樊庄区块水平井自动化集散监控系统设计与实现(修改).doc

樊庄区块水平井自动化集散监控系统设计与实现作者：杨超1，赵立宁1，孟晓强1，李洪涛1，黄少伟1，周正奇2（1、河北省华北油田采油工艺研究院，任丘市，062552 2、河北省华北油田采油一厂，任丘市，062552）摘要：为了统一华北油田山西煤层气开发数字化管理模式，同时提高水平井的生产时率，统一数据库格式，统一报表系统。在充分了解和吸收水平井控制系统优点的基础上，对水平井数据采集、传输、控制、数据库及报表生成系统进行设计和实现用。在控制柜里，用PLC代替了原先的水平井控制RTU，Mc-Will无线通信系统替代了原有的数传电台，充分利用其现场仪表，实现了远程变/恒液面控制，远程启停井等功能。实现了水平井的远程操作与控制，统一了报表系统和报表格式。关键词：远程变/恒液面控制DCSPID调节The design and achievement of the horizontal well DCS in the Huabei Oilfield CBM Branch CompanyYang chao1 Zhao lining1 Meng xiaoqiang1 Li Hongtao1 Huang Shaowei1 Zhou Zhengqi2(1、 Production Technology Research Institute of Huabei Oilfield Company 2、The First Exploit Factory of Huabei Oilfield Campany)Abstract:The original horizontal wells RTUs were replaced by the PLC, the original data radios were replaced by the Mc-will wireless DTUs. Used the original instruments mostly, achieved the remote variable/constant liquid level control and the remote startup and stop control. Key words: remote variable/constant liquid level; DCS; PID adjusting1 引言为了统一华北油田山西煤层气开发数字化管理模式，同时提高水平井的生产时率，统一数据库格式，统一报表系统。为此，在充分了解和吸收水平井控制系统优点的基础上，对水平井数据采集、传输、控制、数据库及报表生成系统进行设计和实现。山西煤层气公司樊庄区块共有水平井45口，平均日产气量21万方/口，平均一口水平井产气量是一口直井产气量的10倍左右。如何管理好水平井成为一个迫切需要解决的问题。2008年投产开始，每口水平井均由奥瑞安能源国际有限公司负责钻井，并自配带其控制系统，其系统采用微波电台传输命令、数据，经过几年的运行，主要存在问题：1、由于奥瑞安公司自带的控制柜无远程控制功能，影响水平井的产量；2、并且由于奥瑞安公司技术壁垒，不肯向中方开放其通信协议和数据库。3、数据库报表不能自动完成，需人工手动完成，工作量大。4、奥瑞安水平井控设备均为进口设备，设备一旦出现问题，不能现场及时解决，维护困难。2 水平井自动监控系统设计2.1 改造方案将现有水平井所有仪表接入PLC，经Mc-will无线宽带网络上传至煤层气自动化系统（DCS系统），控制功能由PLC完成，并更换现场控制面板。保留原系统的一次传感器、变频器、供电电源及配电柜，取消数传电台。图1 水平井远程集散控制监控系统Fig.1 the horizontal well DCS2.2 主要监控功能实现了水平井监控系统参数的采集（运行时间、管压、套压、井底流压、瞬时气量、变频器电流、变频器频率、泵扭矩、泵转速和沉没度）和远程控制功能，包括远程启、停井功能；远程/本地设定；远程恒液面/变液面调节；手动/自动设定功能；设备报警停机。2.2.1参数采集水平井系统采用的国外原装进口设备，我们在查阅了外文资料采集到水平井系统的所有参数，原水平井系统中的变频器和流量计均采用MODBUS协议传输，相互影响，通过修改变频器和流量计的配置，实现了数据的同时上传。PLC采集将水平井的井底流压、系统压力、差压、变频器电流、变频器频率等参数通过Mc-Will宽带无线网络传到水平井监控机，监控机参数界面如图2。由于差压式流量计是通过计算得到瞬时流量，而奥瑞安公司部提供相关公式，经过我们多次摸索和对比验算得到了比较准确的瞬时气量计算公式。 动液面计算公式：H动液面=H压力计-（P井底-P套压）100 (1)瞬时气量计算，当日产气量大于20000方时，； (2)当日产气量小于20000方时， (3)其中。图2 水平井上位机参数 Fig.2 the parameters of the horizontal wells 2.2.2 远程启停及设备报警停机远程启停井控制功能分为启动和停止两个方面，启动控制为人工远程控制，而停井控制则分为人工远程控制和自动控制两种方式。水平井设备报警一共有4种，分别为电机超温报警、液面下下限报警、变频器低速过电流报警和变频器低速过扭报警。其中电机超温报警和液面下下限报警时可以通过上位机水平井监控系统进行远程复位，如图3，变频器低速过电流和变频器低速过扭报警则必须现场断电复位，如图4。 