叢式井組套管陰極保護數(shù)字化遠程監(jiān)控柜研發(fā)應用

高寶元，高詩惠

(1. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，陜西西安710018； 2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西西安710018)

叢式井組套管腐蝕以外壁腐蝕為主，陰極保護是公認的控制外部腐蝕行之有效的技術(shù)手段之一，合理的陰極保護將有效地延長油水井套管的使用壽命[1]。某油田叢式井組套管陰極保護井場分布較廣，由于沒有數(shù)字化遠程監(jiān)控，且管理不到位，因此每年有許多陰極保護系統(tǒng)受損需要維修。特別是雷雨天，如果不及時關(guān)掉陰極保護系統(tǒng)，會造成陰極保護設(shè)備遭雷擊損壞，從而導致陰極保護設(shè)備不能給油水井提供正常的陰極保護電流，使套管發(fā)生腐蝕，同時也無法滿足油田數(shù)字化建設(shè)發(fā)展的要求[2]。

研發(fā)的叢式井組套管陰極保護數(shù)字化遠程監(jiān)控柜具有體積小、質(zhì)量輕、調(diào)壓安全、運行效率高，能遠程監(jiān)控叢式井組套管陰極保護設(shè)備的運行工況，不需專職人員管理，做到了真正的無人值守，滿足了油田發(fā)展的需求[3]。

1 叢式井組套管陰極保護系統(tǒng)工作原理

為了適應油田外部惡劣的工作環(huán)境，增加叢式井組套管陰極保護系統(tǒng)的運行可靠性并降低成本，研發(fā)中以井組為單元、以套管為重點建立了叢式井組套管陰極保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由動力電源柜、直流供電柜、瓷盤電阻器直流分配柜、油水井套管、絕緣法蘭、深井陽極六部分組成。瓷盤電阻器直流分配裝置單元主要用于控制各單井的輸出電流，平衡井間電位差；絕緣法蘭主要用于防止另一側(cè)未保護管線受到陰極保護系統(tǒng)雜散電流的干擾腐蝕[4]。

叢式井組套管陰極保護系統(tǒng)工作原理如圖1所示，直流電源負極與各單井套管連接，直流電源正極與深井陽極連接，構(gòu)成保護回路。

圖1 叢式井組套管陰極保護系統(tǒng)工作原理示意

2 數(shù)字化遠程監(jiān)控柜構(gòu)成

叢式井組套管陰極保護數(shù)字化遠程監(jiān)控柜主要由陰極保護在線監(jiān)控裝置和高度集成的數(shù)字化遠程控制終端(RTU)兩部分構(gòu)成，陰極保護在線監(jiān)控裝置主要由交流供電單元、智能監(jiān)測陰極保護的電流和電壓儀表單元、可調(diào)式直流供電開關(guān)電源單元、瓷盤電阻器直流分配裝置單元組成[5]。叢式井組套管陰極保護數(shù)字化遠程監(jiān)控柜構(gòu)成如圖2所示。

圖2 叢式井組套管陰極保護數(shù)字化遠程監(jiān)控柜構(gòu)成示意

3 數(shù)字化遠程監(jiān)控柜設(shè)計

3.1 在線監(jiān)控部分設(shè)計

在線監(jiān)控部分由智能監(jiān)測電流儀表、電壓儀表、瓷盤電阻器分配裝置、直流供電電源、RTU等組成，一并安裝在700 mm(長)×450 mm(寬)×1 800 mm(高)的監(jiān)控柜中[6]。

1)智能監(jiān)測電流儀表、電壓儀表。用于采集和傳輸油水井套管陰極保護電流、電壓數(shù)據(jù)，并通過儀表的RS-485接口將采集的電壓和電流數(shù)據(jù)上傳至RTU[7]。

2)瓷盤電阻器直流分配裝置。直流分配裝置里的瓷盤電阻器可以改變保護回路電流值，單井套管一般需要4～5 A電流進行陰極保護；陰極保護電位越低，保護程度越高，保護距離也越長，但過低的電位將使陰極保護管道外防腐涂層與管道金屬的粘接力破壞，產(chǎn)生陰極剝離或出現(xiàn)金屬“氫破裂”，同時過低的電位也將消耗過多的保護電流，形成能源的浪費，所以瓷盤電阻器直流分配裝置也起著平衡井間電位差的作用。

