CN104863545B - 油井清蜡降粘装置 - Google Patents

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CN104863545B CN201510260300.8A CN201510260300A CN104863545B CN 104863545 B CN104863545 B CN 104863545B CN 201510260300 A CN201510260300 A CN 201510260300A CN 104863545 B CN104863545 B CN 104863545B
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Daqing Tianhong Electrical Heating Equipment Co Ltd
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    • E21—EARTH DRILLING; MINING
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    • E21B36/00—Heating, cooling, insulating arrangements for boreholes or wells, e.g. for use in permafrost zones
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Abstract

一种油井清蜡降粘装置。主要目的在于提供一种具有较好节能效果和清蜡降粘作用的井下电加热装置。其特征在于：由具有若干电压输出档位的变压器、电发热体、传感体、可编程序控制器、光纤测温模块、中间继电器、变压器档位切换接触器、功率调节模块、井口温度变送器、模拟量I/O扩展模块以及与所述电发热体相配合的控制电路和供电电路构成；井口温度变送器将采集到的井口温度信号输入到可编程序控制器；可编程序控制器控制变压器的输出档位和功率调节模块的输出功率；电发热体由变压器提供工作电压，由功率调节模块控制输出功率；所述传感体为光纤，通过光纤接入口与所述光纤测温模块连接以实现向光纤测温模块提供井下的温度数据。

Description

油井清蜡降粘装置
技术领域：
本发明涉及一种应用于油井开采过程中用于解决稠油清蜡和降粘问题的装置。
背景技术：
在采油领域中，高含水稠油(或结蜡)井易卡泵的问题一直制约着稠油(或结蜡)井的生产时效。为了解决这一问题，有人曾经使用井下电加热的方法用于此领域。由于井下作业的恶劣环境，所以要求方案能够满足耐腐蚀、耐高压强度、耐高温且介电强度高等要求。由于现有的方案使用的是恒功率的电加热结构，且系统控制方法过于简单，所以会造成能源的浪费：①现有方法是将发热体的输出功率设定为原油最大的散热功率来保证不结蜡，而忽略了地层温度梯度变化带来的对电加热功率需求变化的影响；②现有的控制方式一般是测量井口的温度，该方法虽然直观、简便，但是存在诸多的问题，如温度多为人工设定，无法及时根据生产情况的变化来修正设定值，为了满足需求通常将设定值设定的偏大等问题，这些都会造成能源的浪费。随着国家提出节能减排的号召，因此，亟需一种高效、节能的解决方案。
发明内容：
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种油井清蜡降粘装置，该种装置由电加热部分和可实现自动调整电加热输出功率的控制部分两部分组成，使其中的电发热体功率呈现梯度变化，可以在满足实际需要的同时，避免能量的浪费。
本发明的技术方案是：该种油井清蜡降粘装置，由具有若干电压输出档位的变压器、电发热体、传感体、可编程序控制器、远程PC主机、光纤测温模块、远程透传模块、中间继电器、变压器档位切换接触器、功率调节模块、井口温度变送器、模拟量I/O扩展模块以及与所述电发热体相配合的控制电路和供电电路构成；
所述可编程序控制器、光纤测温模块及远程透传模块通过RS-485端口搭建MODBUS数据总线网络，所述可编程序控制器是该网络的主机；所述可编程序控制器的一部分I/O端口作为离散量输入端口与控制按钮相连，另一部分I/O口端口作为离散量输出端口与所述中间继电器的触发信号输入端相连，用来实现所述可编程序控制器控制所述变压器的对应变压器档位切换接触器工作；所述可编程序控制器的CANopen端口外接模拟量I/O扩展模块，用于4～20mA模拟量的输入及输出；所述井口温度变送器的采样信号输出端连接至所述模拟量I/O扩展模块的采样信号输入端，用来实现将采集到的井口温度信号输入到所述可编程序控制器的CANopen端；所述功率调节模块的控制信号输入端连接至所述模拟量I/O扩展模块的控制信号输出端，用来实现所述可编程序控制器控制所述功率调节模块的输出功率；
所述远程PC主机通过GPRS或3G数据链路与所述远程透传模块实现双向数据流传送；
其中，所述电发热体采用三相芯线结构，由所述变压器提供工作电压，由所述功率调节模块控制输出功率；所述传感体采用光纤制成，通过光纤接入口与所述光纤测温模块连接以实现向光纤测温模块提供井下的温度数据；
