基于LabVIEW的稠油蒸汽相对渗透率测控平台的构建

王 胜 曲岩涛 韩春萍

(胜利油田地质科学研究院 山东东营)

基于LabVIEW的稠油蒸汽相对渗透率测控平台的构建

王 胜 曲岩涛 韩春萍

(胜利油田地质科学研究院 山东东营)

介绍基于LabVIEW软件开发平台的稠油高温蒸汽相渗实验系统测控软件的原理,以及系统软件与硬件的构成和工作过程。软件系统集成了自动控制、数据采集、数据分析处理和记录等几大功能模块。通过计算机的多个通信端口,建立计算机与各实验设备的数据通信。在应用过程中,同时实现高温实验环境中的温度和压力等试验数据的实时采集。程序对采集到的数据进行滤波分析后,在计算机上显示和储存,并通过计算机输出板卡输出,以实现对控制阀门的实时自动调节。强大的软件和良好的人机界面提高了试验系统的自动化程度和可靠性。实际应用表明,该系统具有测量与控制精度高,自动化程度高,工作稳定可靠等特点。

LabVIEW;自动控制;数据采集;稠油蒸汽驱;相对渗透率

0 引 言

储层流体渗流规律的研究对油藏合理开发起着至关重要的作用。对于稠油油藏来说,其渗流规律研究的相关资料相对较少,尤其是在蒸汽驱、驱油剂辅助热水驱过程中,两相流体的渗流规律及驱油机理方面的研究更少,其主要原因是室内实验设备的局限性和实验条件的苛刻所造成的。对于稠油热采室内实验研究手段来说,设备的耐温性及高温条件下系统的稳定性是影响实验成功与否的重要因素[1]。通常情况下,蒸汽驱实验温度为300℃～350℃,饱和蒸汽压在8.583 MPa～16.521 MPa,在这样苛刻的实验条件下要保证实验过程中蒸汽相态和系统压力的稳定性是一大难题,同时高温环境下最高程度的自动化将大大降低人为操作所带来的系统误差,并且避免操作人员被高温烫伤的安全隐患,SLCY-1型稠油蒸汽相渗测控平台从流程设计、自动控制、数据采集等方面很好地解决了实验过程中所遇到的难题,为稠油蒸汽驱渗流规律研究提供可靠的实验数据,同时为同类设备的研制提供参考依据。

1 设计原则

该系统是基于LabVIEW的稠油蒸汽相渗测控平台构建的数据采集系统,主要工作是实现蒸汽相渗实验过程中环境温度、注入速度、系统绝压、模型两端差压及出口回压的控制及相应数据的实时采集,数据通过NI6220的外接口传输到工控机并完成数据的记录处理,并在显示器上绘制曲线。与传统仪器一样,虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析处理、结果表达三大功能模块。本文选择基于数据采集系统上的虚拟仪器系统组建方案,通过A/D转换将模拟信号采集到计算机进行分析、处理、显示等,并通过D/A转换实现反馈控制[2],系统结构如图1所示。

图1 虚拟仪器整体系统结构

2 系统功能及硬件实现

该系统是针对稠油在高温条件进行两相渗流规律,特别是稠油/蒸汽相渗、稠油/热水相渗及管式驱油效率实验而设计,其功能主要是实现自动控制、自动计量和自动保护,做到运行安全,实验条件控制精确,采集数据准确和计算结果合理。为了实现以上功能,首先要做好流程的合理设计和自动控制方式。该流程主要由注入系统、岩心夹持系统、温度压力控制系统、回压控制系统、出口计量及数据采集系统组成,其结构示意图如图2所示。

图2 蒸汽驱相渗实验流程简图

考虑到该设备的高温运行环境及差压采集精度的较高要求,测控平台搭建过程中相应硬件的型号及技术参数的选择必须能够适应整体指标的要求,同时各硬件之间合理有机组合提高整体技术指标,测控平台硬件组成主要包括以下几个方面:

(1)差压变送器 采用罗斯蒙特1151HP高静压差压变送器,变送输出4 mA～20 mA电流,可耐24 MPa的绝对压力。三个不同量程的差压变送器并联且具有选择性开关功能提高了实验过程中差压数据采集的准确性。

(2)绝压变送器 采用上海天沐公司生产的NSI1型压力变送器,该传感器和放大电路高度集成,无需调整电路零点和增益;并且变送输出4 mA～20 mA电流,方便与其他设备连接。

(3)温度变送器 选用可直接变送输出4 mA～20 mA的温度变送器。

(4)数显模块 采用天沐公司的NS-Y B04测量显示控制仪,可输入多种模拟信号,为各个传感器提供24 V馈电,并转化为0～5 V电压值与数据采集卡连接。

(5)电子天平 选用德国赛多利斯BS224S型电子天平,量程224 g,精度0.000 1 g,采用串口与工控机通讯。

(6)差压计控制部分 由于实验需要并联了三个不同量程的差压传感器,同时,根据实验过程中系统差压的变化要有选择性的开关,实现对硬件保护的同时保证采集数据的准确性,因此选用气动阀进行差压传感器的选择与保护。气源的开闭通过24V电控换向阀完成,为了实现工控机间接控制该气源开关,采用控制电压为5 V的LDG固态继电器,并且性能稳定。

(7)数据采集部分 选用NI公司生产的“NI-6220”PCI数据采集卡,属于M系列的多功能DAQ采集卡,采样率为250 K Byte/s,可输入16路模拟信号,输出24路数字信号。

3 软件设计[3]

