基于Opto22的模擬井噴井組自動控制系統(tǒng)的設計

李 文，錢步仁，劉小東，王召凱

（中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102249）

基于Opto22的模擬井噴井組自動控制系統(tǒng)的設計

李 文，錢步仁，劉小東，王召凱

（中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102249）

隨著井控教學的發(fā)展，建設模擬井噴井組來替代普通實驗井平臺將成為各大油田培訓中心的必備設施。文章對模擬井噴的相關條件進行了理論分析，選用Opto22 SNAP I/O控制系統(tǒng)為控制核心及相關電氣設備，在此基礎上設計了控制程序及組態(tài)，形成了具體的實驗井建設方案。經(jīng)現(xiàn)場使用結果表明，新型井控培訓控制系統(tǒng)提高了整體工作效率，為技術人員的培訓工作提供了極大的便捷，具備成為科學研究平臺的資格。

Opto22控制系統(tǒng)；實驗井理論分析；控制程序設計；組態(tài)設計

為了提高井控培訓效率，降低培訓技術人員的工作強度和安全風險，在模擬井噴井組的基礎上設計自動控制程序，能大大提高操作精度及工作效率。為此，筆者在對實驗井相關建設數(shù)據(jù)進行理論分析后，選用Opto22 SNAP PAC控制系統(tǒng)[1]作為控制核心，輔以相關電氣設備及上位機程序完成整個系統(tǒng)的聯(lián)動，提高培訓系統(tǒng)的自動化性能。

1 實驗井建設理論計算

1.1 實驗井深計算

采用常用的G105、Φ127*9.19mm鉆桿，在鉆具重量能克服流體上頂力的安全前提下，根據(jù)確保實現(xiàn)所需的功能來確定井深。

設井深為H、壓縮機工作壓力為15MPa，井口壓強（套壓Pa）為15MPa，液柱靜壓強（Pl）為0.0098H（MPa）。

在發(fā)生溢流、井涌時，鉆具在井內受重力、氣體的上頂力、流體的浮力及摩擦力；井口壓力取15MPa，摩擦力為0.185H（查閱資料），液柱靜壓強為0.0098ρH，浮力忽略不計。因此鉆具要克服氣體的上頂力，鉆具最小的重量m應滿足：

液體使用清水，則ρ=1；Φ127*9.19鉆桿的質量系數(shù)為29 kg/m，代入式（1）求得H=1188 m。

為了縮短鉆井井深，配1柱Φ158mm鉆鋌90m，鉆鋌重量124 kg/m。則：H=664 m。

為了平衡重量，保證鉆柱安全，取安全系數(shù)1.2，則鉆具長度定為796.8m（取整800米），井深確定為820 m。

1.2 儲氣井計算

儲氣井選用 Φ311.5mm鉆頭，下 N80級Φ244.5mm*10.03的套管，使用J55鋼 級Φ60.3mm*4.83的注氣管。下面將以滿足噴高45m、及持續(xù)10min的情況為例，進行相關理論數(shù)據(jù)計算。

