CN201857951U

CN201857951U - 基于可编程序控制器的多油井连续计量系统

Info

Publication number: CN201857951U
Application number: CN2010202111684U
Authority: CN
Inventors: 王新华; 武娜; 杨捷; 孙树文
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2020-05-21

Abstract

一种基于可编程序控制器的多油井连续计量系统，该可编程序控制器的CPU模块具备两个串行通信口，其中一个串行通信口与质量流量计连接，另一个与无线模块连接；CPU模块使用扁平电缆连接数字量扩展模块；并经过串行I/O总线连接扩展从站模块，扩展从站模块的通信口与触摸屏连接；CPU模块及其数字量扩展模块的输入端连接油井位置传感器，输出端连接蜂鸣器、油井位置指示灯和控制电动机的继电器，模拟量输入模块的输入端连接压力传感器。计量数据远程监控传输技术采用GPRS通讯技术，提高了信号传输的可靠性和稳定性，实现了对管辖区域内计量站油井计量数据的无线自动采集处理、计量参数远程操作监控。

Description

基于可编程序控制器的多油井连续计量系统

技术领域

本实用新型涉及一种流量计量控制技术，尤其涉及一种多油井连续计量系统。

背景技术

油井产量计量是油田生产管理中一项重要工作。准确、及时计量油井产量，对于掌握油藏状况，制定生产方案，具有重要指导意义。目前国内多数计量站油井计量主要还是采用传统的分离器进行气液计量、人工化验含水等计量方法。这些油井计量方法在油田开发早期尚能够完成对油井采出液计量的任务，但是目前油田开发已进入中后期，由于采出液中含水增高，含气下降，低液量以及间歇出油等原因，分离器计量、人工化验含水等计量方法已无法得到真实、稳定、准确的计量结果，这给油田经营管理增加了难度。

近些年来，科学技术的发展，尤其是传感技术、控制技术和通信技术的发展，为油井计量技术的发展提供了强有力的保障。其中，三相分离计量、两相分离计量和不分离计量的研究和应用越来越受到重视。两相分离计量装置与三相分离计量、不分离计量装置相比，投资较少、操作简便、计量精度高，故在油田中获得了较多应用。两相分离计量中的新技术由旋流分离器、质量流量计和气体流量计组成，质量流量计测量出油水混合液的流量、密度和温度，根据公式推导出油和水的含量，为快速准确的掌握油气开采的产量提供科学依据。

一种油井产液量计量、工况分析优化方法及其系统(专利号200610164812.5)可以实现在油田无计量站情况下远程自动录取油井工况数据，在无人值守情况下及时掌握油井的动态变化。这种方法适用于油田无计量站情况，而目前，大多数油井计量普遍采取十几口油井的产出液进入同一计量间，共用一套计量装置的油井计量方式，故这种计量装置适用于新开采的油井。而且上述方法是以油井单井产量计量为核心的方法，不能实现多油井连续自动计量。

全自动多井式油井计量装置(申请号200620088932.7)能够实现多口油井的单井产量计量的自动切换，但是不能进行参数修正、故障报警、计算计量数据；不能远程监视油井运行状态和远程获取现场计量数据，不方便远程监控中心对计量装置的控制，而且，没有使用人机界面，不能直观掌握计量状态。

而且，上述两种计量装置和方法中都没有涉及准确计算含水率和含油率的方法以及如何根据井口的工艺参数对计量参数修正。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，通过提供一种基于可编程序控制器的多油井连续计量系统，以解决现有技术中无法准确计算含水率和含油率，以及如何根据井口的工艺参数对计量参数修正的问题。

本实用新型是采用以下技术手段实现的：

一种基于可编程序控制器的多油井连续计量系统，包括可编程序控制器的CPU模块、数字量扩展模块和扩展从站模块；CPU模块具备两个串行通信口，其中一个串行通信口与质量流量计连接，另一个与无线模块连接；CPU模块使用扁平电缆连接数字量扩展模块；并经过串行I/O总线连接扩展从站模块，扩展从站模块的通信口与触摸屏连接；CPU模块及其数字量扩展模块的输入端连接油井位置传感器，输出端连接蜂鸣器、油井位置指示灯和控制电动机的继电器，模拟量输入模块的输入端连接压力传感器。

