井场平衡式连续自动加药系统设计

吴文秀，付晓庆，景望山

(长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023)①



井场平衡式连续自动加药系统设计

吴文秀，付晓庆，景望山

(长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 434023)①

摘要：目前，大多数油田的加药工艺存在加药频次低、药剂效果不均匀、人工成本高、劳动强度大等缺点。在目前油田数字化平台管理的基础上，设计井场智能加药系统。为验证井场平衡式连续自动加药系统的科学性与合理性，在室内试验的基础上进行了现场考核。井场平衡式连续自动加药系统采用新的工艺和控制系统，不需要工人值班，降低了工人的劳动强度，提高了加药精度，从而提高了油田生产效率以及管理水平。

关键词：井场；加药；自动化系统

目前，国内油田主要采用人工加药方式，即通过工人定期到油井现场投放药剂的方式实现清蜡剂、缓蚀剂等药剂的一次性投加，存在工人劳动强度大、人力成本高等问题[1]。部分油田采用以井口抽油机自身光杆上下运动为动力的井口机械自动加药装置，实现将安装在井口旁加药罐药剂的自动投加，结构较为复杂，维护难度大[2]。还有部分油田采用以高含水井压力作为动力的光杆自动加药装置，通过药剂射流器，抽取药剂和高含水井压力水一起混合后加入油套环空，存在适应性不强的缺点[3]。针对目前油井加药存在的问题，研制一套平衡式连续自动加药系统。该系统采用可编程控制器(PLC)为控制单元，自动检测输油管流量，根据流量及设定的加药量或者浓度值控制计量泵的加药量，并且设置多种故障报警功能，不需要工人值班，降低了工人的劳动强度，避免了原有加药装置不能随系统控制要求动态调节加药量带来的加药不足或加药过量的弊端，提高了加药精度，降低了生产成本，提升了管理水平。

1井场平衡式连续自动加药系统组成及原理

井场平衡式连续自动加药系统主要由现场设备和系统软件组成，现场设备主要包括一体化加药装置、气体管路、流体管路、专用接头等，系统软件主要由仪器控制软件、通讯接口软件、数字化平台组态软件组成。如图1所示。

图1　井场平衡式连续自动加药系统示意

该自动加药系统主要通过连接至各抽油机井口套管上的气路管线实现套管气压的平衡，液路管线实现药剂的投加。加药装置的加药量、药剂储量、管路阀门开闭等信息通过通讯线缆传输至井场数字化RTU箱内的交换机上，数据通过连接在交换机上的无线网桥和光纤传输至接转站、作业区、采油厂的数字化平台。平台上可以监测各井场的加药情况，并进行加药量的远程调配。现场加药装置结构如图2～3所示。

图2　自动加药装置结构

图3　自动加药装置管线布置简图

2工艺流程

油井自动加药系统的工艺流程为：通过缓慢打开加药漏斗阀，放尽加药包内的气体，将准备好的药剂缓慢倒入加药包内，当药剂量达到指定量(液位计)后关闭加药漏斗阀。打开平衡阀，待油套管环形空间及加药包压力平衡后，缓慢打开下流阀，药剂靠自重流入油套管环形空间，当加药量达到设定值时关闭下流阀与平衡阀，最后打开加药漏斗阀进行放空。为满足自动加药的目的，通过加装RTU控制器、电磁阀、安全阀、磁翻板液位计等自动化仪器和设备，配套大容积防腐加药箱和管线，以实现油井加药量的设置及自动连续加药过程的完成。其中，RTU控制器通过中间继电器控制电磁阀岛动作，按照程序流程设计分别选择气路和液路的通断，从而实现气压平衡和重力加药。电磁阀岛和RTU控制器的工作电源选用直流24 V，通过开关电源来实现井场交流380 V电源到直流24 V电压的换转。安全阀设计自动开启压力为系统最大承压的75%，在井口套压过高时快速泄压以避免事故的发生。

3自动加药系统的软件设计

鉴于该自动加药系统主要控制的是电磁阀的通断与加药时间，结合现在油田数字化与无人值守的新要求，拟定上位机软件主要用于欲加药油井的选择与单井加药量的监控，而现场PLC主要执行对电磁阀与加药时间的具体控制的方案，上位机与现场的通迅借助无线设备与通讯软件完成。其软件设计流程如图4所示。