所述可编程序控制器内置有程序，可实现如下功能：
功能1，读取所述光纤测温模块采集到的温度数据到内部存储器建立数组，继而得到温度梯度的过程量及其变化量，与其设定值相比较并计算后得到变压器的合理档位，之后输出离散控制信号控制对应变压器档位的中间继电器接通，完成对应变压器档位的切换接触器接通，从而实现调整所述电发热体供电电源的输出功率；
功能2，读取所述井口温度变送器采集到的温度数据到内部存储器建立数组，继而得到温度的过程量及其变化量，与其设定值相比较并计算后得到所述功率调节模块的合理功率输出控制电流，从而实现调整所述电发热体的负载输出功率。
本发明具有如下有益效果：采取上述方案的油井清蜡降粘装置，其中的发热体功率可实现梯度变化，可以在满足实际需要的同时，避免能量的浪费。除此之外，由于井口的出液温度与诸多因素有关，如流量，井口油压，井口套压，脱气量等有着直接或间接的关系，所以现有的检测井口温度这一过程量很容易出现超调且难以自动整定的问题。在诸多影响中脱气量不易实现在线直接检测，且是井口温度变化的主要影响因素，因此，需要一种相关的检测办法。本方案是根据原油脱气过程会带走大量的热量，从而会影响原有井筒的温度场(梯度)这一内因，从而将脱气量的大小转换为对井筒温度场改变的大小，监测量由脱气量变为井筒温度梯度变化率，从而实现对其进行在线监测。本方案同时监测井口温度(对应流量改变这一内因)及井筒温度梯度(对应脱气量改变这一内因)，而脱气量的改变是温度变化的主要因素，因此，井筒温度梯度具有优先权，当两个过程变量同时发生变化时，优先沿着井筒温温度梯度这一路径切换控制状态。本方案针对井口温度及井筒温度场的变化，所需求的电加热功率不同而分别采取不同的应对策略。由于流量的变化一般的波动范围不大，且影响缓慢，因此，所以对于电加热功率的需求也是微小调节，因此通过改变在小范围内调节负载电压的办法来对电加热功率进行微调。脱气量的变化，通常来说对电加热功率的需求较大，且需求量迅速增加，因此通过改变电源输出功率来对电加热功率进行大而快的响应。预埋在井下的传感光纤，可在控制部分中实现对温度梯度的监测进而监测油井的脱气率，通过控制柜可以完成对相关参数的自整定，在节能的基础上，可以最大限度的发挥其使用效果，这样就使得油井高效清蜡降粘装置更加系统化、智能化和人性化，可以更好的满足高端客户的定制要求。
附图说明：
图1是本发明的组成结构示意图。
图2是本发明所涉及到的电发热体和传感体的结构示意图。
图3是本发明芯线连接件的外观与剖面示意图。
图4是本发明芯线连接件的使用方法示意图。
图5是本发明控制系统状态流程图
图6是与本发明所述电加热体相配合的控制电路和供电电路的电路原理图。
图7是本发明所述可编程序控制器的控制程序流程图。
图8是本发明所述远程PC的控制程序流程图。
图中1-芯线、2-芯线护套、3-芯线并护套、4-并护套、5-不锈钢护套、6-传感光纤、7-玻纤护套、8-光纤外护套、9-尾端接线盒、10-芯线引入口、11-焊料导引槽、12-焊料滴入槽、13-芯线连接件、14-芯线对接焊点。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
由图1至图6所示，该种油井清蜡降粘装置，由具有若干电压输出档位的变压器、电发热体、传感体、可编程序控制器、远程PC主机、光纤测温模块、远程透传模块、中间继电器、变压器档位切换接触器、功率调节模块、井口温度变送器、模拟量I/O扩展模块以及与所述电发热体相配合的控制电路和供电电路构成；
所述可编程序控制器、光纤测温模块及远程透传模块通过RS-485端口搭建MODBUS数据总线网络，所述可编程序控制器是该网络的主机；所述可编程序控制器的一部分I/O端口作为离散量输入端口与控制按钮相连，另一部分I/O口端口作为离散量输出端口与所述中间继电器的触发信号输入端相连，用来实现所述可编程序控制器控制所述变压器的对应变压器档位切换接触器工作；所述可编程序控制器的CANopen端口外接模拟量I/O扩展模块，用于4～20mA模拟量的输入及输出；所述井口温度变送器的采样信号输出端连接至所述模拟量I/O扩展模块的采样信号输入端，用来实现将采集到的井口温度信号输入到所述可编程序控制器的CANopen端；所述功率调节模块的控制信号输入端连接至所述模拟量I/O扩展模块的控制信号输出端，用来实现所述可编程序控制器控制所述功率调节模块的输出功率；
所述远程PC主机通过GPRS或3G数据链路与所述远程透传模块实现双向数据流传送；
其中，所述电发热体采用三相芯线结构，由所述变压器提供工作电压，由所述功率调节模块控制输出功率；所述传感体采用光纤制成，通过光纤接入口与所述光纤测温模块连接以实现向光纤测温模块提供井下的温度数据；
所述可编程序控制器内置有程序，可实现如下功能：
功能1，读取所述光纤测温模块采集到的温度数据到内部存储器建立数组，继而得到温度梯度的过程量及其变化量，与其设定值相比较并计算后得到变压器的合理档位，之后输出离散控制信号控制对应变压器档位的中间继电器接通，完成对应变压器档位的切换接触器接通，从而实现调整所述电发热体供电电源的输出功率；
功能2，读取所述井口温度变送器采集到的温度数据到内部存储器建立数组，继而得到温度的过程量及其变化量，与其设定值相比较并计算后得到所述功率调节模块的合理功率输出控制电流，从而实现调整所述电发热体的负载输出功率。
