油田远程智能注入系统的开发

油田远程智能注入系统的开发1 张蕊万熠朱振杰 山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室山东济南250061 摘要：为了解决采油效率问题，开发了用于三次采油的远程智能注入系统，本系统包含物料输送、搅拌、调剖注入、检测与控制的硬件系统，以及实现远程智能监控和智能注入的软件系统。本系统将可编程控制器与组态王有机结合，可实现聚合物与水浓度的自动精确配比、远程调控井口的注入流量和注入压力、实时监控与 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 施工参数，具有检测数字化和控制自动化的优势，该系统已在油田得到成功应用。 关键词：注入系统；组态；实时监控；远程智能控制；现场总线 Development of Remote and Intelligent Injection System Used in Oil Field ZHANG Rui, W AN Yi, ZHU Zhen-jie Shandong University, Key Laboratory of High-efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Ministry of Education, Shandong Province, Jinan 250061 Abstract: A remote and intelligent injection system has been developed which is used in tertiary oil recovery. Hardware system of this unit is employed in materials handling, mixing, profile control, detection and control. The software system is developed to realize remote intelligent monitoring and intelligent injection. The combination of programmable logic controller and Kingview of this system has several advantages, such as the automatic precise proportion of polymers and water, remote control of flow rate and injection pressure, real time monitoring and record of parameters. This system has characteristics of digital test and automatic control and it has been applied successfully in oil field. Keywords: Injection system, configuration, real-time monitoring, remote intelligent control, field bus 0 引言 石油作为主要能源，在国民经济和国防建设中起着举足轻重的作用，提高石油产量是世界各国非常重视的问题[1 ]。目前全国各大油田经过长期的开发，主力油田均已进入高含水期，三次采油将把油田开发技术带入新阶段，而注聚合物驱油是三次采油中普遍使用的一种方法。由于注聚工程的特殊性(注入周期短、设备选用多等)，它仍是一项工程投资大、运行费用高的复杂系统工程，需进一步提高注聚工艺和技术水平，降低工程投资，节能降耗[2 ]。聚合物混配设备是用于三次采油的重要地面机电一体化产品，主要是将水和水溶性聚合物干 1收稿日期： 基金项目：国家自然基金（51175306）和山东省自然基金（ZR2010EQ041）支持 作者简介：张蕊（1987-），女，山东菏泽人，主要从事机械制造及其自动化方面的研究 E-mail:sduzhangrui@gmail.com 通信联系人：万熠，男，副教授，硕士生导师，博士. E-mail: wanyi@sdu.edu.cn 粉定量充分溶解，配制聚合物原液，经熟化搅拌等后期处理，达到设计所要求的浓度和粘度值，然后注入地下，达到堵水驱油、提高油藏采收率的目的。 