天然氣井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳建設(shè)應(yīng)用

張向京，李　華，張　昀，李曉蕓，劉　杰，茍景衛(wèi)

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林　719000）

天然氣井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳建設(shè)應(yīng)用

張向京，李華，張昀，李曉蕓，劉杰，茍景衛(wèi)

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林719000）

氣田集氣站所轄氣井較多，通常達(dá)上百口，井場(chǎng)采用井叢模式，計(jì)量方式采取井口計(jì)量，同時(shí)為確保井口生產(chǎn)安全，井口緊急截?cái)嚅y需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程截?cái)喙δ?，因此在?duì)井口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸?shù)幕A(chǔ)上，提出了更高的要求，本文主要針對(duì)氣田井口特有的工藝模式，闡述了井口數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程，以及單量、井口緊急截?cái)喙δ艿膶?shí)現(xiàn)。

神木氣田；井叢；數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳；MODBUS

隨著數(shù)字化氣田的不斷建設(shè)，長(zhǎng)慶油田第二采氣廠對(duì)榆林、子洲氣田所有天然氣氣井已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井口數(shù)據(jù)（油壓、套壓、溫度、流量）及圖片的遠(yuǎn)程采集，井口設(shè)立緊急關(guān)斷閥，緊急情況下可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)斷，確保天然氣井的安全生產(chǎn)。

1　氣田井口工藝現(xiàn)狀

1.1井口工藝簡(jiǎn)介

氣田井場(chǎng)采用井叢式模式，即一個(gè)井場(chǎng)可以分布若干單井，所有單井又被分為若干組，同組單井的地面管線相連，安裝孔板閥及緊急截?cái)嚅y，進(jìn)行統(tǒng)一的氣量計(jì)量和緊急關(guān)斷操作，這樣的井組被稱為一個(gè)流程。井叢式井場(chǎng)通常有若干流程，井口管線最終匯入地面干管。

1.2井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)特點(diǎn)

由于氣田集氣站所轄氣井較多，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)需要采集的井口數(shù)據(jù)量巨大，而且包括井口圖片的采集、井口截?cái)嚅y控制等命令輸出。針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)氣田井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)提出以下要求：

（1）同井場(chǎng)內(nèi)流程較多，要求數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確有效；

（2）集氣站所轄單井?dāng)?shù)目多，要求井口數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高；

（3）井口數(shù)據(jù)傳輸、圖片采集與閥門控制命令輸出要求相互獨(dú)立，確?？刂泼顑?yōu)先。

2　井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)技術(shù)運(yùn)用

2.1井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)組成

數(shù)傳系統(tǒng)的井口設(shè)備主要包括：壓力變送器、溫度變送器、緊急截?cái)嚅y、孔板流量計(jì)、攝像頭、RTU、數(shù)傳電臺(tái)以及太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，集氣站內(nèi)主要設(shè)備有控制器、串口服務(wù)器和數(shù)據(jù)電臺(tái)（見(jiàn)圖1）。

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)：井場(chǎng)采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，給系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備提供電源，無(wú)陽(yáng)光情況下，蓄電池容量確保持續(xù)工作一周。

壓力、溫度變送器：對(duì)井口油壓、套壓、溫度實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)以4 mA～20 mA信號(hào)傳輸至井口RTU。

緊急截?cái)嚅y：可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，且具有自我保護(hù)功能，在突發(fā)情況時(shí)能及時(shí)切斷氣流，確保集氣站及井口人員設(shè)備安全。

孔板流量計(jì)：測(cè)量差壓，利用差壓、壓力、溫度及其他參數(shù)計(jì)算瞬時(shí)流量和累積流量，并將流量數(shù)據(jù)傳輸至井口RTU。

攝像頭：對(duì)井場(chǎng)進(jìn)行拍照，實(shí)現(xiàn)定時(shí)拍照和隨時(shí)抓拍功能。

RTU：對(duì)井口所有數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，并通過(guò)無(wú)線電臺(tái)將數(shù)據(jù)傳至集氣站，同時(shí)對(duì)集氣站發(fā)出控制指令進(jìn)行分析，控制井口拍照和緊急截?cái)嚅y操作。

數(shù)傳電臺(tái)及天線：采用微波電臺(tái)，頻率范圍220 MHz ～240 MHz，主要負(fù)責(zé)井口RTU和集氣站控制器以及照片服務(wù)器之間所有數(shù)據(jù)和命令的傳輸［1，2］。

串口服務(wù)器：負(fù)責(zé)電臺(tái)RS485信號(hào)和集氣站控制器RJ45接口通訊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸。