如图2所示，传感体由传感光纤6、玻纤护套7及光纤外护套8组成。其中传感光纤6是首端和末端均引入系统进行分析提高了测量的精度；玻纤护套7为玻璃纤维丝编织结构，可以有效防止在挤塑光纤外护套8时因张力过大而导致传感光纤6的损伤。尾端接线盒10的护罩与不锈钢护套5进行机械连接。电发热体如图2，结合图3、图4所示，由若干段具有掺杂不同金属组分的铜基合金线顺次连接后构成，所述掺杂不同金属组分的铜基合金线按照如下方式选取：
地层深度为L处的电发热体芯线的加热功率如公式[1]所示进行计算；
把地温梯度代入公式[1]计算对应的电加热功率梯度(例如W1,W2,W3,…Wn)，进而得到电加热部分的芯线电阻梯度(例如R1,R2,R3,…Rn)，计算出电阻梯度的比例(例如：R1:R2:R3:…Rn＝n1:n2:n3:…nn)，确定边界值(例如：R1＝Ω，则比例因子为k＝Ω/n1),计算出其余的电阻值(例如：R2＝k n2，R3＝k n3，…Rn＝k nn)；R1一般取值为纯铜；
W L = 2 π λ PF K 1 K 2 ( T PF - T GL ) ln ( ( Φ D + 2 × ( Φ T - Φ O ) ) / Φ O ) . . . [ 1 ]
其中：
WL………………深度为L处的加热功率，单位：W/m
K1………………管道材料修正系数
K2………………脱气量修正系数
λPF………………温度为TPF时，环形空间导热系数，单位：W/m·K
TPF………………结蜡温度，单位：K
TGL………………深度为L处的地层温度，单位：K
ΦD………………电加热部分的外径，单位：mm
ΦT………………套管内径，单位：mm
ΦO………………油管外径，单位：mm
按照计算得出的电发热体芯线的加热功率选取掺杂不同金属组分的铜基合金线之后顺次连接使其呈现梯度变化来拟合地温梯度变化。由于合金的基础材料都是铜，所以可以用对接焊机形成芯线对接焊点14。为了保证芯线的耐氧化特性，在焊点外通过芯线连接件13进行保护：通过焊料滴入槽12滴入的焊料，在焊料导引槽11的作用下，使其包裹在芯线对接焊点14的外部，形成一层抗氧化镀层，此外还可以减少芯线对接点的接触电阻。
例如：某采油厂的析蜡温度为35℃，其地温梯度为5℃/100m。因此，合理的下井深度为450～500m。经过理论计算，维持介质温度为40℃时，其耗散功率梯度为5～8W/100m。设计时考虑到余量，功率梯度取10W/100m。以下井深度450m为例，分三个区间段，以150m为界，下层为15W/m、中层为30W/m、上层为45W/m，进而得出其芯线电阻的比例为1:2:3，取下层为纯铜导线CuNi0(电阻率0.0175μΩ·m)，中层为CuNi1(电阻率0.0325μΩ·m)，上层为CuNi2(电阻率0.0515μΩ·m)。
本方案将发热体中的芯线由一种的铜导线，变为几种铜基合金线，通过改变掺杂金属的组分来使其发热功率能够满足设计值要求呈现梯度变化，以此来最大限度的拟合实际需要，节约能源。
如图7所示，所述可编程序控制器实现其功能1是按照如下步骤来完成的：
首先，PLC控制器完成初始化；包括①定时器1～2、计数器(TC)初始化；②建立相关存数单元：错误标志位(SysERR)、报警状态位(ALM)、井筒温度数组(T[])、井口温度数组(TW[])、温度梯度数组(TL[])；③装入系统设定值：SVTL、SVTDL、SVDTL、TSW、SVTW、SVTDW、SVDTW；建立相应内部变量：PVTL、PVTDL、PWD、PVTW、PVTDW、PWZ。初始化完成之后，对现场的控制系统进行检测，检测温控系统是否正常，若发现系统异常会及时发送信号(SysERR＝1；ALM＝1)给PC主机，当接收到PC主机发来的命令(ALM＝0)之后系统才能继续工作；
其次，根据设定的频次对温度数据进行查询和处理；读取光纤模块的温度数据到PLC的内部存储器的数组(T[])中，第一次循环时，对数据中的数据进行从后向前相邻的数据依次相减得到数组(dT[])，并将首位赋值为平均值；再次进行相同的循环操作得到数组(ddT[])，这样就得到了温度梯度的过程量(PVTL)及其变化量(PVTDL)；如果则需要修改电源输出功率(PWD)，按照如下步骤修改：①按公式[2]计算出过程量与设定量的差值PVDTL；②按公式[3]的比例系数计算基础系数FK；③按公式[4]计算出整定系数PVK；④若PVK≥1，则比例系数设为1，并且TC计数器加1；此外若PVK≤0.2，则说明系统一直工作在较低的档位，则TC计数器也会加1；⑤按公式[5]计算出变压器的档位；⑥为了消除调节滞后性影响，每次调节之后都要做一个时间延迟(TIM1溢出)后方能进行下一次调节；
PVDTL＝(PVTL+PVTDL)-(SVTL+SVTDL)………………[2]
FK＝(SVTL+SVTDL)/SVDTL……………………………[3]
PVK＝FK+PVDTL·(SVTL+SVTDL-SVDTL)/SVDTL………[4]
PWD＝INT(PVK·TSW)……………………………[5]
PVTL……………………井筒温度梯度过程量
PVTDL…………………井筒温度梯度变化过程量
