油田自动化系统中油井监控技术的应用

1、油田自动化系统中油井监控技术的应用 doc摘要 近年来 ,油田自动化 在我国的应用越来越广泛,在油田自动化 中,油井的监控是其重要的一环。 根据油田的开发方案 ,油井各个时期的开采方式各不相同 ,因此 ,对油井的监控 要求也不一样。 正确的设计和应用油井监控系统,可以给 油田自动化 生产和管理带来许多益处。本文介绍了油井监控系统的组成、发展和特点 , 以及各种油井的监控、油井的远程开关 和油井的安全保护。此外 ,还就油井监控系统应用的其它一些问题进行了探讨。主题词 油井 ;自动化系统 ;自动控制设备 ;生产自动化1 油井监控系统的组成、发展和特点油井的监控系统是油田自动化系统的一个重要组成部分

2、,也是 油田自动化 所要控制的第一个环节。油井的监控水平直接影响到油田自动化系统的水平。油井监控系统通常由井（场的各种变送器、 传感器、控制阀、关断阀、井场远程终端装置 RTU 和 SCADA 系统监控 ） 及 数据采集系统的主终端装置 MTU, 以及相应的系统软件构成。早期的油井只安装有压力表和温度表,用于现场查看油井的油压、套压、回压和油井温度。随后 ,随着油田开采技术和 SCADA 系统的发展 ,在油井上安装了变送器和其它类型的 传感器 ,把压力、温度、阀位等信号传送到 RTU （远程终端装置 ）,RTU 把测量到的信号进行 处理转换 ,并通过通讯系统把信号传送给 MTU（ 主终端装置

3、）,在 MTU 上进行远程数据监测、 数据处理、数据存储和生产报表的打印。根据油井的开采方式不同,测取的信号数量和类型也不同 ,通常测取的信号为模拟信号和开关信号,有时为脉冲信号。近来 ,一些自动化水平较高的油田 ,油井的数据采集系统采用智能变送器,不仅能够完成远程数据采集 , 而且可以对变送器进行远程调校和远程诊断 ,提高了数据采集的精度和可靠性。早期油井的开采没有远程控制,随着油田自动化的发展 ,为了满足油田的生产、 油田的管 理和油田优化的要求 ,对一些油井进行了远程控制。油井的远程控制包括远程开关油井、远程油嘴调节、电潜泵控制、抽油机控制和气举气流量控制等,具体的控制量和控制参数的确定

4、,取决于具体油田的工艺要求和自动化水平。根据油田的生产、管理要求和油田优化系统 的数据 ,油田 SCADA 系统的操作员从 MTU, 通过通讯系统向 RTU 发出命令 ,控制油井或 改变控制参数。这些控制可以达到产量控制和节能等目的,通常与油田生产优化系统紧密相连。采用油井自动化监控系统后 ,可以更加精确和迅速的采集到油井的各种生产数据 ,可以 远程控制油井的生产设备。 油井自动化监控系统与油田生产优化系统相结合 ,可以对全油田 进行生产优化。 除此之外 ,应用油井监控技术后 ,还能够节约能源、 减少操作人员、 减轻操作 人员的工作强度、延长油井设备的使用寿命、减少事故。根据油田开发的要求 ,

5、各个阶段的 开采方式也各不相同。为了满足 油田自动化 的要求 ,完成对油井的数据采集和控制 ,要对自喷 井、气举井、电潜泵井、抽油机井等进行监控。2 油井的监控2. 1 自喷井的监控自喷井需要采集的数据一般为油压、套压、回压和油温,如果油嘴采用电动可调油嘴 ,还要采集油嘴阀位数据 ,控制油嘴的开度。图 1 示出了具备电动可调油嘴的自喷井的工艺仪 表图 （简称为 P、ID 图）。所有变送器传送的信号都是4-20MA 的模拟信号 ,这些信号都传送到油井 RTU 通过这些数据 如油压、回压和油嘴直径和油井测试系统,可估算出油井的产 量 ,为油田的配产提供参考数据。妻压何压R观信号捉还RTU图1h喷井