当用户点击开始按钮时，通讯测试即开始，然后开始选择欲加药的油井，开启进气管线，进而开启加药电磁阀开始加药，到达设置的时间后停止加药，最后关闭加药箱阀。油井自动加药系统的数据采集利用的是西门子S7-200PLC，通过通讯接口将自动加药装置的数据传送至上位机中，同时接受来自上位机的控制，对加药现场实现远程监控[4]。自动加药系统的上位机主要包括以下几个功能：

图4　软件流程图

1)显示。上位机软件采用KingView6.53开发。在该监控画面中，用户可以对自动加药系统的相关数据进行设置及实时监控。此外，该系统还兼备PID自动调节功能，能够根据加药系统反馈回来的数据来实现自动调节加药量[5]。图5所示为自动加药系统的监控画面，较为直观地显示了自动加药系统的组成及各设备的工作状态。

图5　自动加药系统的监控画面

2)报警。报警主要分为过程变量报警和系统诊断报警，无论是过程变量报警还是系统诊断报警发生时，都会在操作员现行操作的画面上给予声、光报警提示。并且对系统中所有的报警均进行记录、存储；并且可以打印报警报表，打印结果包括报警的位号、报警数值、发生日期、时间等[6]。

3)记录打印。系统通过连接打印机，可实现报警报表和过程数据报表的打印。根据用户需要在组态时所编制的各类报表(如：过程数据定时监测报表、操作综述报表、各类联机记录报表、报警报表等)都能在打印机上输出。

4应用效果

为验证井场平衡式连续自动加药系统的科学性与合理性，在室内试验的基础上对所设计的系统进行了现场考核，目前试运行累计已达12个月，共进行了4口井的加药实践。结果表明：

1)该系统运行稳定可靠，试运行期间未出现任何技术问题，雨雪天气下通讯畅通，信息传达及时。

2)加药量控制准确，有效克服了人工加药广泛存在的加药不足或过量、工人劳动强度大等问题，提高了管理水平，降低了生产成本。

3)较之计量泵等加压注入药剂的方式，该系统具有不受井口自身套压影响，免维护周期长等优势。

4)长期对井筒进行智能连续加药减少了药品的浪费，有效地缓解了井筒结蜡现状，降低了油井负载，减小了载荷变化对油井的影响，延长了油井生产时间。

5结论

1)采用以PLC为核心的井场平衡式连续加药方案，有利于提高加药精度、降低生产成本。

2)数据通过连接在交换机上的无线网桥和光纤传输至现场，不受环境因素的限制，抗干扰能力强，远程调控及时迅速，借助无线网桥与光纤传输技术实现远程调控是未来在线监控技术发展的趋势之一。

3)该系统采用模块组态技术，能直观显示各设备的工作状态，发现问题及时，维修方便。

参考文献：

[1]吴文秀.抽油杆拉拔机自动监控系统研制[J].石油机械，2007(4)：47-48.

[2]吴文秀，邹必昌，唐桃波.油管试压自动监控系统设计[J].石油机械，2007(8)：32-33.

[3]刘扬，狄连成.油井加药装置的研制与应用[J].石油矿场机械，1999，28(3)：1-3.

[4]何素娟，陈圣乾，赵大伟.L80油管腐蚀失效原因分析[J].石油矿场机械，2011，40(6)：21-25.

[5]张洪山.重力式泵下药剂滴注装置研制与应用[J].石油矿场机械，2010，39(11)：78-79.

[6]李光前.电控机械找堵水工艺技术研究[J].石油矿场机械，2010，39(5)：43-45.

Design of Well Balanced Type Continuous Automatic Dosing System

WU Wenxiu，FU Xiaoqing，JING Wangshan

(CollegeofMechanicalEngineering，YangtzeUniversity，Jingzhou434023，China)

Abstract：At present，disadvantages of low frequency of dosing exist in most of the oil fields of the dosing process，and drug effect is not uniform，high labor costs，labor intensity large.In the current oil based digital platform management，site design intelligent dosing system.To verify the well-site balance type continuous automatic dosing system of science and rationality，in the indoor test based on were on-site assessment.Well-site balance type continuous automatic dosing system using new technology and control system，does not require workers on duty，reduce the labor intensity of workers and improve the accuracy of dosing，thereby improving the production efficiency and management level of oil field.

Keywords：well site；drugging；automatic system

中图分类号：TE934.3

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.02.014

作者简介：吴文秀(1965-)，男，湖北天门人，教授，2009年毕业于北京科技大学车辆工程专业，现从事石油机械测控与结构仿真技术研究，E-mail：wuwenxiu22@163.com。

收稿日期：①201509-09

文章编号：1001-3482(2016)02-0064-03