本实用新型的核心部件采用PLC(即可编程序控制器)及其扩展模块，PLC具备两个串行通信口，PLC通过串行通信口0与质量流量计连接，串行通信口1与GPRS(通用分组无线服务技术)无线模块连接；PLC使用扁平电缆连接位于其右侧的数字量扩展模块，经过串行I/O总线连接扩展从站模块，扩展从站模块的通信口与触摸屏连接；PLC及其数字量扩展模块输入端连接油井位置传感器；输出端连接控制电动机的继电器、蜂鸣器和油井位置指示灯；模拟量输入端连接压力传感器。硬件连接完毕后，设置质量流量计与PLC的通信参数。操作人员点击触摸屏按钮，选择需要计量的油井，设定准备时间和计量时间，输入计量参数和报警参数，启动PLC控制的多油井连续计量装置。PLC控制电动机旋转，带动选井阀组，计量用户选择的油井支路；PLC接收质量流量计提供的油井产出液液相的瞬时流量、密度和温度等瞬时值，并存储在相应存储器中；若计量过程中，没有报警事件发生，则当选井阀组的阀芯到达目标油井位置时，开始计算瞬时数据；经过至少30分钟的准备时间后，PLC根据质量流量计采集的数据和触摸屏输入的已有数据计算日平均数据和日累计数据，并将计量处理结果传送到触摸屏显示和存储，最后通过GPRS无线模块把油田计量站数据传到井队数据中心显示和保存，并生成油、水瞬时曲线、日度生产曲线和日累计生产报表，井队数据中心监控油井的运行状态，并发送命令和参数至PLC。管理人员可以通过矿区内部局域网，对井队数据中心的数据进行查询和管理。若计量某口油井过程中发生报警事件，PLC根据报警类型，控制电动机动作。同时蜂鸣器发出声音报警，触摸屏上显示报警信息。在单井计量完成后，PLC发送指令转入到下一口井进行计量，如此周而复始循环完成多油井自动连续计量过程。为了提高计量精确度，必须周期检查计量结果，根据井口的实际工艺参数，通过实际采样分析，调整计量参数的修正系数，并在触摸屏画面上输入准确的计量参数。

本实用新型与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

采用具有友好操作界面的触摸屏，简单方便，人性化设计，适用于现场工人使用；利用具备高可靠性的PLC提供的丰富指令库，编译多油井连续计量程序，实现由单井计量向多井计量的切换，并且从现场需求出发，编译控制灵活、计量准确和及时报警的PLC程序；利用高精度质量流量计测量液体，液相相对误差、含水率绝对误差在3％以内，并结合油品情况，在正确温度和压力参考下取样试验，及时调整各油井计量参数的修正系数，从而保证了测量精度；计量数据远程监控传输技术采用GPRS通讯技术，提高了信号传输的可靠性、稳定性和经济性，实现了采油队对管辖区域内计量站油井计量数据的无线自动采集处理、计量参数远程操作监控。

附图说明

图1是本实用新型的系统示意框图。

图中1、PLC CPU模块，2、无线模块，3、井位指示灯，4、蜂鸣器，5、电动机继电器，6、扩展从站模块，7、触摸屏，8、数字量扩展模块，9、井位传感器，10、压力传感器，11、质量流量计，12、数据中心，13、选井阀组。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型系统设计如下：

本实用新型结构框图如图1所示，核心部件采用PLC 1及其数字量扩展模块8，PLC 1具备两个串行通信口，PLC 1通过串行通信口0与质量流量计11连接，串行通信口1与GPRS无线模块2连接；PLC CPU模块1使用扁平电缆连接位于其右侧的数字量扩展模块8，经过串行I/O总线连接扩展从站模块6，并由扩展从站模块6的通信口与触摸屏7连接；CPU模块1及其数字量扩展模块8输入端连接井位传感器9，输出端连接电动机继电器5、蜂鸣器4和井位指示灯3，模拟量输入模块输入端连接压力传感器10。

本实用新型系统工作过程如下：

本实用新型选用选井阀组13作为油井来液的计量集输装置，选井阀组13内部设计有光电开关传感器，用来检测油井位置。PLC 1控制电动机继电器5线圈通电和断电，从而控制电动机的旋转与停止。电动机与选井阀组13的转轴相连，选井阀组13的阀芯随电动机转轴旋转，阀芯上安装有若干管路接口，其中一个管路接口与选中计量油井的原油出口管路相接，实现该管路单独导通。其余各个管路接口与油井原油入口相连，其油井来液在选井阀组13中部汇合后由总输出口输出。当程序指定一口油井进行计量时，PLC 1对电机继电器5发出信号，电动机带动阀芯旋转，当阀芯到达目标井后，被选中计量的单井来液将通过阀芯从原油出口管路输出，经两相分离装置高效分离后，液相进入质量流量计11进行计量。PLC 1将计量结果传送给触摸屏7和井队数据中心12。确认该井计量完后，PLC 1再给选井阀指令到下一口油井，这样周而复始地循环完成多个油井的单井产量自动选井计量工作。