目前，油田注聚主要是人工配料后运到现场，消耗了大量的人力、物力、财力，配料程度差，自动化程度低。为此，开发了远程智能注入系统，能够实现聚合物与水的自动配比及自动上料。文献[3-7]分别研究了组态软件在石油开采及其它场合的应用，并验证了组态软件在工业生产中应用的可行性。实践 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：组态软件为工业生产现场设备的监控和管理提供了一种新的途径，提高生产率和安全性。为此，本研究将可编程控制器（PLC）与组态软件有机结合，采用网络通讯技术实现各部分的自动协调运行。实现注入流量的自动调节，溶液浓度，注入流量，注入压力的数据网络传输与实时查询。 1 远程智能注入系统的硬件组成与设计 开发了智能注入系统的硬件部分：包括物料存储与输送设备、搅拌设备、调剖注入设备以及远程智能检测与控制设备组成，其原理图如图1所示。 聚合物自动添加装置 该部分由储料箱、料斗、振动器、料位开关、螺旋送料电动机、鼓风机等部件组成。该添加装置的设计原理：首先将聚合物添加储料箱内，由螺旋送料电动机将聚合物送入料斗内，鼓风机将料斗内的聚合物通过管道输送到搅拌罐。由变频器来调节螺旋送料电动机的转速实现螺旋送料电动机的每转送料量的调节。 搅拌装置 该部分由搅拌罐、电动阀、液位计、搅拌器等部件组成。搅拌装置的设计原理：聚合物、交联剂及水在搅拌罐内混合，由搅拌器充分搅拌；液位计为罐内液位进行实时监测，将监测信号发送到远程智能控制系统，实现对电动阀的自动控制；系统开发所用的阀均为电磁阀，利于实现自动化。 聚合物添加装置 交联剂添加装置搅拌间A 搅拌间B 加料间搅拌间调剖注入间 调剖注入 泵注入井 口 智能操作控制间 控制信号水交联剂 聚合物混合液 图1 远程智能注入系统原理图 仪表控制系统 由变频器、空气开关、继电器等元件组成，使整套设备可以实现手动与自动控制。远程 智能注入系统的核心部分由工业用计算机、CPU 、CC-Link 、远程I/O 模块，远程设备站（远程A/D 转换模块）、D/A 转换模块、流量计、压力计、液位计等组成。该系统采用一个CPU 对注入现场进行控制。该CPU 通过CC-Link 模块及CC-Link 现场总线与这些核心部件建立起通信，如图2所示。现场总线也称为开放式，数字化，多点通信的底层控制网络，其应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多点数字通行。现场总线把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以其为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 FX3U-16MR/ES-A FX2N-2DA FX2N-16CCL-M Ethernet AJ65SBTB1-16D AJ65BTB2-16DR AJB65SBT-64AD AJ65SBT-64AD AJ65SBT-64AD AJ65SBT2N-16R AJ65SBTB1-16D AJ65SBT2N-16R 1#站2#站 3#站 4#站 5#站6#站 7#站 8#站终端电阻 加 料 间 搅 拌 间 调剖注入间 CCLINK 现场总线 图2 PLC 与远程模块的网络通信 2 远程智能注入系统软件的设计与实现 2.1 智能注入系统的软件设计 该系统的软件设计主要是对控制器PLC 的编程，编程主要完成手动控制方式和自动控制方式两个功能：当系统部分设备发生故障，或者是需要调整部分工作参数时，针对这种情况，该系统提出了手动控制方式，手动控制可将系统中的部分设备转换为手动操作，而其它部分按自动方式工作。在手动状态下，系统中的各种检测量及报警信号仍然由计算机采集、显示及报警；自动控制方式：所有设备都由计算机控制，实现整个系统的全自动操作。自动控制方式的工艺流程如图3所示。 启动 A 罐来水阀打 开 螺旋送料电机打开同时计时开始 时间到？ 开到位？ 螺旋送料电机 关闭 大于搅拌液位？ A 罐搅拌电机 启动 小于搅拌液位？ A 罐搅拌电机停止 大于液位上限？ A 罐高压来水阀关闭 关到位？ A 罐出料阀打开 小于液位下限？ A 罐出料阀关 闭 关到位？ A B 罐来水阀打 开 螺旋送料电机打开同时计时开始 时间到？ 开到位？ 螺旋送料电机 关闭 大于搅拌液位？ B 罐搅拌电机 启动 小于搅拌液位？ B 罐搅拌电机停止 大于液位上限？ B 罐高压来水阀关闭 关到位？ B 罐出料阀打开 小于液位下限？ B 罐出料阀关闭 关到位？ B C D A,D 同时满足 B,C 同时满足 Y N N Y N Y N Y N Y Y N Y Y N N Y N Y N Y N Y N Y N Y 调剖泵启动 循环 N Y Y N 开到位？ 开到位？ N Y Y N N 图3 自动控制程序流程图 根据聚合物注入系统自动控制流程图，可将控制系统分成三个部分：加料系统、搅拌系统及调剖注入系统。加料系统是整个系统开发的关键，实现聚合物的精确配比及自动上料，是整个生产的原料准备系统；搅拌系统是整个系统开发的核心部分，实现聚合物、交联剂及水的混合，再经搅拌罐充分搅拌形成符合要求的混合液；调剖注入系统将混合液注入油井内。 1）加料系统的设计 该部分主要实现自动控制聚合物与水浓度的精确配比，其设计原理为：操作人员在组态界面中输入聚合物的浓度，系统首先根据公式计算出该罐溶液达到设定浓度时所需要的聚合物质量，然后系统再由聚合物质量、螺旋送料电动机的转速及每转送料量计算出达到浓度配比所需要的送料时间，这样，系统可通过控制送料时间来实现聚合物与水浓度的自动精确配比。其中系统通过变频器的调速来调节螺旋电动机的每转送料量，系 统检测到进水阀开到位时，自动启动螺旋送料电动机，同时开始对送料时间计时，计时达到送料时间时，自动关闭螺旋送料电动机，加料自动结束。 2）搅拌系统的设计该部分主要实现搅拌及液位检测，关键在于用液位检测值与液位设定值的比较结果向电动阀及搅拌电机发出控制指令。首先打开来水阀，系统对液位自动检测，当液位达到设定搅拌液位时，启动搅拌电机，搅拌器开始搅拌，使聚合物、交联剂及水混合并充分搅拌，同时开始对搅拌时间计时，达到监控界面中设定时间时，搅拌电机自动停止，搅拌器停止搅拌。当液位达到液位设定上限时，关闭进水阀。当进水阀关到位且搅拌时间到时，打开出料电动阀。当液位达到液位设定下限时，出料电动阀关闭；该系统采用两个搅拌罐，为了避免两个搅拌罐的液位不同时，溶液由液位高的罐倒流入液位低的罐内，故在系统软件设计时应当使这两个搅拌罐的出料阀不能同时打开，在编程时它们之间是互锁的。 3）调剖注入系统的设计该部分主要功能是将混合溶液注入油井内。其设计原理是：系统根据两搅拌罐出料阀的开闭状态，控制调剖泵的启停。系统检测到两个搅拌罐的出料电动阀中有一个开到位，调剖泵就自动启动，两个出料阀同时关闭，调剖泵自动停止。同时检测注入流量和注入压力，将检测的流量，压力与注入流量和压力的设定值相比较，通过变频器调节调剖泵的转速，由转速来调节注入流量和注入压力，使其与设定值相吻合。 2.2 远程智能监控的实现 图4 远程智能注入系统的主监控画面 采用组态王软件来实现整个系统的远程监控。组态王通过与PLC建立通信，可对整个油田远程智能注入系统中的液位，流量，压力等进行实时监控。并从中得到所需数据，能够方便，及时地查看现场信息。组态王具有远程监控，数据采集，数据分析，过程控制等强大功能[8]。它集过程控制设计、现场操作及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统、应用及信息交流汇集在一起，实现最优化管理[9]。 为了实现控制系统的实时监控本系统设计了多个图形界面：系统主监控画面（如图4所示），数据报表界画面，模拟量趋势曲线界面，设备运行状态显示画面，参数设定画面等。通过这些画面直观地反应出控制系统的运行状态和所有参数的变化。画面上设有面板，可以很方便的切换到报表及其它界面，便于观察系统详细的信息。在图中运用了动画连接表示一些数据的变化，例如用绿色表示泵，电机，阀门的运行状态；用红色表示泵，阀门，电机的 温馨推荐 您可前往百度文库小程序 享受更优阅读体验 不去了 立即体验 停止状态。用罐体填充颜色高度的变化来表示液位高低变化，用不同颜色的小矩形的运动表示物料、水和混合液流动动状态。 在工艺流程监控界面上设计了启动和停止按钮，在自动方式和现场有关条件满足的情况下，操作人员可以通过监控界面上的按钮来控制整个注入系统的启动与停止。在设计参数设定界面时，设定各输入参数的输入范围。在操作人员输入的参数超出该范围，系统就会提示出错，并显示参数的输入范围。针对被控对象的各个模拟量参数都设计了趋势曲线图，便于查看模拟量的变化的过程。操作人员在控制操作间里就可以观察各个工艺过程的运行情况；系统将实时数据保存到关系数据库中，并进行数据库的查询。操作人员可随时查看个参数及模拟量的变化情况，查询历史数据，并可打印数据报表。