实验过程中的温度、绝对压力及模型两端的差压测量信号传输进入测量显示控制仪,转换为0～5 V的直流电压信号输送到NI6220的外接口板后被传输到工控机主程序,电子天平的测量信号通过串口直接输入工控机主程序。工控机主程序对所有输入的数据按程序设计进行分析处理、显示并保存。工控机主程序是在LabVIEW软件平台下编写而成。

为了便于以后使用中的功能扩展,软件结构按照模块化设计,并将各模块包含在一个“顺序结构”框中。

3.1 数据采集模块

数据采集模块分成两部分,一部分通过PCI数据采集卡进入工控机,而天平通过串口通讯进入工控机。通过数据采集卡进入工控机的信号,由于采用NI公司的产品,LabVIEW中已有该产品的库VI,故直接调用DAQ Assistant进行访问便可。由于实验时噪音很大,在一定程度上污染了传输中的信号,致使微弱的电压信号出现极大的干扰,所以在信号采集后进行软件滤波。通过两个一阶butterworth滤波器串联的方式对信号进行了充分滤波,滤波效果很好,完全消除了噪音的影响,效果如图3所示。

图3 加滤波器前后信号对比

加入滤波器后会造成数据采集的滞后现象,针对这一不利现象可采用适当提高采集卡的采样频率来抵消滤波器所带来的滞后现象。通过实验证实,该系统由于滤波器的介入产生了2 s左右的采样滞后时间,通过将数据采集卡的采样率从1 k提高到3 k后大大缩短了滞后时间。

3.2 差压传感器选择模块

三个不同量程(0～110 psi、0～400 psi、0～1 000 psi)的差压传感器并联在测试模型两端,系统启动之后控制模块为保护差压传感器不被损坏,最大量程的差压传感器处于常开状态,对于量程较小的两个传感器,根据模型两端差压值的预测进行选择性的开启。首先将三个差压值引入公式节点进行计算,输出当前模型两端的差压值,同时结合固态继电器的布尔量,对符合精度要求的差压传感器进行数据显示和采集。

3.3 主显示模块

该模块用来实时显示测控系统各个测量模块当前运行状态,包括模拟量的波形、开关量的状态、异常状态示警灯、控制程序执行状态指示灯、差压传感器选择性控制的气动阀开关状态及各个参数当前值的实时显示等。在这个模块中,LabVIEW形象化的图形设计使得整个实验流程和运行状态清晰地显示在用户面前,如图4所示。

图4 主显示模块前面板

有关测量值的时间监控图像在“监控图像”下拉对话框中选择,选择后,相应的监控图像将会显示在主显示面板上;在不需要时,其将在主显示面板上隐藏。

3.4 数据保存模块

数据保存模块可以实时监测并保存实验温度、出口液质量、模型两端的绝对压力和差压值,在保存中生成各数据对应的时间和各项表头,并可根据用户需要改变存储周期,所有采集参数保存为“.xls”格式,方便用户读取数据和复现图像。

4 设计验证

该高温稠油蒸汽相对渗透率实验装置搭建成功以后,按照稠油蒸汽相对渗透率及驱油效率测定方法严格进行了大量高温相渗实验,验证了该测控系统的性能指标及应用效果[4],以胜利油田某稠油油藏两块岩心高温蒸汽相渗实验结果举例说明。实验温度分别为200℃和250℃,填砂模型渗透率分别为:3 840 md和4 930 md,驱替介质为高温蒸汽,出口回压分别为1.6 MPa和4.0 MPa。通过对实验采集数据进行相应软件处理得到相应的稠油蒸汽相渗曲线如图5所示。

图5 稠油高温蒸汽相渗曲线

应用过程表明,该套设备及测控系统完全实现了预期设计的技术指标。最高耐温400℃,最高工作压力30 MPa,实现了全自动控制与数据采集功能,数据存取方便,分析结果合理。该套设备已经为中石化重大先导试验“孤岛中二北Ng5稠油油藏化学蒸汽驱”项目开展了大量室内实验,研究了化学蒸汽驱渗流规律和驱油效率,为数值模拟提供了可靠的物模基础数据,为胜利油田稠油油藏化学蒸汽驱开发提供了室内研究的设备保障和技术支持。

5 结束语

基于LabVIEW的稠油蒸汽相渗测控平台的成功使用解决了过去在高温条件下蒸汽驱稠油渗流规律及驱油效率室内实验难以实现的问题,同时,该测控平台的设计实现了差压传感器随模型两端实际压差大小来自动选择的功能,改变了传统设备单一量程较大的差压传感器以满足更为广泛的模型测试,大大提高了测试精度。另外,图形式的程序设计使用灵活方便,可根据需要随时进行改动和调整,充分利用了微机资源,使测试数据尽可能多地保存在数据文件里,从而能够将实验过程中因测试人员的离开而没有观察到的实验现象能在后期数据和图示中显示出来,为后期实验数据的分析提供尽可能多的数据信息。目前,本装置已投入实际应用之中,为油田稠油蒸汽驱室内实验提供相关实验数据。

[1] 赵仕俊,伊向艺,蒙传幼.我国岩心仪器发展面临的问题[J].石油仪器,2002,16(6)

[2] 孟武胜,朱剑波,等.基于LabVIEW数据采集系统的设计[J].电子测量技术,2008,31(11)

[3] 杨乐平,李海涛,赵 勇,等.LabVIEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社,2003

[4] 刘宝良.稠油油藏高温相对渗透率及驱油效率测定方法[J].石油天然气行业标准,SY/T6315-2006

TP273+.5

B

1004-9134(2010)02-0087-03

王 胜,男,工程师,1973年生,2009年长江大学油藏工程专业毕业,获硕士学位,现在胜利油田从事油气田开发实验研究工作。邮编:257015

2009-07-22 编辑:姜 婷)

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