在本实用新型中，触摸屏7变量地址与PLC 1存储器地址一一对应，两者硬件连接完毕以后，触摸屏7不仅实时显示现场设备PLC 1的开关量状态和数字变量的值，而且监控PLC 1的运行状态。触摸屏7初始画面设计有4个按钮，分别对应4个主要画面，即计量信息画面、参数设置画面、历史数据查询画面和报警记录画面。其中，

计量信息画面用来显示油井运行参数，主要包括当前计量油井的井号、质量流量计11测量的瞬时值(液量、密度、温度)、PLC 1计算结果(瞬时含水率、日累计液量、日均含水率)、计量时间或准备时间，以及已经计量或准备的时间。当装置处于准备状态时，显示设定的准备时间和已经准备的时间；当装置处于计量状态时，显示设定的计量时间和已经计量的时间。“计量信息”画面，设计有3个图形按钮，分别用来激活选井和时间设定画面、历史数据查询画面和报警记录画面。

参数设置画面用来设置计量参数和报警参数。计量参数包括水密度、油密度和计量修正系数。之所以需要修正计量系数，是因为，在实际测量混合物的含水率时，由于每口油井产出液的温度、压力和含水量等各不相同，即使是同一个计量站的几口油井，它们各自的纯油和纯水的密度都有所不同，而且同一口井的这两个参数在不同时期也存在着差异。为了保证计量精确性，必须结合油品情况并进行大量的试验，以确定较为准确的计量修正系数。报警参数包括压力高报警、温度低报警、流量低报警、压力高时间、温度低持续时间、流量低持续时间。所谓温度低报警、流量低报警、压力高报警，是指单井温度、流量、压力超过了触摸屏7上设定的相应数值，并且温度低、流量低状态持续时间超过了设定的时间范围。

历史数据查询画面用来展示历史数据，历史数据包括采集时间、日累计液量、日均含水率、日累计油量、日均温度、日均压力。日平均数据和日累计数据是根据质量流量计11读出的瞬时数据，在计量时间内经过计算得到的平均值。为了使触摸屏7设计简单美观，15口油井共用一个“历史数据查询”画面。单井计量过程中，PLC程序将各油井的历史数据传递到公共变量中，在查询某口油井的历史数据时，将该井的历史数据显示出来，这样也使得变量数目大大减少。

报警记录画面用来显示报警信息，包括报警时间、报警油井井号和报警类型；由于PLC 1传递字符串时，传递数字而不传递汉字，故将类型代码1，2，3，4，5代表的报警类型提前输入到触摸屏7上，用户只要将PLC 1传递的代表报警类型的数字与触摸屏7上数字对比，就知道报警类型。清晰的报警信息便于工作人员检查和维修设备。

本实用新型采用质量流量计11作为数据采集模块，它可以直接测量质量流量，测量精确度高，可测量流体范围广，同时可做多参数测量，如测量密度、温度。利用一台质量流量计11就能完成通常由流量计、含水分析仪、密度计、温度计等多台仪表才能完成的工作。在使用质量流量计11之前，需要先设置通信参数，包括通信协议、变送器地址、串口波特率和校验方式。必须保证质量流量计11与PLC 1两者通信参数一致，否则不能通信。采用质量流量计11组成的计量系统，可以满足不同流量下油水含量的计量，为分析油井动态状况提供可靠的依据。

PLC模块1是整个控制系统的核心，控制信号来源是油井位置传感器9。油井位置传感器9实际上是光电开关传感器。当选井阀组13的阀芯转动阻隔光电开关传感器的光路时，PLC 1通过监测输入引脚电平的高低就可以识别出阀芯的当前转动位置，如果到达了目标油井位置，则开始计量；如果没有到达目标油井位置，则电动机继续转动，直到到达目标位置为止。PLC模块1的主要功能为：

(1)PLC 1与质量流量计11通信：选井阀组13的阀芯到达计量井位位置后，PLC 1调用协议指令库，与质量流量计11通信，定时读取采集数据，包括瞬时流量、密度和混合温度，将采集到的数据存储在固定V区域中。

