王 勝 曲巖濤 韓春萍

(勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院 山東東營)

基于LabVIEW的稠油蒸汽相對滲透率測控平臺的構(gòu)建

王 勝 曲巖濤 韓春萍

(勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院 山東東營)

介紹基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺的稠油高溫蒸汽相滲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測控軟件的原理,以及系統(tǒng)軟件與硬件的構(gòu)成和工作過程。軟件系統(tǒng)集成了自動控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理和記錄等幾大功能模塊。通過計算機(jī)的多個通信端口,建立計算機(jī)與各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。在應(yīng)用過程中,同時實(shí)現(xiàn)高溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的溫度和壓力等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行濾波分析后,在計算機(jī)上顯示和儲存,并通過計算機(jī)輸出板卡輸出,以實(shí)現(xiàn)對控制閥門的實(shí)時自動調(diào)節(jié)。強(qiáng)大的軟件和良好的人機(jī)界面提高了試驗(yàn)系統(tǒng)的自動化程度和可靠性。實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)具有測量與控制精度高,自動化程度高,工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

LabVIEW;自動控制;數(shù)據(jù)采集;稠油蒸汽驅(qū);相對滲透率

0 引 言

儲層流體滲流規(guī)律的研究對油藏合理開發(fā)起著至關(guān)重要的作用。對于稠油油藏來說,其滲流規(guī)律研究的相關(guān)資料相對較少,尤其是在蒸汽驅(qū)、驅(qū)油劑輔助熱水驅(qū)過程中,兩相流體的滲流規(guī)律及驅(qū)油機(jī)理方面的研究更少,其主要原因是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性和實(shí)驗(yàn)條件的苛刻所造成的。對于稠油熱采室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究手段來說,設(shè)備的耐溫性及高溫條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定性是影響實(shí)驗(yàn)成功與否的重要因素[1]。通常情況下,蒸汽驅(qū)實(shí)驗(yàn)溫度為300℃～350℃,飽和蒸汽壓在8.583 MPa～16.521 MPa,在這樣苛刻的實(shí)驗(yàn)條件下要保證實(shí)驗(yàn)過程中蒸汽相態(tài)和系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性是一大難題,同時高溫環(huán)境下最高程度的自動化將大大降低人為操作所帶來的系統(tǒng)誤差,并且避免操作人員被高溫燙傷的安全隱患,SLCY-1型稠油蒸汽相滲測控平臺從流程設(shè)計、自動控制、數(shù)據(jù)采集等方面很好地解決了實(shí)驗(yàn)過程中所遇到的難題,為稠油蒸汽驅(qū)滲流規(guī)律研究提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),同時為同類設(shè)備的研制提供參考依據(jù)。

1 設(shè)計原則

該系統(tǒng)是基于LabVIEW的稠油蒸汽相滲測控平臺構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),主要工作是實(shí)現(xiàn)蒸汽相滲實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)境溫度、注入速度、系統(tǒng)絕壓、模型兩端差壓及出口回壓的控制及相應(yīng)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集,數(shù)據(jù)通過NI6220的外接口傳輸?shù)焦た貦C(jī)并完成數(shù)據(jù)的記錄處理,并在顯示器上繪制曲線。與傳統(tǒng)儀器一樣,虛擬儀器同樣劃分為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果表達(dá)三大功能模塊。本文選擇基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案,通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號采集到計算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等,并通過D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)反饋控制[2],系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬儀器整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)功能及硬件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)是針對稠油在高溫條件進(jìn)行兩相滲流規(guī)律,特別是稠油/蒸汽相滲、稠油/熱水相滲及管式驅(qū)油效率實(shí)驗(yàn)而設(shè)計,其功能主要是實(shí)現(xiàn)自動控制、自動計量和自動保護(hù),做到運(yùn)行安全,實(shí)驗(yàn)條件控制精確,采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和計算結(jié)果合理。為了實(shí)現(xiàn)以上功能,首先要做好流程的合理設(shè)計和自動控制方式。該流程主要由注入系統(tǒng)、巖心夾持系統(tǒng)、溫度壓力控制系統(tǒng)、回壓控制系統(tǒng)、出口計量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 蒸汽驅(qū)相滲實(shí)驗(yàn)流程簡圖

考慮到該設(shè)備的高溫運(yùn)行環(huán)境及差壓采集精度的較高要求,測控平臺搭建過程中相應(yīng)硬件的型號及技術(shù)參數(shù)的選擇必須能夠適應(yīng)整體指標(biāo)的要求,同時各硬件之間合理有機(jī)組合提高整體技術(shù)指標(biāo),測控平臺硬件組成主要包括以下幾個方面:

(1)差壓變送器 采用羅斯蒙特1151HP高靜壓差壓變送器,變送輸出4 mA～20 mA電流,可耐24 MPa的絕對壓力。三個不同量程的差壓變送器并聯(lián)且具有選擇性開關(guān)功能提高了實(shí)驗(yàn)過程中差壓數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