SVTL……………………井筒温度梯度设定值
其中：SVTDL…………………井筒温度梯度变化设定值
SVDTL…………………调整比例系数
TSW…………………变压器当前最高档位,上位PC主机可修改
INT()………………取整函数
最后，检测系统的功率是否处于极值状态，这一状态为非正常状态，进入这一状态后，会一直检测处于该状态的时间，如果超过规定的时间TC计数器会溢出(TCOVF＝1；ALM＝1)会上PC主机报告，等待来自PC主机的命令(ALM＝0)后才能继续工作；
所述可编程序控制器实现其功能2是按照如下步骤来完成的：
读取一组温度变送器据到PLC的内部存储器的数组(TW[])中，第一次循环时，对数据中的数据进行从后向前相邻的数据依次相减得到数组(dTW[])，并将首位赋值为平均值；再次进行相同的循环操作得到数组(ddTW[])，这样就得到了井口温度的过程量(PVTW)及其变化量(PVTDW)；如果则需要修改负载输出功率(PWZ)：①按公式[10]计算出过程量与设定量的差值PVDTW；②按公式[11]的比例系数计算基础系数FW；③按公式[12]计算出整定系数PVW；④若PVW≥1，则比例系数设为1，并且TC计数器加1；⑤按公式[13]计算出功率调节模块的驱动电流；⑥为了消除调节滞后性影响，每次调节之后都要做一个时间延迟(TIM2溢出)后方能进行下一次调节；
PVDTW＝(PVTW+PVTDW)-(SVTW+SVTDW)………………[10]
FW＝(SVTW+SVTDW)/SVDTW……………………………[11]
PVW＝FW+PVDTW/SVDTW………………………………[12]
PWZ＝PVW·20………………………………………[13]
PVTW……………………井口温度过程量
PVTDW…………………井口温度变化过程量
其中：SVTW……………………井口温度设定值
SVTDW…………………井口温度设定值
SVDTW…………………调整比例系数
如图8所示，所述远程PC主机具有如下功能：
实时监测系统的几个关键的状态字，检测到系统状态字变化(ALM＝1，即来自PLC控制器的请求)时，接管控制系统；
PC主机接管后，首先要确定系统是否正常，当出现错误(SysERR＝1)报告时，系统会等待人工介入的复位；若系统正常，则读取当先系统所处的状态包括所有的过程变量的数值，查询请求时间窗内所有的温度梯度数值，在PC主机的内部存储器中建立数组(TL[])，对数据中的数据进行从后向前相邻的数据依次相减得到数组(dTL[])；然后对数组(dTL[])中的数据进行分析：①若数组(dTL[])的末端不为零(即dTL[m～n]≠0)，则说明实际情况正朝着不可预期的方向进行，因此需要发出系统错误警报，交由人工进行处理；②若数组(dTL[])中的数值为收敛的(即dTL[m～n]＝0)，则说明系统处于可控状态，通过修改参数可使系统恢复，按如下步骤进行：Ⅰ.数列dTL[i]＝0，且该元素的邻域内相邻元素为异号，则说明存在瞬时峰值，则将TL[i]＝0(排除瞬时值的干扰)；Ⅱ.对数列(dTL[])中的数值进行求和：若求和结果为正，则说明系统进入了一个较高稳态，则调整参数DTL按公式[6]取值；若求和结果为负，则说明系统进入了一个较低的稳态，则DTL按公式[7]取值；调整系数TK按公式[8]计算，进而按公式[9]得到当前变压器最高档位TSW值；Ⅲ.清除这一次的报警信号，发出外部初始化命令，让PLC控制器重新接管系统的控制权；
DTL＝MAX(TL[])…………………………………[6]
DTL＝MIN(TL[])…………………………………[7]
TK＝DTL/PWF……………………………………[8]
TSW＝INT(TK·10)…………………………………[9]
MAX()……………………取最大值函数
MIN()……………………取最小值函数
其中
PWF………………………变压器最大功率参量
INT()……………………取整函数
图5是本发明控制系统状态流程图。其可编程序控制器中的系统包含如下5个状态，即正常状态、异常状态、报警状态、修正负载输出功率状态及修正电源输出功率状态。系统开始时是处于正常运行状态下，系统的各项参数即设定井口温度(SVTW)，井口温度变化区间(SVTDW)，设定井筒温度梯度(SVTL)，井筒温度梯度变化区间(SVTDL)均设定完成；系统一直监测以上参数对应的过程量是否正常。一旦井筒温度梯度变化过程量超过设定值(SVTL±SVTDL)就说明此时油井的脱气量出现了变化，系统就转入了修正电源输出功率状态。在此状态下，系统通过修改电源输出功率(PWD)来直接的修正发热功率，来使得井筒温度梯度变化趋于正常值。此外，由于流量的原因会导致井口温度发生变化(由于脱气量变化也会导致井口温度变化，因此这一状态转化的优先级要低于井筒温度梯度变化)，一旦井口温度变化过程量超过设定值(SVTW±SVTDW)，说明流量的变化很大，系统就进入了修正负载输出功率状态(PWZ)，在此状态下，系统进行输出功率的微调，使井口温度趋于正常值。一旦，负载输出功率或电源输出功率达到极值时(极大值或极小值)，且持续时间过长(TC计数器溢出)，系统就会转入异常状态，进入异常状态时，此时，系统会根据历史数据的情况作出决策：①历史数据曲线拟合的结果是收敛的，且存在峰值。则说明可能是测量误差或者是暂时性的超过预期值，因此可以忽略这一次峰值；②历史数据曲线拟合的结果是收敛的，无峰值，有极限值，这说明实际情况将持续稳定的维持在这一状态，因此应该修设定参数(SVDTL)，使系统恢复正常。③历史数据曲线拟合的结果是发散的，说明实际情况的变化超过设计预期，因此需要进行人工干预。此时异常时间计数器开始计时，一旦计数器溢出将转入报警状态。进入报警状态后，系统会发出错误警报并关闭系统的功率输出，需要人工检查，排除故障后才能恢复到正常状态。