(2)计算计量结果：根据质量流量计11采集的混合密度，结合触摸屏7中输入的水密度和油密度，利用公式(1)计算含水率：

含水率＝水密度*(混合密度-油密度)/混合密度*(水密度-油密度)(1)

利用公式(2)(3)得到含油量和含水量：

含油量＝液相质量总量*(1-含水率) (2)

含水量＝液相质量总量*含水率 (3)

其中，液相质量总量是由质量流量计11测量得到质量流量。

利用公式(4)(5)(6)得到日累计液量、日均含水率和日累计油量：

日液量＝(∑Qi/∑Ti)*86400 (4)

日含水率＝(∑(Qi*Ki)/∑Qi)*100％ (5)

日油量＝液相质量总量*(1-含水率) (6)

其中，∑Qi是计量时间内某口油井的瞬时液量总和；∑Ti是某口油井计量时间；Ki是瞬时含水率。

(3)扩展从站模块6与触摸屏7通信：计量过程中，PLC将计量结果传递至触摸屏7“计量信息画面”显示；计量完毕后在“历史数据查询”画面展示历史数据；若出现报警故障，PLC 1将报警信息发送至触摸屏7，方便用户查看。同时，触摸屏7可以控制PLC 1的运行状态，如选井、设定准备和计量时间、设定参数和报警开关状态等。

(4)PLC 1与监控中心无线通信，通过GPRS模块2将计量结果远程传输至井队数据中心12，以便井队管理人员及时掌握生产状况。同时，井队管理人员可以发送命令控制PLC 1，包括选择需要计量的油井、设定参数、设置准备时间和计量时间等。

(5)PLC 1控制计量油井的顺序，通过选井阀组13完成油气单井计量以后，PLC 1发出指令转入到下一口油井进行计量，完成多油井自动连续计量；在电动机带动阀芯转至下一口油井的过程中，下一口选中计量的油井位置指示灯3每秒闪烁一次。

(6)若计量过程中发生超限报警事件，则蜂鸣器4发出声音报警，触摸屏7上显示报警信息，报警信息包括报警时间、报警油井井号和报警类型；同时，PLC 1根据报警类型，控制电动机动作，若在计量某口油井过程中，发生温度低报警、流量低报警或压力高报警，则不再计量该油井，电动机带动阀芯转至下一口选中油井计量；若发生选井阀故障，即在选井过程完成的条件下，在电动机旋转一周的时间内，阀芯没有到达任何油井位置，则电动机停转，等待检修，触摸屏7上出现报警信息；若连续 3口油井超限报警，则装置不再计量，电动机直接转至空位，停止。排除故障后，点击触摸屏上“停止报警”按钮，则再次重新启动可编程序控制器程序。

本实用新型采用GPRS无线模块2将PLC 1计量结果，包括液量、含水率、温度和压力，传递到井队数据中心12。为保证数据传输的可靠性，系统采用TCP(传输控制协议)通讯协议。在数据传输开始之前，首先由管理中心作为服务器端等待无线模块2的连接，两端经过三次握手协议后建立TCP连接。此后采集站PLC 1就可以将需要发送的数据通过通讯线先传输给无线模块2，由无线模块2再发送给数据中心12。由于数据是允许双向传输的，所以数据中心12可以沿着相反的方向主动向采集站PLC1发送查询命令或配置数据，包括选井、设置参数、设置准备时间和计量时间等。

用户按以下步骤执行：

(1)时间同步：触摸屏7主画面左上角设计有“设置时间”按钮，该按钮点击事件激活“时间设置”画面。在该画面IO域设置当前时间，并点击“OK”按钮。同时，在触摸屏7“区域指针”页内，建立“日期/时间PLC”，指向PLC 1中存放时间信息的区域。

(2)选井：在触摸屏7“计量信息”画面，设计有一个图形按钮，点击图形按钮，进入“计量时间设定”画面。在该画面设计有15个选井按钮，对应15口油井，这些按钮为取反按钮，可以选择和取消某口油井的计量。例如1号井选井按钮，对应变量M1.1，当M1.1为1，表示选择了1号井，再次点击该按钮，M1.1为0，表示取消计量1#井。同样，可以点击不同的选井按钮，以增加或减少需要计量的油井个数，即使某口油井正在计量过程中，也可以取消计量，那么该井井位指示灯3熄灭，电动机旋转，转至下一口选中油井计量。