(2)絕壓變送器 采用上海天沐公司生產(chǎn)的NSI1型壓力變送器,該傳感器和放大電路高度集成,無需調(diào)整電路零點(diǎn)和增益;并且變送輸出4 mA～20 mA電流,方便與其他設(shè)備連接。

(3)溫度變送器 選用可直接變送輸出4 mA～20 mA的溫度變送器。

(4)數(shù)顯模塊 采用天沐公司的NS-Y B04測量顯示控制儀,可輸入多種模擬信號,為各個傳感器提供24 V饋電,并轉(zhuǎn)化為0～5 V電壓值與數(shù)據(jù)采集卡連接。

(5)電子天平 選用德國賽多利斯BS224S型電子天平,量程224 g,精度0.000 1 g,采用串口與工控機(jī)通訊。

(6)差壓計控制部分 由于實(shí)驗(yàn)需要并聯(lián)了三個不同量程的差壓傳感器,同時,根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)差壓的變化要有選擇性的開關(guān),實(shí)現(xiàn)對硬件保護(hù)的同時保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,因此選用氣動閥進(jìn)行差壓傳感器的選擇與保護(hù)。氣源的開閉通過24V電控?fù)Q向閥完成,為了實(shí)現(xiàn)工控機(jī)間接控制該氣源開關(guān),采用控制電壓為5 V的LDG固態(tài)繼電器,并且性能穩(wěn)定。

(7)數(shù)據(jù)采集部分 選用NI公司生產(chǎn)的“NI-6220”PCI數(shù)據(jù)采集卡,屬于M系列的多功能DAQ采集卡,采樣率為250 K Byte/s,可輸入16路模擬信號,輸出24路數(shù)字信號。

3 軟件設(shè)計[3]

實(shí)驗(yàn)過程中的溫度、絕對壓力及模型兩端的差壓測量信號傳輸進(jìn)入測量顯示控制儀,轉(zhuǎn)換為0～5 V的直流電壓信號輸送到NI6220的外接口板后被傳輸?shù)焦た貦C(jī)主程序,電子天平的測量信號通過串口直接輸入工控機(jī)主程序。工控機(jī)主程序?qū)λ休斎氲臄?shù)據(jù)按程序設(shè)計進(jìn)行分析處理、顯示并保存。工控機(jī)主程序是在LabVIEW軟件平臺下編寫而成。

為了便于以后使用中的功能擴(kuò)展,軟件結(jié)構(gòu)按照模塊化設(shè)計,并將各模塊包含在一個“順序結(jié)構(gòu)”框中。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊分成兩部分,一部分通過PCI數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入工控機(jī),而天平通過串口通訊進(jìn)入工控機(jī)。通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入工控機(jī)的信號,由于采用NI公司的產(chǎn)品,LabVIEW中已有該產(chǎn)品的庫VI,故直接調(diào)用DAQ Assistant進(jìn)行訪問便可。由于實(shí)驗(yàn)時噪音很大,在一定程度上污染了傳輸中的信號,致使微弱的電壓信號出現(xiàn)極大的干擾,所以在信號采集后進(jìn)行軟件濾波。通過兩個一階butterworth濾波器串聯(lián)的方式對信號進(jìn)行了充分濾波,濾波效果很好,完全消除了噪音的影響,效果如圖3所示。

圖3 加濾波器前后信號對比

加入濾波器后會造成數(shù)據(jù)采集的滯后現(xiàn)象,針對這一不利現(xiàn)象可采用適當(dāng)提高采集卡的采樣頻率來抵消濾波器所帶來的滯后現(xiàn)象。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí),該系統(tǒng)由于濾波器的介入產(chǎn)生了2 s左右的采樣滯后時間,通過將數(shù)據(jù)采集卡的采樣率從1 k提高到3 k后大大縮短了滯后時間。

3.2 差壓傳感器選擇模塊

三個不同量程(0～110 psi、0～400 psi、0～1 000 psi)的差壓傳感器并聯(lián)在測試模型兩端,系統(tǒng)啟動之后控制模塊為保護(hù)差壓傳感器不被損壞,最大量程的差壓傳感器處于常開狀態(tài),對于量程較小的兩個傳感器,根據(jù)模型兩端差壓值的預(yù)測進(jìn)行選擇性的開啟。首先將三個差壓值引入公式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計算,輸出當(dāng)前模型兩端的差壓值,同時結(jié)合固態(tài)繼電器的布爾量,對符合精度要求的差壓傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和采集。

