井場(chǎng)平衡式連續(xù)自動(dòng)加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳文秀，付曉慶，景望山

(長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)①

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井場(chǎng)平衡式連續(xù)自動(dòng)加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳文秀，付曉慶，景望山

(長(zhǎng)江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)①

摘要：目前，大多數(shù)油田的加藥工藝存在加藥頻次低、藥劑效果不均勻、人工成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。在目前油田數(shù)字化平臺(tái)管理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)井場(chǎng)智能加藥系統(tǒng)。為驗(yàn)證井場(chǎng)平衡式連續(xù)自動(dòng)加藥系統(tǒng)的科學(xué)性與合理性，在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考核。井場(chǎng)平衡式連續(xù)自動(dòng)加藥系統(tǒng)采用新的工藝和控制系統(tǒng)，不需要工人值班，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了加藥精度，從而提高了油田生產(chǎn)效率以及管理水平。

關(guān)鍵詞：井場(chǎng)；加藥；自動(dòng)化系統(tǒng)

目前，國(guó)內(nèi)油田主要采用人工加藥方式，即通過工人定期到油井現(xiàn)場(chǎng)投放藥劑的方式實(shí)現(xiàn)清蠟劑、緩蝕劑等藥劑的一次性投加，存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、人力成本高等問題[1]。部分油田采用以井口抽油機(jī)自身光桿上下運(yùn)動(dòng)為動(dòng)力的井口機(jī)械自動(dòng)加藥裝置，實(shí)現(xiàn)將安裝在井口旁加藥罐藥劑的自動(dòng)投加，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，維護(hù)難度大[2]。還有部分油田采用以高含水井壓力作為動(dòng)力的光桿自動(dòng)加藥裝置，通過藥劑射流器，抽取藥劑和高含水井壓力水一起混合后加入油套環(huán)空，存在適應(yīng)性不強(qiáng)的缺點(diǎn)[3]。針對(duì)目前油井加藥存在的問題，研制一套平衡式連續(xù)自動(dòng)加藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)為控制單元，自動(dòng)檢測(cè)輸油管流量，根據(jù)流量及設(shè)定的加藥量或者濃度值控制計(jì)量泵的加藥量，并且設(shè)置多種故障報(bào)警功能，不需要工人值班，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了原有加藥裝置不能隨系統(tǒng)控制要求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)加藥量帶來的加藥不足或加藥過量的弊端，提高了加藥精度，降低了生產(chǎn)成本，提升了管理水平。

1井場(chǎng)平衡式連續(xù)自動(dòng)加藥系統(tǒng)組成及原理

井場(chǎng)平衡式連續(xù)自動(dòng)加藥系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和系統(tǒng)軟件組成，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括一體化加藥裝置、氣體管路、流體管路、專用接頭等，系統(tǒng)軟件主要由儀器控制軟件、通訊接口軟件、數(shù)字化平臺(tái)組態(tài)軟件組成。如圖1所示。

圖1　井場(chǎng)平衡式連續(xù)自動(dòng)加藥系統(tǒng)示意

該自動(dòng)加藥系統(tǒng)主要通過連接至各抽油機(jī)井口套管上的氣路管線實(shí)現(xiàn)套管氣壓的平衡，液路管線實(shí)現(xiàn)藥劑的投加。加藥裝置的加藥量、藥劑儲(chǔ)量、管路閥門開閉等信息通過通訊線纜傳輸至井場(chǎng)數(shù)字化RTU箱內(nèi)的交換機(jī)上，數(shù)據(jù)通過連接在交換機(jī)上的無線網(wǎng)橋和光纖傳輸至接轉(zhuǎn)站、作業(yè)區(qū)、采油廠的數(shù)字化平臺(tái)。平臺(tái)上可以監(jiān)測(cè)各井場(chǎng)的加藥情況，并進(jìn)行加藥量的遠(yuǎn)程調(diào)配。現(xiàn)場(chǎng)加藥裝置結(jié)構(gòu)如圖2～3所示。