6、监控的pjd图电动可调油嘴接收从油井RTU下传的模拟信号，控制可调油嘴的开度，从而控制油井的原油产量。油井的 RTU通过通讯系统与油田 SCADA系统的MTU进行数据传输，把油 井的实时数据传输给 MTU,并进行数据运算、处理、存储、趋势显示和打印报表等功能。MTU根据油田生产的需要和油田优化系统的要求，发出控制命令给RTU控制油嘴的开度 ，从而控制油田的产量。表1自喷井监控信号表RE信号汕压套压冋压油温汕嘴位置汕咪控制信号采集信号*控制信号*2. 2气举井的监控气举井是在油田的开发中期采用的一种开采方式 ，它与自喷井不同之处是增加了注气举气控制。图2示出了气举井的 P、ID图。本图与自喷井不

7、同之处是在套管部分加入气举气 ， 并测量 气举气的压力、温度和流量 ，除此之外，在气举气入口处还有气举气流量控制 ，该流 量控制是通过一个电动调节阀由 RTU控制的。如井场仪表气源方便的话 ，流量控制阀也可 采用气动控制阀。至 MTIJ8全叵严迂- « ® A命X閃-耳F KxA十 T TUJRTU电專r举f糠蓉压阀位压力爲血图2气举井监控的PJ D图图中所有变送器的信号均通过RTU传送到DCS的操作站或 SCADA系统的MTU,在MTU或DCS的操作站,通过气举优化软件的运算，发出命令改变电动可调油嘴和气举气控制阀的开度，从而优化控制油田的生产。气举气流量控制的主要目的是

8、使油井在最佳设定值下运行，最佳设定值可通过气举节点分析程序确定，在优化的条件下，可获得最大的原油产量。当气举气气量不足时（如气体处理厂工艺故障和压缩机故障等），控制系统将自动关闭一些低产井，使高产油井有足够的气源从而满足油田优化生产的要求表2。表2气举井监控信号表R.TU信号气举气压力气举气遼量气举气温度春蠶鬻气举气控制 阀控制悟号其它与自喷井相同來集信号控制信号0* *2. 3电潜泵油井的监控电潜泵油井的监控是由电潜泵变速驱动器和电潜泵 RTU 组成的。电潜泵的控制由变 速驱动器完成，不进行远程控制，根据生产要求，将电潜泵和井下压力传感器下到井底通过电缆与电 潜泵变速驱动器相连，井下压力传感

9、器测量井底压力，通过控制电潜泵驱动器使井底压力保持不变。（图3 ,表3）压力狂送器1斐if驱动SHT1JWH故值值簷 行流率KV统力 运暑率系座电电暑 戟载在藍功却底ffi流诱 欠过正电电宅冷井交££图3电潜泵汕井监控的P.ID图电潜泵的数据采集系统由RTU完成。RTU采集的信号有模拟信号、开关信号和脉冲信号。拟信号有井底压力、电机频率、电机电流、驱动器交流电压、驱动器交流电流、 驱动器直流电 压、驱动器直流电流、出油管线压力和温度；开关信号有驱动器运行状态、过载和欠载状态、 冷却系统状态；脉冲信号是电功率 KWH 。这些信号经 RTU通过通讯系统 传至MTU ,对电潜泵油

10、井进行远程监测。袞3屯潜余油井RTU 控取抿麦RTU信号油井 压力油井载过正在运行电机 电电机 电压电3 率K冷却井底 床力电诡 值交滅a值电眾 值采笑佶号*ib4-is*-2. 4抽油机油井的监控在许多油田中抽油机抽油是常用的人工举升方式，但是有些抽油设备的抽油能力超过了油层供油能力，这样就造成了泵抽空。 出现泵抽空时，游动凡尔在下冲程时冲击液面，引起增压和冲击波，造成泵、抽油杆和地面抽油设施的损坏，此外，在这种状态下，生产效率低、能耗大。为了满足生产要求，采用自动化系统对它进行远程监控和诊断。中机控制柜抽油机独却图4抽油机油井监控的PJ D图图4为抽油机油井监控的 P、ID图。抽油机监控系

11、统是由变送器、电机控制柜和井场RTU三部分组成。电机控制柜用来控制抽油机电机的运行，并将电机的有关数据（如电压、电流、电功率和运行状态等）传送给井场 RTU。抽油机的变送器主要有抽油杆负荷、位置开 关其信号用来构成示功图和其它一些参数的变送器，如高/低出油管压力、盘根泄漏和抽油机振动等信号。抽油杆负荷传感器可安装在光杆卡子和载杆之间，也可安装在游梁上，传感器具备温度补偿，最大瞬时载荷为额定载荷的两倍。农4拦;林L油井主要监控信号表RTU借号抽油亓关电机 电说电机抽紬 机振油管 虽力电机运行抽油 札关 机其它信号来集信号可选控制信号*井场RTU完成数据采集和控制抽油机的工作。它利用由抽油杆负荷与