集氣站控制器：利用MODBUS協(xié)議采集井口數(shù)據(jù)，發(fā)出截?cái)嚅y控制命令。

2.2井口數(shù)據(jù)傳輸流程

井口RTU直接采集4 mA～20 mA的油套壓及井口溫度信號(hào)。而井口流量計(jì)采用一種智能流量計(jì)，可實(shí)時(shí)測(cè)量孔板閥兩側(cè)壓差、氣流溫度和管線壓力，其他孔板及組分參數(shù)需要手動(dòng)輸入，流量計(jì)內(nèi)部芯片計(jì)算出瞬時(shí)流量和累積流量，然后通過(guò)RS485信號(hào)將流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄赗TU［3］。由于氣田多數(shù)井場(chǎng)距離其集氣站4 km左右，數(shù)傳電臺(tái)功率大多采用10 W即滿足實(shí)際需求，對(duì)于個(gè)別較遠(yuǎn)或地勢(shì)復(fù)雜的井場(chǎng)則采用25 W的電臺(tái)。電臺(tái)與井口RTU之間采用RS485信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，只需一根雙芯信號(hào)纜即可傳輸所有井口數(shù)據(jù)。

每個(gè)井口流程內(nèi)的壓力、流量數(shù)據(jù)以及井口照片數(shù)據(jù)采集處理均在該流程的井口RTU中完成并儲(chǔ)存，RTU采用RS485接口連接至井口電臺(tái)，數(shù)據(jù)通過(guò)電臺(tái)無(wú)線傳輸至集氣站，站內(nèi)電臺(tái)接收到數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)串口服務(wù)器信號(hào)轉(zhuǎn)換，站內(nèi)控制器利用MODBUS協(xié)議讀取井口數(shù)據(jù)。集氣站上位機(jī)進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)工藝數(shù)據(jù)及井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)控。而中心SCADA服務(wù)器通過(guò)交換機(jī)利用已建光纜讀取集氣站數(shù)據(jù)，并和各生產(chǎn)單位區(qū)部監(jiān)控中心采用C/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)區(qū)部對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控（見(jiàn)圖2）。

圖1　井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2　井口數(shù)據(jù)采集傳輸流程

井口照片服務(wù)器每天12點(diǎn)定時(shí)發(fā)出拍照命令至井口RTU，RTU控制攝像頭拍照，此時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸暫停，照片數(shù)據(jù)通過(guò)電臺(tái)傳回站內(nèi)，經(jīng)串口服務(wù)器信號(hào)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綇S中心照片服務(wù)器，統(tǒng)一進(jìn)行儲(chǔ)存和全網(wǎng)發(fā)布。

2.3井口數(shù)據(jù)輪巡方式

由于集氣站所轄的井場(chǎng)流程較多，集氣站控制器無(wú)法同時(shí)與所有RTU通訊，所以系統(tǒng)采用電臺(tái)輪巡方式，集氣站RTU依次訪問(wèn)井口RTU，采集該流程井口數(shù)據(jù)。以三口井流程為例。RTU數(shù)據(jù)采集程序如下：

集氣站所轄有以井口RTU分配固定地址，站內(nèi)控制器按地址順序輪巡RTU，設(shè)置每次訪問(wèn)時(shí)間為10 s，持續(xù)讀取儲(chǔ)存在該流程RTU內(nèi)數(shù)據(jù)，并即時(shí)傳回站內(nèi)。以此方式周而復(fù)始，不間斷的循環(huán)采集井口數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3）。

圖3　輪巡采集方式

2.4閥門控制命令的傳輸特點(diǎn)

氣田井口每個(gè)流程的地面管線上均安裝有緊急截?cái)嚅y，在井口至集氣站管線出現(xiàn)泄漏或者集氣站出現(xiàn)緊急情況，需要及時(shí)切斷氣源，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，是安全生產(chǎn)的有效保證。井口緊急截?cái)嚅y不僅具備高效的超欠壓自我關(guān)斷保護(hù)功能，而且還能夠有效執(zhí)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)中的閥門控制命令傳輸具有以下特點(diǎn)。

2.4.1命令傳輸與數(shù)據(jù)輪巡相獨(dú)立要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制井口緊急截?cái)嚅y，需要系統(tǒng)程序中開(kāi)發(fā)截?cái)嚅y控制模塊。由于井口緊急截?cái)嚅y遠(yuǎn)程操作頻次較少，具有突發(fā)性，而井口數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性要求較高，所以在程序中將閥門遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)輪巡采集分為兩個(gè)相互獨(dú)立的功能模塊。系統(tǒng)程序平時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)輪巡采集模塊，當(dāng)遠(yuǎn)程閥門需要控制時(shí)，激活控制模塊，截?cái)嚅y控制命令發(fā)出。控制模塊和輪巡模塊切換程序如下：

2.4.2控制命令傳輸優(yōu)先級(jí)最高由于緊急截?cái)嚅y的使用控制涉及生產(chǎn)安全保護(hù)，所以其控制命令的傳輸為最高的優(yōu)先級(jí)，即當(dāng)控制命令發(fā)出時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的其他數(shù)據(jù)傳輸即刻中斷，優(yōu)先進(jìn)行控制指令的傳輸，當(dāng)控制命令傳輸結(jié)束時(shí)，程序自動(dòng)切回?cái)?shù)據(jù)輪巡采集，開(kāi)始正常數(shù)據(jù)輪巡采集。

