油田自動(dòng)化系統(tǒng)中油井監(jiān)控技術(shù)

油田自動(dòng)化系統(tǒng)中油井監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用doc

摘要近年來,油田自動(dòng)化在我國(guó)的應(yīng)用越來越廣泛,在油田自動(dòng)化中,油井的監(jiān)控是其重要的一環(huán)。根據(jù)油田的開發(fā)方案,油井各個(gè)時(shí)期的開采方式各不相同,因此,對(duì)油井的監(jiān)控要求也不一樣。正確的設(shè)計(jì)和應(yīng)用油井監(jiān)控系統(tǒng),可以給油田自動(dòng)化生產(chǎn)和管理帶來許多益處。本文介紹了油井監(jiān)控系統(tǒng)的組成、發(fā)展和特點(diǎn),以及各種油井的監(jiān)控、油井的遠(yuǎn)程開關(guān)和油井的安全保護(hù)。此外,還就油井監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的其它一些問題進(jìn)行了探討。

主題詞油井;自動(dòng)化系統(tǒng);自動(dòng)控制設(shè)備;生產(chǎn)自動(dòng)化

1油井監(jiān)控系統(tǒng)的組成、發(fā)展和特點(diǎn)

油井的監(jiān)控系統(tǒng)是油田自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,也是油田自動(dòng)化所要控制的第一個(gè)環(huán)節(jié)。油井的監(jiān)控水平直接影響到油田自動(dòng)化系統(tǒng)的水平。油井監(jiān)控系統(tǒng)通常由井(場(chǎng)的各種變送器、傳感器、控制閥、關(guān)斷閥、井場(chǎng)遠(yuǎn)程終端裝置RTU和SCADA系統(tǒng)監(jiān)控)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主終端裝置MTU,以及相應(yīng)的系統(tǒng)軟件構(gòu)成。

早期的油井只安裝有壓力表和溫度表,用于現(xiàn)場(chǎng)查看油井的油壓、套壓、回壓和油井溫度。隨后,隨著油田開采技術(shù)和SCADA系統(tǒng)的發(fā)展,在油井上安裝了變送器和其它類型的傳感器,把壓力、溫度、閥位等信號(hào)傳送到RTU(遠(yuǎn)程終端裝置),RTU把測(cè)量到的信號(hào)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換,并通過通訊系統(tǒng)把信號(hào)傳送給MTU(主終端裝置),在MTU上進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和生產(chǎn)報(bào)表的打印。根據(jù)油井的開采方式不同,測(cè)取的信號(hào)數(shù)量和類型也不同,通常測(cè)取的信號(hào)為模擬信號(hào)和開關(guān)信號(hào),有時(shí)為脈沖信號(hào)。近來,一些自動(dòng)化水平較高的油田,油井的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用智能變送器,不僅能夠完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集,而且可以對(duì)變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)校和遠(yuǎn)程診斷,提高了數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性。

早期油井的開采沒有遠(yuǎn)程控制,隨著油田自動(dòng)化的發(fā)展,為了滿足油田的生產(chǎn)、油田的管理和油田優(yōu)化的要求,對(duì)一些油井進(jìn)行了遠(yuǎn)程控制。油井的遠(yuǎn)程控制包括遠(yuǎn)程開關(guān)油井、遠(yuǎn)程油嘴調(diào)節(jié)、電潛泵控制、抽油機(jī)控制和氣舉氣流量控制等,具體的控制量和控制參數(shù)的確定,取決于具體油田的工藝要求和自動(dòng)化水平。根據(jù)油田的生產(chǎn)、管理要求和油田優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù),油田SCADA系統(tǒng)的操作員從MTU,通過通訊系統(tǒng)向RTU

發(fā)出命令,控制油井或改變控制參數(shù)。這些控制可以達(dá)到產(chǎn)量控制和節(jié)能等目的,通常與油田生產(chǎn)優(yōu)化系統(tǒng)緊密相連。

