系统在油藏工程中的应用重要特色之一就是引进了永久式 电子压力计和毛细管测压技术进行井底压力、温度测量，准确反映油井生产状 况，并将现场录取的实时数据，送入数值模拟软件，经过油藏数值模拟分析， 再将其结果反馈至油田生产现场，指导油田稳定合理开采。： 永久式电子压力计是将压力传感器，用专门的井下工具固定在生产管柱上， 并用专用电缆下入井内设计深度，通过该压力传感器将被测压力转换成与压力 成一定关系的电信号经电缆传至地面，由地面系统将信号放大，经模擞转换成 数字形式，实时显示打印，绘图和处理，同时把数据记录在磁盘上。该压力计 具有以下特点： a 、可长期，连续得记录井下压力和温度，并可在地面进行只读和打印： b 、适合于海上机采井的情况； c 、可进行遥测遥控； d 、可以随意调整采集周期。 毛细管测压技术由美国p r u e t t 公司首创，海上引进的是p r u e t t 一7 0 0 0 型装 置，该装置采用外径为3 1 8 m m ，内径为1 3 7 m m ，并充满氮气的不锈钢毛细管进 行井下压力传输，毛细钢管的最底端按一传压筒，传压简底端开孔与井简连通。 在进行井下压力检测时，毛细钢管传压筒中均充满氮气，氮气气源由在井口的 普通工业气瓶提供，必要时使用高压增压泵将氮气吹扫至毛细钢管及井下传压 筒中，井下压力与毛细钢管及传压筒中的氮气压力最终在传压筒中达到平衡， 毛细钢管的另一端与地面上的石英晶体压力传感器相连，由此测得地面一端毛 细钢管中的氮气压力。要检测的井下压力由压力传感器所测得的毛细钢管末端 的氮气压力和毛细钢管内的氮气柱压力两部分组成。压力传感器测得的压力信 号，传输到数据采集器内，数据采集器将完成井下氮气柱压力的计算及校正并 将修正好井下压力数据显示并储存起来。记录下来的井下实测压力数据可由计 算机显示、打印或绘出曲线。 毛细管测压装置与永久式电子压力计性能相似，条件相当，该装置的特点 在于： a 、井下仪器部分结构简单，无电器元件，不易损坏，使用寿命长。其压力 传感元件置于地面，可以随时在地面直接进行校验或维修，不受井下温度的限 制； b 、该装置分辨率达正负o 0 0 6 8 9 k p a ，能满足或达到干扰试井的要求； c 、该装置能以数字、曲线形式进行井下压力输出、显示、打印： d 、该装置可以进行斜井测试，适于目前海上油井生产管串，能长期检测井 下压力。 表2 - 1 永久式井下压力计( 毛细管压力计) 与常规环空测压方法对比 项目环空测试永久式井下压力计 ( 毛细管压力计) 测漉压次数每月一次实时、连续 复压测试测试时问受压力计钟机或供电电池供电时问限制， 可能造成因测试时间不够而使资料报废无时间限制 流j 苌资料质量先关，p ，再下压力计，所测流联与正常生产值偏差实时测取，完全反映真实数据 较大 复压资料质量先关j i ：，再下托力计，对深外小易测取续流段关井与测压同时进行资料录取齐、 全、准 测试难易程度施工较复杂泵深度超过i8 0 0 m 压力计很难下人， 并易掉卡，可能影响油井正常生产地面直读 挑降试井施工较复杂，若油井因放在测试期问停产，测试将 即使需要重复测试也非常简单 失败处理油，i ：故障时必须将压力计提 | j ，事故处 理完后千耳从同坐起 永久式井下电子压力计和毛细管压力计的使用，可以随时方便的获取大量的 油藏工程信息，如准确的地层压力、随含水上升而变化的生产压差、采液( 油) 指数、流动系数等。 另外，凶下压力计的井可随时自动测取流压、套压、含水、生产气油比等数 据，依据这些资料可较准确的计算套管流体密度，可用于计算与其相邻且生产 特性相近井的流压，出少数下压力计井可推广到一大批井，不仅大幅度提高了 资料的覆盖面，也大大节约了测试费用和测试占产时间。 由此可见，永久式电子压力计和毛细管压力计的运用，可以及时、准确、连 续地检测油层压力及其变化，将大量油田动态数据用于油藏工程研究和动态跟 踪数模分析，使自动化技术延伸至地下，大大拓宽了自动化的应用领域，抓住 了油田开发过程中展重要的一环油减工程研究和应用。 2 2 3 2 2 自动计量 自动化系统对油藏工程的另一个重要贡献是实现了油井产液和产气的自动 计量。 产液和产气计量是一项工作量大、要求高的工作，它对油藏工程技术人员 能否正确认识油减超着决定性的作用，因此也就直接影响着一个油田最终开发 效果，没有实现自动计量以前，计量工作由人工井口取样，再送化验室分析。 工作繁琐，而且油气水的流动性质决定了资料的代表性较差。因此，计量工作 一直是困扰油藏分析的难题，加上油田油气水三相流动特性复杂易变，并且含 有大量蜡、砂等杂质。尤其是对单井产量较低的井，要取得具有代表性的计量 结果，难度更大。虽然多年来不断采用各种方法进行尝试，一直没有取得令人 满意的效果。 埕岛油田自动化系统针对这一难题，进行大胆尝试，采用以前人工计量方 式，配以精心选型的检测仪表和驱动装置，实现了产液量和产气量的自动计量， 虽然仍然存在一些问题，但比以前取得了巨大进步，成为埕岛油田自动化系统 的又一特色。 自动计量的原理是：通过油井管汇上的电动三通阀阀位的改变来选定要计 量的油井，该井的流体先进入加热器加热，然后进入分离器，分离器里装有分 离伞、浮子液位计和上下两个液位开关，随着进入分离器流体的增加液位计浮 子上升，首先经过下液位开关f 1 ，下液位开关闭合，远程中断开始计时，一段 时间后，经过上液位开关f 2 ，上液为开关闭合，远程