下面，给出本发明的一个具体实例：PLC控制器采用Schneider Electric(德国施耐德)的Twido一体型，光纤测温模块使用美国Agilent的KF2000，远程透传模块使用驿唐科技的MD-209G，上位PC主机使用兼容机，供电电源使用具有10组抽头的定制变压器，功率调节模块使用淄博凯隆的MJYS-QKJL-150，其他电器元件均按国标选用通用件。模拟量I/O扩展模块使用TM2AMM6HT，温度变送器使用特安智能温度变送器W4052。现场控制柜主要由PLC控制器，光纤测温模块及远程透传模块，其中PLC控制是核心，从PLC控制器来看，光纤测温模块实际上就是一个温度数据的存储器，远程透传模块实际上就是一个和上位机进行通讯的一个数据缓冲器；PLC控制器主要负责现场数据的采集分析和前端控制，PC主机负责数据存储及控制状态的转换等决策层面的控制。电路图如图6所示。图中元件分配表如表1-0所示。
序号 编号 名称 型号 数量
1 QF1 断路器 NSE-100N-80A 1
2 KM1～10,KM21～22 接触器 LC1-D8011/AC220V 12
3 TF1 变压器 定制型二次线圈10组抽头 1
4 FU1～3 快速熔断器 NGTC00/50A 3
5 KL1 功率调节模块 MJYS-QKJL-150 1
6 ZD1～10,ZD21～22 中间继电器 RXM2AB2BD 12V/220V 12
表1-0
设定井口温度(SVTW＝35.0)，井口温度变化区间(SVTDW＝2.0)，设定井筒温度梯度(SVTL＝5.0)，井筒温度梯度变化区间(SVTDL＝0.5)，电源功率调节最大参量(SVDTL＝10)，负载功率调节最大参量(SVDTW＝50)，变压器档位上限参数(TSW＝5，最高为10)，功率上限参数(PWF＝8)。油井的正常情况下产液量为Qw＝1.0t/h±50％，油气比为GOR＝5％±5％，井筒温度梯度采样间距要求为100米，清蜡装置下井深度为1000米。在A～B时段，产油量变为Qw＝0.8t/h，油气比GOR＝5％；在B～C时段，产油量变为Qw＝1.0t/h，油气比变为GOR＝8％；在C～D时段，产油量变为Qw＝1.0t/h，油气比GOR＝20％；则本清蜡装置内各组成部分将按照如下的方式配合工作：
①在A～B时段内，PLC控制器读取的温度数据如表1-1所示；相关系统状态字变化如表1-2所示；相关过程变量如表1-3所示；
表1-1井口温度及井筒温度数据表
(0：井口，1000：井底)
表1-2相关系统状态字变化表
PSI TIM1_CR PZI TIM2_CR PWD PWZ
1 0 0 1 0 3 16.6
2 0 0 1 0 3 16.6
3 0 0 1 1 3 16.6
4 0 0 0 0 3 16.6
表1-3 相关过程变量表
PVTW PVTDW FW PVW
1 32.6 -0.1 0.74 0.09
2 32.9 0.1 0.74 0.08
3 33.4 0.1 0.74 0.07
4 33.9 0.1 0.74 0.06
PLC控制器检测到一个时间窗内检测到PVTL＝4.7；PVTDL＝0.0；井筒温度梯度变化在设定的区间[4.5,5.5]之内，而井口温度的过程变量PVTW＝32.6；PVTDW＝-0.1的变化已经超出了设定的区间[33,38]；因此系统进入负载功率调节状态，将系统状态字PZI＝1；经过计算将负载功率参数调整PWZ＝16.6，PLC控制器将PWZ中的数据通过模拟量I/O扩展模块输出16.6mA的电流驱动功率调节模块，来提高负载的输出功率；第二个时间窗口中PVTW＝32.9；PVTDW＝0.1，因为定时器没有溢出(TIM2_CR＝0)所以不做处理；第三个时间窗口中，定时器已经溢出(TIM2_CR＝1)，并且监测到PVTW＝33.4；PVTDW＝0.1已经在设定区间之内所以调整完成；第四个时间窗口中，相关状态字都已经复位，本轮负载功率调节已完成，系统恢复到正常状态。
②在B～C时段内，PLC控制器读取的温度数据如表2-1所示；相关系统状态字变化如表2-2所示；相关过程变量如表2-3所示；
表2-1 井口温度及井筒温度数据表
(0：井口，1000：井底)
表2-2 相关系统状态字变化表
PSI TIM1_CR PZI TIM2_CR PWD PWZ
1 1 0 0 0 4 16.6
2 1 0 0 0 4 16.6
3 1 1 0 0 4 16.6
4 0 0 0 0 4 16.6
表2-3 相关过程变量表
PVTL PVTDL FK PVK TSW
1 5.94 0.01 0.55 0.21 5.00
2 5.57 -0.01 0.55 0.03 5.00
3 5.50 0.00 0.55 0.00 5.00