采用油井自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)后,可以更加精確和迅速的采集到油井的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù),可以遠(yuǎn)程控制油井的生產(chǎn)設(shè)備。油井自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)與油田生產(chǎn)優(yōu)化系統(tǒng)相結(jié)合,可以對(duì)全油田進(jìn)行生產(chǎn)優(yōu)化。除此之外,應(yīng)用油井監(jiān)控技術(shù)后,還能夠節(jié)約能源、減少操作人員、減輕操作人員的工作強(qiáng)度、延長(zhǎng)油井設(shè)備的使用壽命、減少事故。根據(jù)油田開發(fā)的要求,各個(gè)階段的開采方式也各不相同。為了滿足油田自動(dòng)化的要求,完成對(duì)油井的數(shù)據(jù)采集和控制,要對(duì)自噴井、氣舉井、電潛泵井、抽油機(jī)井等進(jìn)行監(jiān)控。

2油井的監(jiān)控2.1自噴井的監(jiān)控

自噴井需要采集的數(shù)據(jù)一般為油壓、套壓、回壓和油溫,如果油嘴采用電動(dòng)可調(diào)油嘴,還要采集油嘴閥位數(shù)據(jù),控制油嘴的開度。圖1示出了具備電動(dòng)可調(diào)油嘴的自噴井的工藝儀表圖(簡(jiǎn)稱為P、ID圖)。所有變送器傳送的信號(hào)都是4-20MA的模擬信號(hào),這些信號(hào)都傳送到油井RTU通過這些數(shù)據(jù)如油壓、回壓和油嘴直徑和油井測(cè)試系統(tǒng),可估算出油井的產(chǎn)量,為油田的配產(chǎn)提供參考數(shù)據(jù)。

電動(dòng)可調(diào)油嘴接收從油井RTU下傳的模擬信號(hào),控制可調(diào)油嘴的開度,從而控制油井的原油產(chǎn)量。油井的RTU通過通訊系統(tǒng)與油田SCADA系統(tǒng)的MTU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,把油井的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給MTU,并進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理、存儲(chǔ)、趨勢(shì)顯示和打印報(bào)表等功能。MTU根據(jù)油田生產(chǎn)的需要和油田優(yōu)化系統(tǒng)的要求,發(fā)出控制命令給RTU控制油嘴的開度,從而控制油田的產(chǎn)量。2.2氣舉井的監(jiān)控氣舉井是在油田的開發(fā)中期采用的一種開采方式,它與自噴井不同之處是增加了注氣舉氣控制。圖2示出了氣舉井的P、ID圖。本圖與自噴井不同之處是在套管部分加入氣舉氣,并測(cè)量氣舉氣的壓力、溫度和流量,除此之外,在氣舉氣入口處還有氣舉氣流量控制,該流量控制是通過一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥由RTU控制的。如井場(chǎng)儀表氣源方便的話,流量控制閥也可采用氣動(dòng)控制閥。

圖中所有變送器的信號(hào)均通過RTU傳送到DCS的操作站或SCADA系統(tǒng)的MTU,在MTU或DCS的操作站,通過氣舉優(yōu)化軟件的運(yùn)算,發(fā)出命令改變電動(dòng)可調(diào)油嘴和氣舉氣控制閥的開度,從而優(yōu)化控制油田的生產(chǎn)。

氣舉氣流量控制的主要目的是使油井在最佳設(shè)定值下運(yùn)行,最佳設(shè)定值可通過氣舉節(jié)點(diǎn)分析程序確定,在優(yōu)化的條件下,可獲得最大的原油產(chǎn)量。當(dāng)氣舉氣氣量不足時(shí)(如氣體處理廠工藝故障和壓縮機(jī)故障等),控制系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉一些低產(chǎn)井,使高產(chǎn)油井有足夠的氣源,從而滿足油田優(yōu)化生產(chǎn)的要求表2。2.3電潛泵油井的監(jiān)控

電潛泵油井的監(jiān)控是由電潛泵變速驅(qū)動(dòng)器和電潛泵RTU

組成的。電潛泵的控制由變速驅(qū)動(dòng)器完成,不進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,根據(jù)生產(chǎn)要求,將電潛泵和井下壓力傳感器下到井底,通過電纜與電潛泵變速驅(qū)動(dòng)器相連,井下壓力傳感器測(cè)量井底壓力,通過控制電潛泵驅(qū)動(dòng)器使井底壓力保持不變。(圖3,表3)