(3)设定准备和计量时间：在“计量时间设定”画面，每个选井按钮下方都对应一个IO域，用来输入每口选定油井需要计量的时间。取计量时间内采集到的数据平均值，换算为日数据。“计量时间设定”画面设计有“准备时间设定”按钮，点击此按钮，即可切换到“准备时间设定”画面。在此画面IO域输入每口选定油井的准备时间，为了提高计量精度，准备时间至少为30分钟。

(4)输入计量和报警参数：在触摸屏7参数设置画面输入计算程序需要的计量参数和超限报警参数。计量参数包括水密度、油密度和计量修正系数。其中，计量修正系数的具体数值由化验含水来确定。在正确温度和压力参考下取样试验，将测量含水值与实际含水值相比较，调整计量修正系数，将误差调整到标准允许范围内。由于每口油井的地质情况、含气量不同，每增加一口新井，必须重新测定其油密度和水密度，并输入准确的计量修正系数。报警参数包括压力高报警、温度低报警、流量低报警、压力高持续时间、温度低持续时间和流量低持续时间。当单井压力高于触摸屏7上设定的数值，温度、流量低于触摸屏7上设定的数值，并且压力高持续时间、温度低持续时间、流量低状态持续时间超过了设定的时间范围，则蜂鸣器4声音报警，触摸屏7显示报警信息。

(5)设置质量流量计11与PLC CPU模块1通信参数：通信参数包括通信协议、变送器地址、串口波特率和校验方式。本实用新型中采用的质量流量计11数字通信协议为MODBUS协议，从站默认地址为1，串口波特率指定为9600，校验方式为奇校验。必须保证质量流量计11与PLC CPU模块1两者通信参数一致，否则不能通信。

(6)启动PLC 1程序：将模式选择开关置于“RUN”位置，启动PLC程序，PLC 1控制电动机旋转，依次计量选中油井，实现多井自动计量。操作人员根据现场情况，选择需要计量的油井，包括步骤：

点击选井按钮，取消需要计量的油井；

点击选井按钮，增加需要计量的油井；

点击选井按钮，取消正在计量的油井。

同时，用户可以随时修改准备时间、计量时间、计量参数和报警参数。

(7)查看历史数据，点击初始画面“数据查询”按钮，进入“历史数据查询画面”，该画面有15个选择按钮，对应15口油井，点击任何一个选择按钮，就可以进入该井的“各井历史数据”画面，显示该井最近14次采集记录，包括采集时间、日累计液量、日均含水率、日累计油量、日均温度、日均压力。用户可以对比各个时段各井产量变化，以直观掌握油井生产情况。

(8)查看报警记录：点击初始画面“报警记录”按钮，进入“报警记录”画面，查看报警情况，分析报警原因，采取适当措施解决报警故障。如果出现选井阀故障报警或连续5口井出现报警信息，电动机停转，阀芯停止在0位，维修人员检修完毕后，点击触摸屏7上“停止报警”按钮，再次启动PLC 1程序。

(9)修正计量系数：在实际测量混合物的含水率时，即使是同一个计量站的几口油井，它们各自的油密度和水密度都有所不同，而且同一口井的这两个参数在不同时期也存在着差异。所以必须周期检查质量流量计的计量结果，以确保计量精确性。在计算含水率时，输入的油、水密度的值，尤其是油密度的值，必须结合油品情况并进行大量的试验。操作方法是，在一定温度下，利用质量流量计测量某口油井的原油密度，并设定油密度，测量含水率。同时，对同一口油井，现场加密取样后用准确度为±1％的石油含水电脱分析仪测量的含水率，与质量流量计检测结果相比，若后者较大，说明油密度设置偏低，调整修正系数，使两者差距减小，直到达到误差范围内。相反，若质量流量计测量含水率比实际含水率小，说明油密度设置偏高，调整修正系数，将误差调整到标准允许范围内。

Claims

1.一种基于可编程序控制器的多油井连续计量系统，包括可编程序控制器的CPU模块、数字量扩展模块和扩展从站模块；其特征在于：CPU模块具备两个串行通信口，其中一个串行通信口与质量流量计连接，另一个与无线模块连接；CPU模块使用扁平电缆连接数字量扩展模块；并经过串行I/O总线连接扩展从站模块，扩展从站模块的通信口与触摸屏连接；CPU模块及其数字量扩展模块的输入端连接油井位置传感器，输出端连接蜂鸣器、油井位置指示灯和控制电动机的继电器，模拟量输入模块的输入端连接压力传感器。