油田自动化系统中油井监控技术

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,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),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,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,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。

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。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。

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。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)

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,对电潜泵油井进行远程监测。

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。

图4为抽油机油井监控的P、ID图。抽油机监控系统是由变送器、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。

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MTU,MTU

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和地面安全阀、油井地面安全控制系统和井场RTU

组成。

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,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)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备。

在设计油井监控系统时,应当注意到与自动化系统软件的结合。通常油井