電潛泵的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由RTU完成。RTU采集的信號(hào)有模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)。擬信號(hào)有井底壓力、電機(jī)頻率、電機(jī)電流、驅(qū)動(dòng)器交流電壓、驅(qū)動(dòng)器交流電流、驅(qū)動(dòng)器直流電壓、驅(qū)動(dòng)器直流電流、出油管線壓力和溫度;開關(guān)信號(hào)有驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)、過載和欠載狀態(tài)、冷卻系統(tǒng)狀態(tài);脈沖信號(hào)是電功率KWH。這些信號(hào)經(jīng)RTU通過通訊系統(tǒng)傳至MTU,對(duì)電潛泵油井進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

2.4抽油機(jī)油井的監(jiān)控

在許多油田中抽油機(jī)抽油是常用的人工舉升方式,但是有些抽油設(shè)備的抽油能力超過了油層供油能力,這樣就造成了泵抽空。出現(xiàn)泵抽空時(shí),游動(dòng)凡爾在下沖程時(shí)沖擊液面,引起增壓和沖擊波,造成泵、抽油桿和地面抽油設(shè)施的損壞,此外,在這種狀態(tài)下,生產(chǎn)效率低、能耗大。為了滿足生產(chǎn)要求,采用自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)它進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷。

圖4為抽油機(jī)油井監(jiān)控的P、ID圖。抽油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是由變送器、電機(jī)控制柜和井場(chǎng)RTU三部分組成。電機(jī)控制柜用來控制抽油機(jī)電機(jī)的運(yùn)行,并將電機(jī)的有關(guān)數(shù)據(jù)(如電壓、電流、電功率和運(yùn)行狀態(tài)等)傳送給井場(chǎng)RTU。抽油機(jī)的變送器主要有抽油桿負(fù)荷、位置開關(guān)其信號(hào)用來構(gòu)成示功圖和其它一些參數(shù)的變送器,如高/低出油管壓力、盤根泄漏和抽油機(jī)振動(dòng)等信號(hào)。抽油桿負(fù)荷傳感器可安裝在光桿卡子和載桿之間,也可安裝在游梁上,傳感器具備溫度補(bǔ)償,最大瞬時(shí)載荷為額定載荷的兩倍。

井場(chǎng)RTU完成數(shù)據(jù)采集和控制抽油機(jī)的工作。它利用由抽油桿負(fù)荷與位置開關(guān)構(gòu)成的示功圖,將示功圖數(shù)據(jù)與操作員輸入的停泵扇形齒輪負(fù)荷給定值比較,當(dāng)前者超過給定值時(shí)停泵,按操作員根據(jù)油井的具體情況確定的停泵間隔,使油井恢復(fù)到一定液位,當(dāng)?shù)竭_(dá)操作員給定的停泵間隔時(shí)間后,重新啟泵,從而達(dá)到抽油機(jī)控制的目的。井場(chǎng)RTU

將采集的數(shù)據(jù)通過通訊系統(tǒng)傳送給MTU,MTU

的操作員根據(jù)油田和油井的具體情況,設(shè)定停泵值和停泵間隔,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和抽油機(jī)故障診斷。

抽油機(jī)采用自動(dòng)化系統(tǒng)后,可將油井的液位控制在泵的吸入口處,使油田達(dá)到最大產(chǎn)量;能有效的減少由于沖擊造成的抽油桿斷裂和抽油泵的其它故障,降低維護(hù)費(fèi)用;提高泵效率,到達(dá)節(jié)能的目的;減少巡井次數(shù),減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,可提高生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。3油井的開關(guān)和安全保護(hù)

由于工藝過程可能發(fā)生意外事故(如管道堵塞、破裂和油處理系統(tǒng)故障等)、或由于生產(chǎn)要求,需要對(duì)油井進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)和安全保護(hù)。油井的遠(yuǎn)程開關(guān)系統(tǒng)是由油井的井下安全閥和地面安全閥、油井地面安全控制系統(tǒng)和井場(chǎng)RTU