4 5.43 -0.01 0.55 -0.04 5.00
PLC控制器检测到一个时间窗内检测到PVTL＝5.94；PVTDL＝0.01；井筒温度梯度不变化在设定的区间[4.5,5.5]之内；因此系统进入电源输出功率调节状态，将系统状态字PSI＝1；经过计算将电源输出功率PWD＝4，PLC控制器首先将I/O11、I/O12设为低电平，相当于关闭ZD21，ZD22中间继电器，由这两只中间继电器控制的接触器KM21，KM22相继断开，将变压器与负载和电源切断准备进行档位切换；该操作完成后根据PWD中的数据将I/O3设为低电平，相当于关闭ZD3中间继电器，并将I/O4设为高电平,相当于启动ZD4中间继电器，由这两只中间继电器控制的接触器KM3断开，接触器KM4闭合完成变压器由3档提升至4档；第二个时间窗口中PVTL＝5.57；PVTDL＝-0.01，因为定时器没有溢出(TIM1_CR＝0)所以不做处理；第三个时间窗口中，定时器已经溢出(TIM1_CR＝1)，并且监测到PVTL＝5.50；PVTDL＝0.00已经在设定区间之内所以调整完成；第四个时间窗口中，相关状态字都已经复位，本轮电源输出功率调节已完成，继续监测井口温度PVTW＝34.1；PVTDW＝0.0，已经在设定的区间[33,38]之间无需进行调整，所以系统恢复到正常状态。
③在C～D时段内，PLC控制器读取的温度数据如表3-1所示；上位PC主机读取的温度梯度数据如表3-2所示；相关系统状态字变化如表3-3所示；相关过程变量如表3-4所示；
表3-1 井口温度及井筒温度数据表
(0：井口，1000：井底)
表3-2 温度梯度历史数据表
PVTL 6.48 6.49 6.47 6.46 6.47 6.46 6.48
dPVTL 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
PVTL … 6.48 6.49 6.98 6.75 6.45 6.38
dPVTL … 0.0 0.0 0.5 -0.2 -0.3 -0.1
PVTL … 6.24 6.25 6.23 6.28 6.29 …
dPVTL … -0.1 0.0 0.0 0.0 0.0 …
表3-3 相关系统状态字变化表
PSI TIM1_CR PZI TIM2_CR TCOVF ALM PWD PWZ
1 1 0 0 0 0 0 5 16.6
2 1 0 0 0 0 0 5 16.6
3 1 1 0 0 0 0 5 16.6
4 0 0 0 0 1 1 5 16.6
5 1 0 0 0 0 0 7 16.6
6 1 0 0 0 0 0 7 16.6
7 1 1 0 0 0 0 7 16.6
8 0 0 0 0 0 0 7 16.6
表3-4 相关过程变量表
PVTL PVTDL FK PVK TSW DTL PWF
1 6.65 -0.02 0.55 0.51 5 0 8
2 6.47 -0.01 0.55 0.43 5 0 8
3 6.27 0.01 0.55 0.35 5 0 8
4 6.37 -0.01 0.55 0.39 5 0 8
5 6.28 0.00 0.55 0.35 8 6.43 8
6 5.96 -0.01 0.55 0.20 8 6.43 8
7 5.38 -0.01 0.55 -0.06 8 6.43 8
8 5.32 0.01 0.55 -0.08 8 6.43 8
PLC控制器检测到一个时间窗内检测到PVTL＝6.65；PVTDL＝-0.03；井筒温度梯度不变化在设定的区间[4.5,5.5]之内；因此系统进入电源输出功率调节状态，将系统状态字PSI＝1；经过计算将电源输出功率PWD＝5，PLC控制器首先将I/O11、I/O12设为低电平，相当于关闭ZD21，ZD22中间继电器，由这两只中间继电器控制的接触器KM21，KM22相继断开，将变压器与负载和电源切断准备进行档位切换；该操作完成后根据PWD数据将I/O4设为低电平，相当于关闭ZD4中间继电器，并将I/O5设为高电平,相当于启动ZD5中间继电器，由这两只中间继电器控制的接触器KM4断开，接触器KM5闭合完成变压器由4档提升至最高的5档，因为是当前的极值所以计数器TC＝TC+1，因此，系统进入异常状态；第二个时间窗口中PVTL＝6.47；PVTDL＝-0.01，因为定时器没有溢出(TIM1_CR＝0)所以不做处理；第三个时间窗口中，定时器已经溢出(TIM1_CR＝1)，并且监测到PVTL＝6.27；PVTDL＝0.01仍然不在设定区间之内；经过一段时间之后到达第四个时间窗口时，PVTL＝6.37；PVTDL＝-0.01仍然没有达到要求，此时TC计数器已经溢出(TCOVF＝1)，此时PLC控制器向PC主机发出请求(ALM＝1)，系统进入报警状态。
PC主机接到PLC控制器的请求之后，调取了温度梯度的历史数据(PVTL[])。经过数据处理得到数组(dPVTL[])，分析数列dPVTL[]，发现其末端为0，说明系统处于可控状态；进一步分析发现其中含有一个瞬时峰值，为了避免其干扰运算，将其赋值为0；将DTL＝6.43，进一步计算变压器档位上限TSW＝8，清除此次报警标志并将控制权归还给PLC控制器，系统恢复到正常状态。
