智能完井液壓站控制系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

薛德棟，張璽亮，劉鐵明

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300457）

0 引言

海上油田開發(fā)過程中，面臨層數(shù)多，層間矛盾大等突出問題，層間差異大，單層出水嚴重導致底水、邊水突進，造成整井水淹。智能完井技術能夠對井下的滑套狀態(tài)進行實時控制，能夠監(jiān)測井下壓力、溫度、流量層實時參數(shù)，結合油層數(shù)值模擬信息進行決策，對井下滑套進行生產遙控，從而達到穩(wěn)油、控水，提高最終采收率的目的。

圖1 直接液力控制液控智能完井示意圖Fig.1 Schematic diagram of direct hydraulic control hydraulic control intelligent well completion

井下流量控制器控制方式主要有液壓控制、電動控制或者液壓/電動控制，控制狀態(tài)有全開、全閉、多級調節(jié)和精細調節(jié)等。其中，液壓驅動由于其耐高溫、扭矩大、可靠性高的優(yōu)點，在國內外應用廣泛[1]。國外的Welldynamics 公司Smart-Well 智能完井系統(tǒng)，Halliburton公司HS-ICV、LV-ICV、MCC-ICV 等系列的井下流量控制閥，以及Schlumberger 公司的IntelliZone Compact 智能完井系統(tǒng)均采用液壓控制方式。

1 地面液壓控制站

智能完井液壓控制站是智能完井的重要組成部分，其安裝在地面，產生液壓動力，對井下液控滑套及解碼器提供液壓動力，實現(xiàn)井下滑套的開啟與關閉。圖1 為直接液力控制液控智能完井示意圖。如圖1 所示，實現(xiàn)井下2 層滑套的控制需要3 條液控管線，井下閥的開啟分別由各自的控制管線控制，但關閉僅由一根控制線實現(xiàn)。控制管線2，3 分別控制閥A 和閥B，當這兩根管線施加高壓油時，便能實現(xiàn)兩個閥門A 和B 的開啟。而閥門A 和B 的關閉端由一根控制線1 共同控制，當控制線1 通入高壓油，從而實現(xiàn)兩個閥門的關閉。當井下液控滑套數(shù)量增加時，需要增加井下解碼裝置，能夠利用3 條液控管線實現(xiàn)井下6 層的控制，即若完成井下不低于6 層液控滑套的控制，需要地面液壓控制站能夠獨立輸出3 路液壓動力。

地面液壓控制站主要參數(shù)如下：

1）使用環(huán)境溫度：-35℃～60℃。

2）電源輸入：380 VAC / 480VAC /690VAC 50 HZ。

3）設計壓力：70000Psi。

4）輸出壓力：6000Psi。

5）三路壓力輸出。

地面液壓控制站主要由儲油罐、液壓泵、電磁控制閥、回油管、液壓管匯、檢測設備、液壓控制系統(tǒng)等組成；液壓泵產生液壓動力，電磁控制閥實現(xiàn)液路的開關與液路轉向控制，檢測設備等實現(xiàn)液壓流量、壓力等參數(shù)的計量；液壓控制系統(tǒng)為地面液壓控制站的核心，其系統(tǒng)采用PLC控制，能夠接收遠程信號，通過邏輯判斷，控制電磁閥通斷，從而實現(xiàn)液路的控制。

圖2 地面液壓控制系統(tǒng)整體原理圖Fig.2 Overall schematic diagram of ground hydraulic control system

2 智能完井地面液壓站控制系統(tǒng)設計

2.1 地面液壓站控制系統(tǒng)設計

液壓站驅動控制系統(tǒng)包括：上位機控制級、PLC 控制級、變頻控制級，下位機PLC 選用西門子s7-1200 系列，PLC 配有7 寸觸摸屏。上位機控制級中控室與PLC 之間通過RS-485 連接，完成地面控制系統(tǒng)的計算機自動復合控制，RS485 傳輸速率為9600bps 時，傳輸距離可達1500m，可連接128 個收發(fā)器。以太網無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求，魯棒性和抗干擾能力很難適應環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場[2-4]?？梢?，RS485 最適合智能完井現(xiàn)場需要。同時，可通過工業(yè)以太網將該地面控制系統(tǒng)與其余控制終端連接，實現(xiàn)遠程控制。為了實現(xiàn)高精度的速度閉環(huán)控制，變頻器控制級選配脈沖編碼器接口模塊，用于變頻器接收驅動電機的編碼器反饋地面，液壓控制站整體原理如圖2 所示。

2.2 地面液壓站PLC控制系統(tǒng)設計及接線

地面控制站設置有壓力、流量等傳感器，啟停開關、壓力調節(jié)電磁閥等外置設備，設備信號的輸入是通過各總線協(xié)議和I/O 模塊來實現(xiàn)的。利用PLC 系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和信號的輸出，同時通過PLC 與上位機連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和圖形監(jiān)測功能，實現(xiàn)了邏輯控制、過程控制一體化。為配合井下液控滑套的精細化控制，地面液壓控制協(xié)同應具備以下功能。

1）為解碼器及井下多級流量控制裝置提供液壓動力，根據(jù)邏輯命令完成相應的動作。

2）系統(tǒng)具備輸出壓力檢測功能，當壓力超過設定值時可自動進行溢流泄壓。

3）主回路分為3 路，每一主回路上配有進口高精度比例流量控制閥，能夠準確控制輸出液壓油的液量。

圖3 脈沖流量計及報警信息PLC接線圖Fig.3 PLC Wiring diagram of pulse flowmeter and alarm information

4）主回路上均配有壓力表，用于現(xiàn)場顯示系統(tǒng)輸出壓力，同時配有壓力變送器，可將壓力信號傳送到中控室，將壓力數(shù)據(jù)進行實時顯示與記錄。