12、位置开关构成的示功图,将示功图数据与操作员输入的停泵扇形齿轮负荷给定值比较，当前者超过给定值时停泵，按操作员根据油井的具体情况确定的停泵间隔，使油井恢复到一定液位，当到达操作员给定的停泵间隔时间后，重新启泵，从而达到抽油机控制的目的。井场RTU将采集的数据通过通讯系统传送给M TU，M TU 的操作员根据油田和油井的具体情况，设定停泵值和停泵间隔，并进行数据处理、存储和抽油机故障诊断。抽油机采用自动化系统后 ，可将油井的液位控制在泵的吸入口处 ，使油田达到最大产 量； 能有效的减少由于冲击造成的抽油杆断裂和抽油泵的其它故障，降低维护费用；提高泵效率到达节能的目的；减少巡井次数，减轻工作人员的劳

13、动强度 ，可提高生产效率、延长设 备寿 命。3油井的开关和安全保护由于工艺过程可能发生意外事故 （如管道堵塞、破裂和油处理系统故障等）、或由于生产要求，需要对油井进行远程开关和安全保护。油井的远程开关系统是由油井的井下安全阀图5汕井安全保护和关停系统的卩、1 D图图5表明了油井的远程开关系统的基本组。图中采油树有两个安全阀，一个地面安全阀和一个井下安全阀。安全阀由液压驱动，由三通电磁阀控制。地面安全阀的控制有就地控制、安全保护和远程控制。井下安全阀有安全保护和就地控制，也可进行远程关井。就地控制通过开关井下安全阀和地面安全阀的就地开关来完成；安全保护控制信号有两种，其一是为防止管线破裂和堵塞

14、，来自压力变送器的信号，当压力变化较小达到关闭地面安全阀的设 定值时，压力开关PS动作，关闭地面安全阀，其二是来自井场的火焰信号，当井场出现火灾 时，由火焰探测器发出信号，关闭地面和井下安全阀；油井的远程开关信号由油田自动化系统的ESD系统和控制中心的操作员发出 ，通过通讯系统传至 RTU，由RTU 给地面安全控 制系统发出信号，控制地面安全阀的开关。油井的开关和安全保护并不是独立的，它与整个油田的安全保护系统和紧急关断系统是密切相连的。当联合站油气处理系统、原油外输系统和输油管线出现故障时，主终端装置MTU要向油井发出关井信号，有顺序的关闭部分或全部油井。（表5）表5池井开其控制逻软虫远程开

15、ifc远眉关地远锂关井高压力亠二=胡井F空全阀倉安全冏底安全阀下安全阀开关动柞尸关动柞就地开关胡件就地开关豹柞关地穴安全阀建峯关井下安全冏邂豪-.女全阀4油井监控技术应用中的其它一些问题油井的监控是 油田自动化 系统的一个部分，它与油田自动化系统的其它部分和油田的开采方式紧密相连 ，不同油田的自动化水平和工艺要求不一样，对油井监控的具体要求也不一样，上述油井监控系统只是其中的一些典型例子，实际应用中要根据油井设备和控制要求来确定。在油井监控方案和 RTU的选择时，要考虑到油田的长期开发方案、 油田的自动化 水 平和油田的环境等因素。在考虑油田的长期开发方案时 ，主要是考虑油井初期、中期和后期的开采方式各不相同，选用的开采设备也不同，因此，对油井的控制要求也不一样。在设计油井监控系统时，要注意 尽量选取可满足各个时期开采方式的监控系统 ，尽量少的更换监控系统的硬件和软件。井场RTU选型时，其I/O点要满足具有最大 I/O 点要求的开采方式。在考虑油田的环境因素时，主要考虑井场的温度、湿度、粉尘和腐蚀等条件，对油井监控系统硬件的影响。如在我国西北部沙漠油田，夏季温度特别高、昼夜温差非常大、空气中粉尘 含量高、地下水含盐含碱量高，因此，在井场变送器和 RTU选型时，要选择耐高温、抗腐蚀、 防粉尘和具有温度补偿的油井监控设