PLC控制器接到PC主机的外部初始化命令后完成系统的初始化。并继续监测五个时间窗内检测到PVTL＝6.28；PVTDL＝0.00；井筒温度梯度不变化在设定的区间[4.5,5.5]之内；因此系统进入电源功率调节状态，将系统状态字PSI＝1；经过计算将电源输出功率PWD＝7，PLC控制器首先将I/O11、I/O12设为低电平，相当于关闭ZD21，ZD22中间继电器，由这两只中间继电器控制的接触器KM21，KM22相继断开，将变压器与负载和电源切断准备进行档位切换；该操作完成后根据PWD数据将I/O5设为低电平，相当于关闭ZD5中间继电器，并将I/O7设为高电平,相当于启动ZD7中间继电器，由这两只中间继电器控制的接触器KM5断开，接触器KM7闭合，完成变压器由5档提升至7档；第六个时间窗口中PVTL＝5.96；PVTDL＝-0.01，因为定时器没有溢出(TIM1_CR＝0)所以不做处理；第七个时间窗口中，定时器已经溢出(TIM1_CR＝1)，并且监测到PVTL＝5.38；PVTDL＝-0.01已经在设定区间之内所以调整完成；第八个时间窗口中，相关状态字都已经复位，本轮电源输出功率调节已完成，继续监测井口温度PVTW＝35.1；PVTDW＝-0.4，已经在设定的区间[33,38]之间无需进行调整，所以系统恢复到正常状态。

Claims (4)

1.一种油井清蜡降粘装置，由具有若干电压输出档位的变压器、电发热体、传感体、可编程序控制器、远程PC主机、光纤测温模块、远程透传模块、中间继电器、变压器档位切换接触器、功率调节模块、井口温度变送器、模拟量I/O扩展模块以及与所述电发热体相配合的控制电路和供电电路构成；
所述可编程序控制器、光纤测温模块及远程透传模块通过RS-485端口搭建MODBUS数据总线网络，所述可编程序控制器是该网络的主机；所述可编程序控制器的一部分I/O端口作为离散量输入端口与控制按钮相连，另一部分I/O口端口作为离散量输出端口与所述中间继电器的触发信号输入端相连，用来实现所述可编程序控制器控制所述变压器的对应变压器档位切换接触器工作；所述可编程序控制器的CANopen端口外接模拟量I/O扩展模块，用于4～20mA模拟量的输入及输出；所述井口温度变送器的采样信号输出端连接至所述模拟量I/O扩展模块的采样信号输入端，用来实现将采集到的井口温度信号输入到所述可编程序控制器的CANopen端；所述功率调节模块的控制信号输入端连接至所述模拟量I/O扩展模块的控制信号输出端，用来实现所述可编程序控制器控制所述功率调节模块的输出功率；
所述远程PC主机通过GPRS或3G数据链路与所述远程透传模块实现双向数据流传送；
其中，所述电发热体采用三相芯线结构，由所述变压器提供工作电压，由所述功率调节模块控制输出功率；所述传感体采用光纤制成，通过光纤接入口与所述光纤测温模块连接以实现向光纤测温模块提供井下的温度数据；
所述可编程序控制器内置有程序，可实现如下功能：
功能1，读取所述光纤测温模块采集到的温度数据到内部存储器建立数组，继而得到温度梯度的过程量及其变化量，与其设定值相比较并计算后得到变压器的合理档位，之后输出离散控制信号控制对应变压器档位的中间继电器接通，完成对应变压器档位的切换接触器接通，从而实现调整所述电发热体供电电源的输出功率；
功能2，读取所述井口温度变送器采集到的温度数据到内部存储器建立数组，继而得到温度的过程量及其变化量，与其设定值相比较并计算后得到所述功率调节模块的合理功率输出控制电流，从而实现调整所述电发热体的负载输出功率。
2.根据权利要求1所述的油井清蜡降粘装置，其特征在于：
所述可编程序控制器实现其功能1是按照如下步骤来完成的：
首先，PLC控制器完成初始化；包括①定时器1～2、计数器(TC)初始化；②建立相关存数单元：即错误标志位SysERR、报警状态位ALM、井筒温度数组T[]、井口温度数组TW[]、温度梯度数组TL[]；③装入系统设定值：SVTL、SVTDL、SVDTL、TSW、SVTW、SVTDW、SVDTW；建立相应内部变量：PVTL、PVTDL、PWD、PVTW、PVTDW、PWZ；初始化完成之后，对现场的控制系统进行检测，检测温控系统是否正常，若发现系统异常会及时发送信号，即SysERR＝1，ALM＝1，给PC主机，当接收到PC主机发来的命令，即ALM＝0，之后系统才能继续工作；
其次，根据设定的频次对温度数据进行查询和处理；读取光纤模块的温度数据到PLC的内部存储器的数组T[]中，第一次循环时，对数据中的数据进行从后向前相邻的数据依次相减得到数组dT[]，并将首位赋值为平均值；再次进行相同的循环操作得到数组ddT[]，这样就得到了温度梯度的过程量PVTL及其变化量PVTDL；如果则需要修改电源输出功率PWD，按照如下步骤修改：①按公式[2]计算出过程量与设定量的差值PVDTL；②按公式[3]的比例系数计算基础系数FK；③按公式[4]计算出整定系数PVK；④若PVK≥1，则比例系数设为1，并且TC计数器加1；此外若PVK≤0.2，则说明系统一直工作在较低的档位，则TC计数器也会加1；⑤按公式[5]计算出变压器的档位；⑥为了消除调节滞后性影响，每次调节之后都要做一个时间延迟，即TIM1溢出后方能进行下一次调节；