3)直流供電電源。直流供電電源由4個功率為1.5 kW的獨立可調(diào)式開關(guān)電源并聯(lián)組成，可輸出0～60 V的直流電壓，額定電流為100 A。

3.2 RTU設(shè)計

1)硬件設(shè)計。為了滿足自動監(jiān)控的需要，監(jiān)控模塊設(shè)有8路數(shù)字量輸入、3路A/D輸入、6路繼電器輸出、2路D/A輸出、2路報警輸出。為實現(xiàn)本地的人機交互操作，系統(tǒng)采用了LCD界面和24鍵的鍵盤。

a)主控電路。RTU的主控電路采用Intel公司的80C196KC作為主控制器，經(jīng)數(shù)傳模塊和發(fā)射電路將接收數(shù)據(jù)和信號發(fā)射出去。

b)采集電路。將0～60 V直流電壓和各分支的0～10 A電流經(jīng)過信號調(diào)整后，再經(jīng)多路開關(guān)送至主控制器80C196KC處理。

c)控制電路。通過繼電器組遠程啟停陰極保護系統(tǒng)。

d)發(fā)射電路。該模塊適用于無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸[8]，用戶可根據(jù)需要選配GPRS模塊，同時在網(wǎng)絡(luò)交換機端增設(shè)1套無線接收裝置，RTU通過GPRS模塊將需要上傳的數(shù)據(jù)和啟停信號通過接收裝置的RJ-45接口傳輸至網(wǎng)絡(luò)交換機，然后再通過油田已有專用網(wǎng)絡(luò)進行上傳，從而實現(xiàn)了油田叢式井組套管陰極保護的遠程監(jiān)控[9]。

2)RTU軟件設(shè)計。采用組態(tài)軟件，通過集中管理、獨立控制的模式，RTU軟件主程序流程示意如圖3所示。由于各模塊都有自己獨立的監(jiān)控程序，當個別模塊出現(xiàn)故障時，將不會影響整機的運行。系統(tǒng)的初始化包括單片機內(nèi)部控制寄存器的初始化，寄存器區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)的初始化等。自檢包括RAM自檢及控制系統(tǒng)各傳感器自檢，自檢通過后調(diào)用初始化子程序，顯示系統(tǒng)主菜單可用鍵盤選擇各子菜單，包括運行參數(shù)菜單、狀態(tài)菜單、故障記錄菜單及參數(shù)設(shè)置菜單。其中參數(shù)設(shè)置菜單僅供具有權(quán)限的維護人員使用，須輸入密碼才可進行操作。通信握手通過發(fā)送特征碼及接收回彈的數(shù)據(jù)碼來確定通信系統(tǒng)的正常與否[10]。

圖3 RTU軟件主程序流程示意

4 應用效果

叢式井組套管陰極保護數(shù)字化遠程監(jiān)控柜2015年6月至2017年12月應用于該油田60多個叢式井組，可對陰極保護單元中總電流、分支電流、運行工況實時監(jiān)控，做到無人值守，保證了陰極保護系統(tǒng)控制參數(shù)的真實性。實際應用表明： 采用該控制柜，油水井套管防蝕效果好、投入成本低、組網(wǎng)方便、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠、功能強大，克服了傳統(tǒng)人工檢測費時、費力和偶然性多的缺點，提高了油田自動化管理水平，符合油田發(fā)展的需求，有著廣泛的推廣應用前景。

5 結(jié)束語

1)叢式井組套管陰極保護數(shù)字化監(jiān)控柜采用直流脈寬調(diào)制開關(guān)電源供電，克服了傳統(tǒng)型硅整流防蝕儀運行效率低、有振動噪音、發(fā)熱浪費電能等缺點，具有體積小、質(zhì)量輕，不需要配電房等特點，節(jié)約了油田的初期投資費用[11]。

2)叢式井組套管陰極保護數(shù)字化監(jiān)控柜與油田現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)字化運行平臺對接后，可遠程監(jiān)控叢式井組套管陰極保護運行工況，使叢式井組套管的電位恒定在控制范圍內(nèi)，達到最佳保護效果，實現(xiàn)了無人值守，解決了現(xiàn)場管理跟不上的大難題，降低了油井套管發(fā)生腐蝕的風險，是陰極保護技術(shù)發(fā)展的方向[12]。