5）配有自動泄壓閥，主回路不需要加壓時可將管線壓力泄放。

6）現(xiàn)場控制面板上具有主回路的壓力輸出通斷、壓力顯示、泄壓等功能。

7）中控室具有所有回路的壓力輸出通斷、壓力顯示、泄壓、流量計量及井下多級流量控制裝置位置顯示等功能，根據(jù)設定程度能夠完成相關自動控制。

2.2.1 流量控制系統(tǒng)實現(xiàn)

控制液流量計量為一項重要指示參數(shù)，通過控制液流量能夠精確判斷井下狀態(tài)，該地面控制站選用kracht 公司的VC0.025F1PS 脈沖流量計，該流量計計量范圍是0.008L/min ～2L/min，能夠精確地對進入井下控制管線的控制液進行精確計量。在3 條液控管線上分別安裝1 個流量計，3個脈沖流量計占用PLC 輸入口（I 口）兩個位，這兩個位連接PLC 的計數(shù)器，通過計數(shù)器的脈沖個數(shù)，加上每個脈沖對應0.25ml，可以算出流量值。同時，對液位低信息、變頻器故障、變頻器運行、油泵電機啟動、油泵電機停止、急停按鈕在PLC 上的接線圖，如圖3 所示。

圖4 壓力變送器PLC接線圖Fig.4 PLC Wiring diagram of pressure transmitter

2.2.2 壓力控制系統(tǒng)實現(xiàn)

壓力變送器選用AST 公司4401C00400 型號，該變送器壓力測試范圍是0MPa ～40MPa，工作環(huán)境溫度-40℃～80℃。壓力變送器與地面控制站壓力輸出口連接，實時顯示地面控制站3 條壓力管線壓力輸出值。圖4為3 個壓力變送器在PLC 上的接線圖。

3 智能完井地面液壓站控制軟件設計

為實現(xiàn)地面控制系統(tǒng)的邏輯控制，通過上位機變成實現(xiàn)控制程序的開發(fā)和控制。上位機對下位計算機進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、修改試驗參數(shù)、控制工作狀態(tài)、存儲試驗數(shù)據(jù)、顯示控制界面和數(shù)據(jù)回放、報表生成等功能，采用友好的軟件交互界面，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。上下位機互相獨立，互不干擾，分工明確，從而可以更好地保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。下位機PLC 負責完成所有試驗傳感器信號的采集、測試壓力的采集、測試流量的采集、異常判斷等功能。

3.1 軟件框架結構

上位機Visual Basic 軟件通過RS485 串口通訊實現(xiàn)遠距離向下位機輸入試驗標準、試驗工藝及試驗參數(shù)等指令，同時也可向下位機獲取試驗壓力和試驗流程狀態(tài)、異常情況等參數(shù)，并可實時顯示試驗數(shù)據(jù)。上位機軟件基于Visual Basic 6.0 開發(fā)，系統(tǒng)控制流程圖如圖5 所示。控制結構采用上、下位機控制模式，上位機下位機軟件功能如圖6 所示，下位機主要進行系統(tǒng)過程控制、數(shù)據(jù)采集以及與上位計算機進行數(shù)據(jù)交換等功能。

圖5 軟件控制流程參考圖Fig.5 Software control flow reference diagram

表1 PLC 1200寄存器地址映射關系Table 1 Address mapping relationship of PLC 1200 register

3.2 上下位機的MODBUS RTU協(xié)議

上下位機通訊選用MODBUS RTU 協(xié)議，Modbus 是一種串行通信協(xié)議，是Modicon 公司（現(xiàn)在的施耐德電氣Schneider Electric）于1979 年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表。

對于地面控制液壓站上位機與下位機的通訊，上位機需要實時讀取下位機傳感器傳回的瞬時壓力、流速、溫度信息，還包括泵、油箱液位、變頻器、控制柜按鈕信息，同時上位機需要發(fā)送指令給下位機，進行控制。西門子PLC 1200 作為下位機，作為Modbus RTU 從站，對應的寄存器地址見表1。

圖6 上、下位機軟件功能示意圖Fig.6 Software function diagram of upper and lower computer

其首地址應為40001，因為地址碼是一個字節(jié)，故Modbus RTU 地址碼定為01，對于上位機從下位機讀取信息，流量、溫度、壓力均為浮點數(shù)，每個參數(shù)占4 個字節(jié)，共計28 個字節(jié)，加上下位機運行信息，需要32 個字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式為01 03 00 00 00 10 44 06，其中01 地址碼；03 功能碼；00 00 為MD0 地址，00 10 定義為16 個字（32 個字節(jié)）44 06 為CRC 檢驗碼。工作時，當上位機將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給下位機時，下位機就向上位機發(fā)送流量、溫度、壓力、下位機運行狀態(tài)信息，上位機不發(fā)送該幀格式，下位機也不向上位機回傳信息。對于上位機控制下位機，是位控制指令，每個位可控制一個按鈕，一個字節(jié)8 位可控制8 個按鈕。

4 結論

地面液壓控制站為智能完井井下工具提供液壓動力，其核心控制系統(tǒng)采用PLC 控制，配合RS485 通訊方式，能夠實現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的遠程傳輸，滿足現(xiàn)場需求。所設計的PLC 接線方式能夠對地面液壓控制站的控制液流量、控制液壓力等參數(shù)進行實時監(jiān)測與判斷。同時，設計的地面控制軟件采用MODBUS 傳輸協(xié)議，實現(xiàn)上位機對地面液壓站的遠程控制，實現(xiàn)了下位機對地面液壓站的控制，及瞬時壓力、流量、溫度等實時參數(shù)的讀取，滿足智能完井井下控制需求。