圖2　自動(dòng)加藥裝置結(jié)構(gòu)

圖3　自動(dòng)加藥裝置管線布置簡(jiǎn)圖

2工藝流程

油井自動(dòng)加藥系統(tǒng)的工藝流程為：通過緩慢打開加藥漏斗閥，放盡加藥包內(nèi)的氣體，將準(zhǔn)備好的藥劑緩慢倒入加藥包內(nèi)，當(dāng)藥劑量達(dá)到指定量(液位計(jì))后關(guān)閉加藥漏斗閥。打開平衡閥，待油套管環(huán)形空間及加藥包壓力平衡后，緩慢打開下流閥，藥劑靠自重流入油套管環(huán)形空間，當(dāng)加藥量達(dá)到設(shè)定值時(shí)關(guān)閉下流閥與平衡閥，最后打開加藥漏斗閥進(jìn)行放空。為滿足自動(dòng)加藥的目的，通過加裝RTU控制器、電磁閥、安全閥、磁翻板液位計(jì)等自動(dòng)化儀器和設(shè)備，配套大容積防腐加藥箱和管線，以實(shí)現(xiàn)油井加藥量的設(shè)置及自動(dòng)連續(xù)加藥過程的完成。其中，RTU控制器通過中間繼電器控制電磁閥島動(dòng)作，按照程序流程設(shè)計(jì)分別選擇氣路和液路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)氣壓平衡和重力加藥。電磁閥島和RTU控制器的工作電源選用直流24 V，通過開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)交流380 V電源到直流24 V電壓的換轉(zhuǎn)。安全閥設(shè)計(jì)自動(dòng)開啟壓力為系統(tǒng)最大承壓的75%，在井口套壓過高時(shí)快速泄壓以避免事故的發(fā)生。

3自動(dòng)加藥系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

鑒于該自動(dòng)加藥系統(tǒng)主要控制的是電磁閥的通斷與加藥時(shí)間，結(jié)合現(xiàn)在油田數(shù)字化與無人值守的新要求，擬定上位機(jī)軟件主要用于欲加藥油井的選擇與單井加藥量的監(jiān)控，而現(xiàn)場(chǎng)PLC主要執(zhí)行對(duì)電磁閥與加藥時(shí)間的具體控制的方案，上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)的通迅借助無線設(shè)備與通訊軟件完成。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

當(dāng)用戶點(diǎn)擊開始按鈕時(shí)，通訊測(cè)試即開始，然后開始選擇欲加藥的油井，開啟進(jìn)氣管線，進(jìn)而開啟加藥電磁閥開始加藥，到達(dá)設(shè)置的時(shí)間后停止加藥，最后關(guān)閉加藥箱閥。油井自動(dòng)加藥系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集利用的是西門子S7-200PLC，通過通訊接口將自動(dòng)加藥裝置的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)中，同時(shí)接受來自上位機(jī)的控制，對(duì)加藥現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[4]。自動(dòng)加藥系統(tǒng)的上位機(jī)主要包括以下幾個(gè)功能：

圖4　軟件流程圖

1)顯示。上位機(jī)軟件采用KingView6.53開發(fā)。在該監(jiān)控畫面中，用戶可以對(duì)自動(dòng)加藥系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置及實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，該系統(tǒng)還兼?zhèn)銹ID自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，能夠根據(jù)加藥系統(tǒng)反饋回來的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)加藥量[5]。圖5所示為自動(dòng)加藥系統(tǒng)的監(jiān)控畫面，較為直觀地顯示了自動(dòng)加藥系統(tǒng)的組成及各設(shè)備的工作狀態(tài)。