PVDTL＝(PVTL+PVTDL)-(SVTL+SVTDL)………………[2]
FK＝(SVTL+SVTDL)/SVDTL……………………………[3]
PVK＝FK+PVDTL·(SVTL+SVTDL-SVDTL)/SVDTL………[4]
PWD＝INT(PVK·TSW)……………………………[5]
其中：
最后，检测系统的功率是否处于极值状态，这一状态为非正常状态，进入这一状态后，会一直检测处于该状态的时间，如果超过规定的时间TC计数器会溢出，即TCOVF＝1，ALM＝1，会上PC主机报告，等待来自PC主机的命令，即ALM＝0后才能继续工作；
所述可编程序控制器实现其功能2是按照如下步骤来完成的：
读取一组温度变送器据到PLC的内部存储器的数组TW[]中，第一次循环时，对数据中的数据进行从后向前相邻的数据依次相减得到数组dTW[]，并将首位赋值为平均值；再次进行相同的循环操作得到数组ddTW[]，这样就得到了井口温度的过程量PVTW及其变化量PVTDW；如果则需要修改负载输出功率PWZ：①按公式[10]计算出过程量与设定量的差值PVDTW；②按公式[11]的比例系数计算基础系数FW；③按公式[12]计算出整定系数PVW；④若PVW≥1，则比例系数设为1，并且TC计数器加1；⑤按公式[13]计算出功率调节模块的驱动电流；⑥为了消除调节滞后性影响，每次调节之后都要做一个时间延迟，即TIM2溢出后方能进行下一次调节；
PVDTW＝(PVTW+PVTDW)-(SVTW+SVTDW)………………[10]
FW＝(SVTW+SVTDW)/SVDTW……………………………[11]
PVW＝FW+PVDTW/SVDTW………………………………[12]
PWZ＝PVW·20………………………………………[13]
其中：。
3.根据权利要求2所述的油井清蜡降粘装置，其特征在于：所述远程PC主机具有如下功能：
实时监测系统的几个关键的状态字，检测到系统状态字变化，即ALM＝1，出现来自PLC控制器的请求时，接管控制系统；
PC主机接管后，首先要确定系统是否正常，当出现错误，即SysERR＝1报告时，系统会等待人工介入的复位；若系统正常，则读取当先系统所处的状态包括所有的过程变量的数值，查询请求时间窗内所有的温度梯度数值，在PC主机的内部存储器中建立数组TL[]，对数据中的数据进行从后向前相邻的数据依次相减得到数组dTL[]；然后对数组dTL[]中的数据进行分析：①若数组dTL[]的末端不为零，即dTL[m～n]≠0，则说明实际情况正朝着不可预期的方向进行，因此需要发出系统错误警报，交由人工进行处理；②若数组dTL[]中的数值为收敛的，即dTL[m～n]＝0，则说明系统处于可控状态，通过修改参数可使系统恢复，按如下步骤进行：Ⅰ.数列dTL[i]＝0，且该元素的邻域内相邻元素为异号，则说明存在瞬时峰值，则将TL[i]＝0，即排除瞬时值的干扰；Ⅱ.对数列dTL[]中的数值进行求和：若求和结果为正，则说明系统进入了一个较高稳态，则调整参数DTL按公式[6]取值；若求和结果为负，则说明系统进入了一个较低的稳态，则DTL按公式[7]取值；调整系数TK按公式[8]计算，进而按公式[9]得到当前变压器最高档位TSW值；Ⅲ.清除这一次的报警信号，发出外部初始化命令，让PLC控制器重新接管系统的控制权；
DTL＝MAX(TL[])…………………………………[6]
DTL＝MIN(TL[])…………………………………[7]
TK＝DTL/PWF……………………………………[8]
TSW＝INT(TK·10)…………………………………[9]
其中。
4.根据权利要求1、2或3所述的油井清蜡降粘装置，其特征在于：所述电发热体的芯线为铜基合金线，是由若干段掺杂了不同金属组分的铜基合金线顺次连接后构成，所述掺杂不同金属组分的铜基合金线按照如下方式选取：
地层深度为L处的电发热体芯线的加热功率如公式[1]所示进行计算；
把地温梯度代入公式[1]计算对应的电加热功率梯度，即W1,W2,W3,…Wn，进而得到电加热部分的芯线电阻梯度，即R1,R2,R3,…Rn，计算出电阻梯度的比例，即R1:R2:R3:…Rn＝n1:n2:n3:…nn，确定边界值，即R1＝Ω，则比例因子为k＝Ω/n1,计算出其余的电阻值，即R2＝kn2，R3＝k n3，…Rn＝k nn；R1取值为纯铜；
W L = 2 πλ P F K 1 K 2 ( T P F - T G L ) ln ( ( Φ D + 2 × ( Φ T - Φ O ) ) / Φ O ) ... [ 1 ]
其中：
WL………………深度为L处的加热功率，单位：W/m
K1………………管道材料修正系数
K2………………脱气量修正系数
λPF………………温度为TPF时，环形空间导热系数，单位：W/m·K
TPF………………结蜡温度，单位：K
TGL………………深度为L处的地层温度，单位：K
ΦD………………电加热部分的外径，单位：mm
ΦT………………套管内径，单位：mm
ΦO………………油管外径，单位：mm
按照计算得出的电发热体芯线的加热功率选取掺杂不同金属组分的铜基合金线之后顺次连接使其呈现梯度变化来拟合地温梯度变化。
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