基于掺水流量与压力信号的稠油开采防堵预警系统

仉志华，张洪崎，李浩光，肖 坤

（1.中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东东营257061；2.中国石化股份胜利油田分公司胜利采油厂，山东东营257506） ①

基于掺水流量与压力信号的稠油开采防堵预警系统

仉志华1，张洪崎2，李浩光1，肖 坤2

（1.中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东东营257061；2.中国石化股份胜利油田分公司胜利采油厂，山东东营257506）①

针对稠油开采过程中易出现的井堵问题，结合空心杆掺水稠油开采工艺，根据实时掺水流量和掺水压力作为井堵判断依据，基于PLC与单片机开发出经济型防堵预警系统。根据所选流量计脉冲信号输出特征设计展宽电路，利用普通IO口实现了高速脉冲计数功能；PLC根据实测瞬时流量与设定流量下限阈值比较，并结合掺水压力变化趋势自动判断井况；基于单片机系统利用GSM模块实现预警短信发送，将就地声光报警与远程短信息报警有机结合。实践表明：该装置能够有效实现井堵预警功能，可有效保障稠油稳定开采。

井堵；稠油开采；可编程逻辑控制器；高速计数

与普通原油相比，稠油中的重质成分多、粘度大、相对密度大、流动系数小，在油藏条件下几乎不能流动；且在井筒和地面输送过程中，摩擦阻力大、粘度较大的稠油井不但不能自喷，而且抽油杆也不能顺利上下运动。目前，普遍采用掺水降粘和掺稀油降粘2项技术［1－2］，但在稠油开采过程中仍时常出现堵塞现象。一旦井堵，需要进行高压注水解堵作业，作业费用高昂，还会严重影响油田的正常生产。若能早期发现井堵趋势，及时采取注入降粘剂等措施，可大幅减小井堵带来的损失。由于井堵问题的发生为一渐进过程，期间会伴随着掺水量的不断下降及掺水压力的不断上升。但只有当值班人员定期

本文结合空心杆掺水稠油开采工艺，提出了一种经济型防堵预警系统实现方案，通过实时跟踪各井掺水量以及掺水压力的变化，自动判断工作状态，及时发现井堵趋势，并将就地声光报警与远程短信息报警相结合，实现了预警信息的无缝输出。实践证明，该方法能够有效防止井堵问题的发生。

1 整体结构

空心杆降粘是掺水降粘和空心杆相结合，经过改造而适用于稠油生产的一种降粘工艺，克服了掺水量不易调配、掺水回渗和掺水热损失大的缺点［3－4］。

稠油开采井组平台通常由5～10口井组成，每口井的掺水量和掺水压力由注水间内流量计和压力表单独计量，流量计本身具有脉冲输出信号，压力表具有4～20mA电流信号输出。通过集中实时监测各口井的瞬时流量与压力，与设定的阈值相比较，即可判断出其工作状态。本系统整体框图如图1所示，基于可编程逻辑控制器（PLC）实现流量脉冲计数、压力测量、工作状态自动判断等功能；触摸屏实现实时流量与压力显示、相关参数设置以及设备管理等功能；除就地声光报警之外，报警信息还可通过工业无线数据远传模块，以短信息的形式发送到相关值班人员手机中，从而保证井堵预警信息发出的时效性。

图1 稠油开采防堵预警系统框图

2 实现原理

2.1 脉冲信号展宽调理电路设计

现场所选仪表量程通常为6m3／h，所配脉冲输出接口为仪表厂家提供的通用接口。该接口是按照其产品系列的最大测量量程来确定相关参数，脉冲宽度较小，约为4ms，而掺水环节所选仪表即使满量程运行时脉冲数量也较少、周期也较长。

对于脉冲宽度为4ms的信号，只能采用PLC高速计数模块才能满足要求，否则将会出现脉冲丢失，无法准确反映实际流量［5］。为保证系统的经济性，根据流量脉冲信号周期长、宽度小的特点，基于单稳触发器74LS122设计了脉冲展宽电路，如图2所示，将原有4ms的脉冲宽度展宽至20ms，完全可以采用普通I／O实现10路脉冲计数，替代多路高速计数模块。展宽前后的脉冲对比如图3所示。

图2 脉冲展宽电路

图3 脉冲展宽前后对比

2.2 主机系统设计

主机系统基于科威PLC与威纶通触摸屏，基于上述展宽调理后的脉冲信号能够满足该PLC普通IO捕捉要求。对于压力信号，直接选用科威模拟量4～20mA电流信号测量扩展单元。

由于生产过程中井下液位波动等原因会导致掺水量也会随之变化，而发生井堵时为一渐进的过程，需要一定的时间（通常以小时为单位）。为有效剔除波动性带来的干扰、增强报警可靠性，PLC将累计30s的计量数据与设定值相比较，由此判断运行状态。各路流量阈值通过触摸屏设定，并写入PLC具有保持功能的寄存器，以保证每次启动时自动读入最新设定值。一旦发现流量过低或者掺水压力过高后，便可判断该井具有井堵的趋势，进行就地声光报警，提醒值班人员进行现场操作，并通过触摸屏将报警解除；同时启动短信息控制平台，若在3min之内没有人为解除报警，将把报警信息以短信方式自动发送至相关人员手机中。监控系统流程如图4所示。