圖5　自動(dòng)加藥系統(tǒng)的監(jiān)控畫面

2)報(bào)警。報(bào)警主要分為過程變量報(bào)警和系統(tǒng)診斷報(bào)警，無論是過程變量報(bào)警還是系統(tǒng)診斷報(bào)警發(fā)生時(shí)，都會(huì)在操作員現(xiàn)行操作的畫面上給予聲、光報(bào)警提示。并且對(duì)系統(tǒng)中所有的報(bào)警均進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)；并且可以打印報(bào)警報(bào)表，打印結(jié)果包括報(bào)警的位號(hào)、報(bào)警數(shù)值、發(fā)生日期、時(shí)間等[6]。

3)記錄打印。系統(tǒng)通過連接打印機(jī)，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警報(bào)表和過程數(shù)據(jù)報(bào)表的打印。根據(jù)用戶需要在組態(tài)時(shí)所編制的各類報(bào)表(如：過程數(shù)據(jù)定時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)表、操作綜述報(bào)表、各類聯(lián)機(jī)記錄報(bào)表、報(bào)警報(bào)表等)都能在打印機(jī)上輸出。

4應(yīng)用效果

為驗(yàn)證井場(chǎng)平衡式連續(xù)自動(dòng)加藥系統(tǒng)的科學(xué)性與合理性，在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考核，目前試運(yùn)行累計(jì)已達(dá)12個(gè)月，共進(jìn)行了4口井的加藥實(shí)踐。結(jié)果表明：

1)該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，試運(yùn)行期間未出現(xiàn)任何技術(shù)問題，雨雪天氣下通訊暢通，信息傳達(dá)及時(shí)。

2)加藥量控制準(zhǔn)確，有效克服了人工加藥廣泛存在的加藥不足或過量、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，提高了管理水平，降低了生產(chǎn)成本。

3)較之計(jì)量泵等加壓注入藥劑的方式，該系統(tǒng)具有不受井口自身套壓影響，免維護(hù)周期長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。

4)長(zhǎng)期對(duì)井筒進(jìn)行智能連續(xù)加藥減少了藥品的浪費(fèi)，有效地緩解了井筒結(jié)蠟現(xiàn)狀，降低了油井負(fù)載，減小了載荷變化對(duì)油井的影響，延長(zhǎng)了油井生產(chǎn)時(shí)間。

5結(jié)論

1)采用以PLC為核心的井場(chǎng)平衡式連續(xù)加藥方案，有利于提高加藥精度、降低生產(chǎn)成本。

2)數(shù)據(jù)通過連接在交換機(jī)上的無線網(wǎng)橋和光纖傳輸至現(xiàn)場(chǎng)，不受環(huán)境因素的限制，抗干擾能力強(qiáng)，遠(yuǎn)程調(diào)控及時(shí)迅速，借助無線網(wǎng)橋與光纖傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控是未來在線監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

3)該系統(tǒng)采用模塊組態(tài)技術(shù)，能直觀顯示各設(shè)備的工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)，維修方便。

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Design of Well Balanced Type Continuous Automatic Dosing System

WU Wenxiu，F(xiàn)U Xiaoqing，JING Wangshan

(CollegeofMechanicalEngineering，YangtzeUniversity，Jingzhou434023，China)

Abstract：At present，disadvantages of low frequency of dosing exist in most of the oil fields of the dosing process，and drug effect is not uniform，high labor costs，labor intensity large.In the current oil based digital platform management，site design intelligent dosing system.To verify the well-site balance type continuous automatic dosing system of science and rationality，in the indoor test based on were on-site assessment.Well-site balance type continuous automatic dosing system using new technology and control system，does not require workers on duty，reduce the labor intensity of workers and improve the accuracy of dosing，thereby improving the production efficiency and management level of oil field.

Keywords：well site；drugging；automatic system

中圖分類號(hào)：TE934.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.014

作者簡(jiǎn)介：吳文秀(1965-)，男，湖北天門人，教授，2009年畢業(yè)于北京科技大學(xué)車輛工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油機(jī)械測(cè)控與結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)研究，E-mail：wuwenxiu22@163.com。

收稿日期：①201509-09

文章編號(hào)：1001-3482(2016)02-0064-03