組成。

圖5表明了油井的遠(yuǎn)程開關(guān)系統(tǒng)的基本組。圖中采油樹有兩個(gè)安全閥,一個(gè)地面安全閥和一個(gè)井下安全閥。安全閥由液壓驅(qū)動(dòng),由三通電磁閥控制。地面安全閥的控制有就地控制、安全保護(hù)和遠(yuǎn)程控制。井下安全閥有安全保護(hù)和就地控制,也可進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)井。就地控制通過開關(guān)井下安全閥和地面安全閥的就地開關(guān)來完成;安全保護(hù)控制信號(hào)有兩種,其一是為防止管線破裂和堵塞,來自壓力變送器的信號(hào),當(dāng)壓力變化較小達(dá)到關(guān)閉地面安全閥的設(shè)定值時(shí),壓力開關(guān)PS動(dòng)作,關(guān)閉地面安全閥,其二是來自井場(chǎng)的火焰信號(hào),當(dāng)井場(chǎng)出現(xiàn)火災(zāi)時(shí),由火焰探測(cè)器發(fā)出信號(hào),關(guān)閉地面和井下安全閥;油井的遠(yuǎn)程開關(guān)信號(hào)由油田自動(dòng)化系統(tǒng)的ESD系統(tǒng)和控制中心的操作員發(fā)出,通過通訊系統(tǒng)傳至RTU,由RTU

給地面安全控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào),控制地面安全閥的開關(guān)。

油井的開關(guān)和安全保護(hù)并不是獨(dú)立的,它與整個(gè)油田的安全保護(hù)系統(tǒng)和緊急關(guān)斷系統(tǒng)是密切相連的。當(dāng)聯(lián)合站油氣處理系統(tǒng)、原油外輸系統(tǒng)和輸油管線出現(xiàn)故障時(shí),主終端裝置MTU

要向油井發(fā)出關(guān)井信號(hào),有順序的關(guān)閉部分或全部油井。(表5)4油井監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用中的其它一些問題

油井的監(jiān)控是油田自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)部分,它與油田自動(dòng)化系統(tǒng)的其它部分和油田的開采方式緊密相連,不同油田的自動(dòng)化水平和工藝要求不一樣,對(duì)油井監(jiān)控的具體要求也不一樣,上述油井監(jiān)控系統(tǒng)只是其中的一些典型例子,實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)油井設(shè)備和控制要求來確定。在油井監(jiān)控方案和RTU的選擇時(shí),要考慮到油田的長(zhǎng)期開發(fā)方案、油田的自動(dòng)化水平和油田的環(huán)境等因素。

在考慮油田的長(zhǎng)期開發(fā)方案時(shí),主要是考慮油井初期、中期和后期的開采方式各不相同,選用的開采設(shè)備也不同,因此,對(duì)油井的控制要求也不一樣。在設(shè)計(jì)油井監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),要注意盡量選取可滿足各個(gè)時(shí)期開采方式的監(jiān)控系統(tǒng),盡量少的更換監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件。井場(chǎng)RTU

選型時(shí),其I/O

點(diǎn)要滿足具有最大I/O

點(diǎn)要求的開采方式。

在考慮油田的環(huán)境因素時(shí),主要考慮井場(chǎng)的溫度、濕度、粉塵和腐蝕等條件,對(duì)油井監(jiān)控系統(tǒng)硬件的影響。如在我國(guó)西北部沙漠油田,夏季溫度特別高、晝夜溫差非常大、空氣中粉塵含量高、地下水含鹽含堿量高,因此,在井場(chǎng)變送器和RTU

選型時(shí),要選擇耐高溫、抗腐蝕、防粉塵和具有溫度補(bǔ)償?shù)挠途O(jiān)控設(shè)備。

在設(shè)計(jì)油井監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),應(yīng)當(dāng)注意到與自動(dòng)化系統(tǒng)軟件的結(jié)合。通常油井