图4 监控系统流程

图4监控流程中把流量和压力信号作为互为备用的方式判断井况，主要是防止现场仪表损坏、临时拆除校验等情况下导致的漏报问题。为有效避免误报可以将二者采用“与”的关系予以处理，只有当压力增加且流量减小时，才诊断为井堵，尽管该方法增加了可靠性，但不能消除现场仪表校对、损坏等可能会带来的漏报问题，故该系统中采用了前者。

2.3 短信控制平台设计

短信息控制平台是基于89C52单片机与TC35GSM模块［6］而设计。为防止正常运行时因受干扰等原因导致误发信息，并避免垃圾短信等影响，在没有报警信息时，PLC直接通过输出口O01控制其复位端，有报警信息时才启动其工作，O02输出与O01输出电平正好相反，主要为控制逻辑简单。短信息控制平台启动后，通过3min延时，确保值班房内有人值班情况下，不必短信通知，只有在3min之内没有解决警报，即没有及时处理时才短信通知相关人员，实现了就地报警与远程报警的有机结合，有效保证了系统运行的经济性。

3 功能与特点

1） 正常工作时，显示各口井的瞬时流量、压力及工作状态。

2） 当流量出现下降或者压力上升时报警器自动提示报警，并显示井号。

3） 可通过触摸屏灵活设定各口井掺水量的下限报警值。

4） 可通过触摸屏设定各口井监控的投入与退出。

5） 具有报警记录查询功能，可随时查询报警的时间及井号。

6） 报警信息能够自动远传至相关人员手机中。

7） 各路相互独立，可灵活配置和功能扩展。

4 结论

1） 基于PLC和单片机双CPU系统开发了经济型防堵预警系统，利用掺水流量和掺水压力信号变化趋势综合判断井堵趋势。

2） 针对所选流量计脉冲信号输出特征，通过对其进行展宽，利用PLC所带的普通IO口实现高速脉冲计数功能，替代了多路高速计数模块。

3） 该系统将掺水流量与掺水压力相结合，有效杜绝了井堵漏报问题；同时将就地报警与短信息报警有机结合，保证了信息传输的经济性。

4） 该装置已成功应用于胜利油田胜利采油厂稠油热采区。系统稳定运行半年多来，多次监测到井堵趋势并准确发出预警信息，有效避免了井堵问题的发生，有力保障了油田的稳定生产。

［1］ 张鸿文.稠油空心杆掺水降粘技术试验及应用［J］.特种油气藏，2004，11（1）：82－85.

［2］ 常方瑞，黄 煦.空心杆掺水技术在孤东油田的应用［J］.石油地质与工程，2007，21（6）：91－92，96.

［3］ 杨法仁，张有天，王 峰，等.热采桥塞堵水验封管柱的创新与应用［J］.石油矿场机械，2009，38（3）：91－94.

［4］ 袁 美，韩 鹏，张俊霞，等.泵上掺水降粘工艺在零散稠油开采中的应用［J］.石油矿场机械，2005，34（5）：86－88.

［5］ 钟肇新.可编程控制器原理及应用［M］.广州：华南理工大学出版社，2000.

［6］ 吴飞青，李林功，马修水.TC35i在温室环境信息监控中的应用［J］.自动化仪表，2008，29（8）：41－43.

Pre－warning System for Jam during Exploitation of Thickened Oil Based on Flow and Pressure Signal of Water Down

ZHANG Zhi－hua1，ZHANG Hong－qi2，LI Hao－guang1，XIAO Kun2
（1.College of Information and Control Engineering，China University of Petroleum（East China），Dongying257061，China；2.Shengli Oil Production Plant，Shengli Oilfield，Dongying257506，China）

To deal with jam during exploitation of thickened oil，an early warning system with PLC and SCM is present，based on the changing characteristic of the injecting water flow and pressure.A circuit was designed to broaden the pulse signal of water flow in order that the general IO of PLC could count the pulse quantity on the basis of pulse signal characteristic.The PLC could judge the running state of the exploitation，by comparing the monitored signal with the setting threshold.And the warning information could be sent out by GSM controlled by the SCM.The warning model of sound－light and GSM is dynamic integrated.The onsite running result proves its validity.

jam of exploitation；exploitation of thickened oil；PLC；high speed count

1001－3482（2011）12－0089－04

TE934

B

2011－06－22

仉志华（1977－），男，山东德州人，讲师，主要从事配电网保护与控制、油田自动化设备的研究与开发工作，E－mail：zzh－upc＠163.com。巡检时才能发现，难以确保及时发现井堵。因此，亟待开发防堵自动预警系统。