1.2.1 噴高與噴時的相關推導

儲氣井排出流量模擬與注氣管選擇儲氣井的最大排氣流量與管徑、管長、壓力、流速、摩阻等因素有關。經(jīng)查閱相關資料得知氣體噴高與速度及質量流量的關系如下表。

表1 氣體噴高與速度及質量流量關系表

同時，模擬井噴持續(xù)時間與質量流量的關系如圖1所示。

圖1 Φ60.3mm注氣管注氣模擬泄流量圖

從圖中可知，使用Φ60.3mm注氣管，當模擬井噴持續(xù)10 min時的質量流量應在4 kg/s以上時，才能滿足設計模擬井噴要求。

1.2.2 儲氣井容積推算

1）氣體密度計算

空氣密度在標準大氣壓下，0℃時的空氣密度為1.293 kg/m3，則儲氣井的儲氣壓力為15MPa、20℃（常溫）時的空氣密度為：

2）滿足噴高45m、質量流量4.78 kg/s及持續(xù)10 min的情況下，所需15MPa、5MPa的空氣體積計算：

依據(jù)氣態(tài)方程，換算為噴出后壓力為5MPa時的氣量為

3）儲氣井最小容積計算

使用的寄生管內徑為0.051 m、內容積為2.04L/ m，長度分別為780、350、55 m，其總容積為2.42 m3。則儲氣井最小容積為：

求得:V儲=24.5 m3

因此設計儲氣井的容積大于24.5m3，通過適當操作，能夠近似模擬出目標井噴要求。

由于井噴高度與質量流量、噴口截面積及初始速度、空氣物性參數(shù)有關，對于出口為Φ127mm鉆桿與Φ244.5mm套管的環(huán)空來說，其體積流量為：

其中：v=滿足一定氣體噴高時的氣體流速。

可見所選環(huán)空能達到質量流量為4.78 kg/s的要求，考慮到質量流量略大，可以把出口適當縮小。以確保噴高25、35、45m時質量流量分別控制到2.83、3.3、4.78 kg/s。

2 井控培訓系統(tǒng)的設計

井控培訓的內容一般是，利用井控裝置和注氣設備實現(xiàn)氣侵、溢流、井涌、井噴等模擬功能，使學員能夠完成以下訓練：

A.井侵（或溢流）的發(fā)現(xiàn)；

B.發(fā)現(xiàn)溢流后的關井程序；

C.壓井過程訓練；

D.井噴演示。

考慮到井控培訓工作的繁瑣，為了克服傳統(tǒng)傳統(tǒng)培訓系統(tǒng)的低自動化性，我們設計了控制系統(tǒng)，完成井控培訓的遠程自動化操作。

2.1 系統(tǒng)的硬件設計

Opto控制公司是一個已經(jīng)超過10年的，且在工業(yè)自動化，遠程監(jiān)控，及數(shù)據(jù)采集與應用方面的硬件及軟件的供應商和集成商[2]。單就產(chǎn)品線而言，Opto22可能無法與一些自動化巨頭相比，但在PAC與I/O技術及應用方面實力很強勁[3]。Opto22研發(fā)和制造軟硬件，包括自動化及控制、遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集[4]，其生產(chǎn)的PAC結合了PLC的穩(wěn)定性控制與PC系統(tǒng)的靈活組態(tài)[5]?；赑AC系統(tǒng)的架構很靈活，可大可小，性價比頗高[6]，本系統(tǒng)就是基于Opto22 PAC設計而成。

整個系統(tǒng)的架構如圖2所示，由上位機、控制系統(tǒng)及執(zhí)行單元這三部分組成。上位機主要運行Opto22 SNAP PAC Control[7]及PAC Display[8]程序，可以放置遠離現(xiàn)場的機房內由技術人員操作?？刂葡到y(tǒng)即Opto22 SNAP I/O控制系統(tǒng)，負責數(shù)據(jù)的采集及傳輸，上位機與控制器之間通過以太網(wǎng)進行通信。使用傳感器獲取實驗井場的相關環(huán)境參數(shù)，電磁閥負責管道的通斷。

圖2 控制系統(tǒng)的結構設計

選用Opto22 SNAP I/O系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸。該系統(tǒng)采用標準以太網(wǎng)技術和協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，采用前端智能分布式I/O控制，系統(tǒng)I/ O點數(shù)容量大，擴展方便、靈活，具有相當高的可靠性和抗干擾能力[9]。I/O模塊用于接收現(xiàn)場的電信號，實現(xiàn)對現(xiàn)場被控對象的實時控制。SNAP I/O控制系統(tǒng)中所有的I/O模塊都采用模塊化卡件形式，能方便地進行維護和在線替換[10]。另外I/O模塊可進行帶電拔插，I/O接口板也可帶電拔插，故在更換時無需斷電停機，進一步提高了系統(tǒng)的可維護性[11]。在設計本井控培訓控制系統(tǒng)時，筆者的硬件選型大致如下：

其中數(shù)字量輸入/輸出模塊是為了獲取電磁閥工作狀態(tài)/控制電磁閥的開閉，而模擬量輸入模塊是獲取傳感器的數(shù)據(jù)，模擬量輸出模塊控制調節(jié)閥的開度。另外，控制系統(tǒng)采集相關的電流電壓信號，可以通過模塊轉換成數(shù)字信號傳給計算機等設備，十分方便[12]。