2.4.3控制命令采用脈沖信號(hào)井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)采用無(wú)線電臺(tái)傳輸，為提高控制指令傳輸?shù)姆€(wěn)定性和有效性，采用持續(xù)5 s的脈沖信號(hào)作為閥門控制指令的輸出，這樣既保證井口電臺(tái)能接收到控制信號(hào)，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中控制指令的自動(dòng)復(fù)位?？刂浦噶蠲}沖信號(hào)結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)輪巡采集即從該RTU開(kāi)始，讀回閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)，操作員可判斷控制是否操作成功。其復(fù)位程序如下：

2.5井口數(shù)據(jù)監(jiān)控

集氣站內(nèi)利用嵌入式觸摸屏，通過(guò)HMIBuilder軟件從站內(nèi)控制器中統(tǒng)一讀取井口及集氣站生產(chǎn)所有數(shù)據(jù)并進(jìn)行組態(tài)，操作員可以方便監(jiān)控集氣站生產(chǎn)數(shù)據(jù)又可以實(shí)時(shí)監(jiān)控井口所有數(shù)據(jù)，操作井口截?cái)嚅y，觀察截?cái)嚅y開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。

3　應(yīng)用效果

3.1形成標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)

氣田單個(gè)井場(chǎng)的單井?dāng)?shù)量多，結(jié)合地面工藝特點(diǎn)-井叢式井場(chǎng)和井場(chǎng)流程劃分，確定以流程為最基本單元，建立相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，采集各流程井口數(shù)據(jù)以及控制井口閥門，符合地面工藝特點(diǎn)，有利于形成井叢式標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)。

3.2井口數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效

每個(gè)流程的所有井口儀表按單井位置順序依次接到RTU上，然后連接流程流量計(jì)和截?cái)嚅y，接著系統(tǒng)按RTU地址順序依次輪巡采集集氣站所有流程內(nèi)井口數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)循環(huán)不斷地傳回集氣站控制器。集氣站所轄所有RTU和攝像機(jī)均有各自固定地址編號(hào)，這樣，集氣站RTU數(shù)據(jù)采集程序按照地址發(fā)出控制命令次序采集數(shù)據(jù)，能夠保證一座集氣站一百余口單井，數(shù)十個(gè)流程，幾百個(gè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

3.3數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高

由于集氣站所轄單井眾多，所有流程RTU不能同時(shí)與站內(nèi)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，所以井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)采用輪巡方式采集集氣站所有井口數(shù)據(jù)，假設(shè)氣田每座集氣站有120口單井，分為60個(gè)流程，系統(tǒng)設(shè)定每個(gè)流程輪巡10 s采集數(shù)據(jù)，如此，一個(gè)集氣站的所有流程RTU輪巡周期約為10 min，即每10 min所有井口數(shù)據(jù)更新一次，相比之前人工現(xiàn)場(chǎng)巡井最高頻次每天一次，井口數(shù)據(jù)的采集刷新頻率提高了一百多倍，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性大幅提高，為生產(chǎn)管理提供了可靠依據(jù)。

3.4井口安全性提高

氣田井口地面工藝以流程為基本單元，每個(gè)流程地面管線均安裝緊急截?cái)嚅y，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了井口緊急截?cái)嚅y的遠(yuǎn)程控制功能，并在系統(tǒng)中設(shè)定閥門控制指令優(yōu)先級(jí)最高，避免控制指令受到數(shù)據(jù)輪巡的干擾和阻斷，可在突發(fā)應(yīng)急情況下隨時(shí)對(duì)井口進(jìn)行操作，閥門響應(yīng)快速靈敏。同時(shí)，井口緊急截?cái)嚅y具備超欠壓自動(dòng)保護(hù)功能，即可對(duì)閥門設(shè)定高低壓危險(xiǎn)限定值，當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)壓力超限時(shí)，閥門啟動(dòng)自我，實(shí)現(xiàn)閥門自動(dòng)關(guān)閉，這樣保證了井口的生產(chǎn)安全，降低了井口生產(chǎn)事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

4　結(jié)語(yǔ)

井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了井口數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及閥門的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了井口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，滿足了作業(yè)區(qū)日常生產(chǎn)管理的需要。同時(shí)，井口數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集代替了繁重的人工外出巡井，降低了人員的勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，優(yōu)化了管理模式，降低了生產(chǎn)運(yùn)行的成本。人工巡井的減少還降低了外出的交通風(fēng)險(xiǎn)，多方面地降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)管理效率。但由于井口生產(chǎn)的天然氣為未凈化的濕氣，還有水、凝析油、細(xì)沙等雜質(zhì)，所有井口計(jì)量均存在偏差，若要提高井口氣量計(jì)量精度，則需要對(duì)計(jì)量?jī)x表進(jìn)一步選型。

［1］ 王曉宇，等.短波電臺(tái)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的組建［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，（3）：56-58.

［2］ 沈琪琪，朱德生.短波通訊［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［3］ 侯磊，等.淺談怎樣實(shí)現(xiàn)單井?dāng)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳數(shù)字化管理［J］.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2012，（6）：34-36.

TE938.1

A

1673-5285（2016）05-0108-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.05.028

2016－03-29

張向京，男，2004年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)工作于長(zhǎng)慶油田第二采氣廠數(shù)字化與科技信息中心，從事自動(dòng)化控制方面的工作，郵箱：zhangxj_cq@petrochina.com.cn。