工业现场的生产状况以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令能够迅速送达生产现场。这就实现了对远程设备的智能监控。 3 结束语 本研究将工控组态软件与PLC有机结合，开发了油田远程智能注入系统，大大提高了三次采油的自动化和智能化程度。能够实现现场设备的在线诊断，报警，数据的分析，生成和打印报表等功能，改变了人工抄表，现场手动操作的原始监控方法。同时，系统通过对送料时间的控制实现了聚合物与水的自动精确配比，通过变频器对调剖泵的调速，达到对注入流量和压力的调节，实现了对井口注入流量和压力的控制，提高了精细化水平。 本系统已在油田得到成功应用，具有较高的实用价值。 参考文献： [1]邹万勤，谢祥恩，刘敏，等.海上油田注聚自动化控制系统设计与应用[J]. 中国海上油气，2010，22（5）：322-325. [2] 于天津.注聚合物装置自动控制系统设计与研究[D].山东：中国石油大学(华东)检测技术与自动化装置、2008：12-40. [3] 赵云丰，刘万军.组态软件在油田生产监控管理中的应用[J].微计算机信息，2005，21（1）：60-62. [4] 王建.油田污水处理分布式控制系统的应用研究[D].武汉：武汉理工大学控制理论及控制工程、2008:10-26. [5] 杜喜昭，石秀华，赵丽强.油田抽油机数据采集实时监控系统[J].测控技术，2010,29（9）：51-57. [6] 陆金.组态技术在油田监控系统中的应用[J].工程技术，2009，10：36. [7] 姚志恩.基于组态控制技术的喷水织机控制系统的研究与实现[J].南京：东南大学无限工程、2006:5-28. [8] 周美兰，周封，王岳宇.PLC电气控制与组态设计[M].北京：科学出版社，2003. [9] 王宇，李忠勤，任思璟.PLC电气控制与组态设计[M].北京：电子工业出版社，2010. 山东省济南市历下区经十路17923号250061 手机：151******** 张蕊（1987-），女，山东菏泽人，主要从事机械制造及其自动化方面的研究E-mail:sduzhangrui@gmail.com 通信联系人：万熠，男，副教授，硕士生导师，博士. E-mail: wanyi@sdu.edu.cn 第一次修改说明 1．文中未说明聚合物与水的自动精确配比是如何实现的 聚合物与水的自动精确配比在文中2.1节有体现，但没有叙述清楚，此次修改将将溶液浓度精确配比的原理在2.1节的加料系统中作了详细介绍。 2．2.1节和2.2节次序反一下 针对2.1和2.2节，根据本系统的开发过程，系统的软件设计时在组态监控系统设计之前设计的，所以讲这两节进行了位置的对换。 3．3结束语太长，重点未突出 针对本文的结论部分的修改，删除了大量的繁琐语句，将语句简化，简明地表达了本系统的意义及价值。 4．全文叙述性内容较多，体现研究内容较少 针对本文的介绍系统开发的语句太过叙述性，对本文的语句表达方式做了调整， 5．图3有错 本次修改将图3 重新调整了一下，将错误修正过来。 第二次修改说明 1.文章题目在上次修改已经修改为《油田远程智能注入系统的开发》了。文件名还是用的原来的。 2.针对图3的错误，参考了文献[2]的流程图（如图a）进行了再次修改；下面介绍流程图的自动控制流程。 启动自动控制方式，若搅拌罐没有达到液位上限，且B罐来水阀关闭，自动打开A罐来水阀。来水阀开到位后，自动打开螺旋送料电动机，同时开始对送料时间进行计时，计时到后，自动关闭螺旋送料电动机。系统处于启动状态时，系统就对液位进行实时检测，若液位大于搅拌器设定搅拌液位值，搅拌器开始搅拌，当液位大于液位设定液位上限时，高压来水阀关闭，A罐来水阀关到位并且B搅拌罐出料阀关到位时，A罐出料阀打开，出料阀开到位时，调剖泵启动；A、B两罐的出料阀不能同时打开，同时打开时，溶液可能会从液位高的罐流向液位低的罐，即出现溶液的回流现象，但A、B罐的出料阀有一个打开，调剖泵就会启动；A罐开始液位下降，当液位低于搅拌器的设定搅拌液位值后，搅拌器停止搅拌，当液位小于设定下限时，A罐出料阀关闭；在A罐高压来水阀关到位时，若B罐的出料阀也关到位，此时B罐高压来水阀打开，此后动作与A罐动作相同，当B罐高压来水阀和A 罐出料阀同时关到位时，A罐高压来水阀打开，此后动作与上述相同，依次循环。 图a 第三次修改说明 图3中的‘结束’是指一个控制流程的结束，但也是下一个控制流程的开始。故改为‘循环’较好。