表2 Opto22 SNAP I/O控制系統(tǒng)選型表

2.2 控制系統(tǒng)的軟件設計

軟件設計包括控制程序及組態(tài)，分別由PAC Control Pro 9.3和 PAC Display Configurator Pro 9.3軟件包完成。

2.2.1 控制程序設計

Opto22的控制程序開發(fā)軟件PAC Control支持流程圖和腳本語言兩種開發(fā)方式，其腳本語言Opto Script的語法類似于 C語言[13]。

在控制程序設計中，筆者就井控培訓涉及的幾種注氣注水操作進行了劃分，在主程序中設置了標志位，使得組態(tài)中選擇不同的操作執(zhí)行不同的子程序。對于一定噴高及噴時的井噴演示以及正常的井控訓練，都要求控制程序能實現(xiàn)定量操作，因此筆者在注氣注水環(huán)節(jié)加入了相關控制語句。

定量注氣（注水）的實現(xiàn)由程序控制，以注氣為例，先通過目標注氣量計算出儲氣井的最終壓力，然后在傳感器參數(shù)滿足時自動結束子程序即可：

另外，也可以計算出實時的注氣量，由操作人員自己決定：

RT_Gas_Volume=（Gas_Pressure-PT1）*2.11；

由于我們使用了流量傳感器，實現(xiàn)定量注水算法類似。

由于模擬井噴的介質流量注入對模擬效果至關重要，因此在管道中增加了調節(jié)閥，控制程序中則引入了PID算法[14]?，F(xiàn)場智能I/O單元可以完成PID功能，適應實時的工業(yè)控制、遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集的要求[15]。

2.2.2 組態(tài)設計

采用Opto22的PAC DISPLAY軟件編成組態(tài)顯示上位機界面，將界面中各個模塊與軟件程序中各個變量進行關聯(lián)[16]。它提供了可靠、快速的I/O掃描，并利用新的通訊處理技術——多線程I/O引擎技術，使它和Opto 22硬件產(chǎn)品之間的通訊速度更快、更穩(wěn)定[9]。圖3為筆者設計的井控培訓系統(tǒng)組態(tài)：

圖3 組態(tài)運行設計圖

筆者所設計組態(tài)中，左側的布局與現(xiàn)場布局相仿，右邊為操作選項。技術人員只需要選擇不同操作，就可以實現(xiàn)現(xiàn)場電氣設備的聯(lián)動，從而完成不同的操作任務。另外，組態(tài)對傳感器數(shù)據(jù)、電磁閥工作狀態(tài)等相關監(jiān)測信息進行實時刷新，使得技術人員只需要在遠端操作上位機即可，安全便捷。

3 結 論

整個井控培訓平臺設計完畢，在Y油田H實驗井場進行現(xiàn)場安裝調試，用于某石油工程板塊業(yè)務競賽——鉆井作業(yè)實操。在比賽中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，極大的提升了工作效率，獲得一致好評，得出以下結論：

1）基于Opto22數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設計的井控培訓系統(tǒng)，運行可靠，維護、擴展靈活。

2）人機交互簡化了操作流程，降低工作強度，提高工作效率。

3）為井控培訓引入了自動化操作，不僅可以實現(xiàn)一定要求的噴高/噴時演練，還可以在此基礎上作為研究井下多相流運移規(guī)律的科學實驗平臺。

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Design of the automatic control system of the blowout simulation well group based on Opto22

LI Wen，QIAN Bu-ren，LIU Xiao-dong，WANG Zhao-kai
（College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Along with the development of the well control teaching，build the simulation of the well group to replace the ordinary experimental well platform will become the essential facilitiesin the major oil field training center.In this paper，we analyzed the relevant conditions of the blowout simulation，chose the Opto22 SNAP I/O control system as the control core and some electrical equipments.On this basis，the control program and configuration are designed，thus the construction scheme of concrete experimental wells is formed..The results show that the new well control training system has improved the overall working efficiency，provides a great convenience for the technical personel in the training，and could become a platform for scientific research.

wellcontroltrainingsystem；Opto22controlsystem；controlprogramdesign；configurationdesign

TN081

：A

：1674－6236（2017）06-0144-04

2016-03-18稿件編號：201603246

李 文（1990—），男，安徽桐城人，碩士研究生。研究方向：信號檢測與處理技術。