3.3 主顯示模塊

該模塊用來實(shí)時顯示測控系統(tǒng)各個測量模塊當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),包括模擬量的波形、開關(guān)量的狀態(tài)、異常狀態(tài)示警燈、控制程序執(zhí)行狀態(tài)指示燈、差壓傳感器選擇性控制的氣動閥開關(guān)狀態(tài)及各個參數(shù)當(dāng)前值的實(shí)時顯示等。在這個模塊中,LabVIEW形象化的圖形設(shè)計使得整個實(shí)驗(yàn)流程和運(yùn)行狀態(tài)清晰地顯示在用戶面前,如圖4所示。

圖4 主顯示模塊前面板

有關(guān)測量值的時間監(jiān)控圖像在“監(jiān)控圖像”下拉對話框中選擇,選擇后,相應(yīng)的監(jiān)控圖像將會顯示在主顯示面板上;在不需要時,其將在主顯示面板上隱藏。

3.4 數(shù)據(jù)保存模塊

數(shù)據(jù)保存模塊可以實(shí)時監(jiān)測并保存實(shí)驗(yàn)溫度、出口液質(zhì)量、模型兩端的絕對壓力和差壓值,在保存中生成各數(shù)據(jù)對應(yīng)的時間和各項(xiàng)表頭,并可根據(jù)用戶需要改變存儲周期,所有采集參數(shù)保存為“.xls”格式,方便用戶讀取數(shù)據(jù)和復(fù)現(xiàn)圖像。

4 設(shè)計驗(yàn)證

該高溫稠油蒸汽相對滲透率實(shí)驗(yàn)裝置搭建成功以后,按照稠油蒸汽相對滲透率及驅(qū)油效率測定方法嚴(yán)格進(jìn)行了大量高溫相滲實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該測控系統(tǒng)的性能指標(biāo)及應(yīng)用效果[4],以勝利油田某稠油油藏兩塊巖心高溫蒸汽相滲實(shí)驗(yàn)結(jié)果舉例說明。實(shí)驗(yàn)溫度分別為200℃和250℃,填砂模型滲透率分別為:3 840 md和4 930 md,驅(qū)替介質(zhì)為高溫蒸汽,出口回壓分別為1.6 MPa和4.0 MPa。通過對實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)軟件處理得到相應(yīng)的稠油蒸汽相滲曲線如圖5所示。

圖5 稠油高溫蒸汽相滲曲線

應(yīng)用過程表明,該套設(shè)備及測控系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)。最高耐溫400℃,最高工作壓力30 MPa,實(shí)現(xiàn)了全自動控制與數(shù)據(jù)采集功能,數(shù)據(jù)存取方便,分析結(jié)果合理。該套設(shè)備已經(jīng)為中石化重大先導(dǎo)試驗(yàn)“孤島中二北Ng5稠油油藏化學(xué)蒸汽驅(qū)”項(xiàng)目開展了大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn),研究了化學(xué)蒸汽驅(qū)滲流規(guī)律和驅(qū)油效率,為數(shù)值模擬提供了可靠的物?；A(chǔ)數(shù)據(jù),為勝利油田稠油油藏化學(xué)蒸汽驅(qū)開發(fā)提供了室內(nèi)研究的設(shè)備保障和技術(shù)支持。

5 結(jié)束語

基于LabVIEW的稠油蒸汽相滲測控平臺的成功使用解決了過去在高溫條件下蒸汽驅(qū)稠油滲流規(guī)律及驅(qū)油效率室內(nèi)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的問題,同時,該測控平臺的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了差壓傳感器隨模型兩端實(shí)際壓差大小來自動選擇的功能,改變了傳統(tǒng)設(shè)備單一量程較大的差壓傳感器以滿足更為廣泛的模型測試,大大提高了測試精度。另外,圖形式的程序設(shè)計使用靈活方便,可根據(jù)需要隨時進(jìn)行改動和調(diào)整,充分利用了微機(jī)資源,使測試數(shù)據(jù)盡可能多地保存在數(shù)據(jù)文件里,從而能夠?qū)?shí)驗(yàn)過程中因測試人員的離開而沒有觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能在后期數(shù)據(jù)和圖示中顯示出來,為后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析提供盡可能多的數(shù)據(jù)信息。目前,本裝置已投入實(shí)際應(yīng)用之中,為油田稠油蒸汽驅(qū)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[1] 趙仕俊,伊向藝,蒙傳幼.我國巖心儀器發(fā)展面臨的問題[J].石油儀器,2002,16(6)

[2] 孟武勝,朱劍波,等.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2008,31(11)

[3] 楊樂平,李海濤,趙 勇,等.LabVIEW高級程序設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003

[4] 劉寶良.稠油油藏高溫相對滲透率及驅(qū)油效率測定方法[J].石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),SY/T6315-2006

TP273+.5

B

1004-9134(2010)02-0087-03

王 勝,男,工程師,1973年生,2009年長江大學(xué)油藏工程專業(yè)畢業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)在勝利油田從事油氣田開發(fā)實(shí)驗(yàn)研究工作。郵編:257015

2009-07-22 編輯:姜 婷)

·計算機(jī)與通訊技術(shù)·