图3 电机超温报警和液面下下限报警流程 图4 变频器低速过电流和低速过扭报警流程Fig.3 the flow of the high temperature alarm Fig.4 the flow of the low speed alarm and low and lower limit alarm torque alarm 2.2.3 远程液面控制为了达到水平井高产、稳产的要求，对水平井液面控制分为恒液面/变液面控制。恒液面控制是运用PID调节，将实际液面和设定液面进行比较，通过PLC控制变频器频率，达到控制电机转速的目的，从而将水平井动液面稳定在设定值上。变液面控制运用PID调节，将每小时实际下降液面和设定下降液面进行比较，通过PLC控制变频器频率，达到控制电机转速的目的，从而使得水平井动液面稳定下降到设定值，如图5。图5 恒液面/变液面控制简易流程图Fig.5 the flow of the variable/constant liquid level水平井FZP08-2井深588米，沉没度为67米，4月26日到27日对此井进行恒液面控制实验，设定横液面为520米，运行了11小时，最高液面为520.0663m，最低液面为522.9468m，波动范围为2.9m。图6为4月26日至27日沉没度、动液面和电机转速曲线。转速恒液面控制49051053055057059061063065011:4412:2713:2614:0914:5315:3616:2017:0417:4718:3119:1519:5822:0922:5323:360:201:041:472:313:153:586:247:077:518:35图6恒液面沉没度、动液面和电机转速曲线 Fig.6 the curves of the submergence depth、dynamic liquid level and motor speed between 4.26-4.27.4月27日至28日对FZP08-2井进行变液面控制实验，运行了11小时设定每天下降10米。每小时计算和调控运行参数，运行过程中的数据如下：表1 FZP08-2井变液面控制数据Tabel.1 the data of the FZP08-2s control parameters序号时间动液面(m)沉没度(m)转速110:32523.06364.96219605210:47523.108764.89128602311:45523.621564.35604600412:43523.979764.02026598513:41524.354464.04403606614:54524.43363.58482606715:52522.1309无无816:50522.1309无无918:03528.173259.826846241019:01525.541962.458085311120:14524.377963.670226111221:12526.238861.761211322:10528.13259.868046961423:08528.465159.53484648150:07527.670260.32984631161:05527.631260.36879663172:32529.103158.49841703183:30530.076857.92316699195:27530.024457.97558677206:54531.615456.38465无218:07531.482556.51746672229:05531.276856.72318无 图7变液面控制的沉没度、动液面和电机转速曲线Fig.7 the variable liquid level control curves of the submergence depth、dynamic liquid level and motor speed2.2.4 远程/本地控制为了保护在水平井现场工作人员的安全，在水平井控制柜设置了远程/本地控制功能，当现场人员将开关拨到本地时，远程水平井监控系统只能采集数据而不能对水平井的启停及变频器进行远程设置，这样就避免了远程控制人员对井场情况不明时，启井可能对现场人员造成的伤害。3.2.5 水平井控制系统水平井控制系统，主要由远程/本地；自动/手动；变液面/恒液面；变频器频率调节，变液面设定，恒液面设定，沉没度设定，液面低限设定，地面低低限设定，启停井组成。只有当手动调节的时候，恒液面，变液面调节才起作用。自动的时候安装设定的变频器频率进行运行。变频器设定，设定变频器以某一频率进行运行，通过调节变频器的频率来控制电机速度。液面低限设定，当动液面到达液面低限时，会发送一个报警到监控机。液面低低限设定，当动液面到达液面低低限时，会自动停机，如图8所示。3 结论(1)用PLC代替了原先的水平井控制RTU，用Mc-Will无线宽带网络替代了原有的数传电台，解决了原水平井无远程控制功能；实现了远程启停、远程恒/变液面、自动/手动、远程/本地控制功能，提高了单井的生产时率，提高了产量。(2)完成了水平井和原先直井报表系统融合，统一了报表系统，统一了报表格式，降低了劳动强度，提高了工作效率。(3)煤层气公司实现了主要控制设备的自给，摆脱了对国外公司技术的依赖，节约了大量维护和其他费用。参考文献：1谢朝阳，周好斌。基于动液面控制的抽油机变频控制系统。石油机械，2009年第37卷第9期122-124。 Xie chaoyang, Zhou haobin. 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