張向京，李　華，張　昀，李曉蕓，劉　杰，茍景衛(wèi)

（中國石油長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)

（中國石油長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，井場采用井叢模式，計量方式采取井口計量，同時為確保井口生產(chǎn)安全，井口緊急截斷閥需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程截斷功能，因此在對井口數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸?shù)幕A(chǔ)上，提出了更高的要求，本文主要針對氣田井口特有的工藝模式，闡述了井口數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，以及單量、井口緊急截斷功能的實現(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)，長慶油田第二采氣廠對榆林、子洲氣田所有天然氣氣井已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化管理，實現(xiàn)了對井口數(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井口工藝簡介

氣田井場采用井叢式模式，即一個井場可以分布若干單井，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斷閥，進(jìn)行統(tǒng)一的氣量計量和緊急關(guān)斷操作，這樣的井組被稱為一個流程。井叢式井場通常有若干流程，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

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、井口截斷閥控制等命令輸出。針對這些問題，對氣田井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)提出以下要求：

（1）同井場內(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)實時性高；

（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、緊急截斷閥、孔板流量計、攝像頭、RTU、數(shù)傳電臺以及太陽能供電系統(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（見圖1）。

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

壓力、溫度變送器：對井口油壓、套壓、溫度實時測量，測量數(shù)據(jù)以4 mA～20 mA信號傳輸至井口RTU。

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

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

攝像頭：對井場進(jìn)行拍照，實現(xiàn)定時拍照和隨時抓拍功能。

RTU：對井口所有數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，并通過無線電臺將數(shù)據(jù)傳至集氣站，同時對集氣站發(fā)出控制指令進(jìn)行分析，控制井口拍照和緊急截斷閥操作。

數(shù)傳電臺及天線：采用微波電臺，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RS485信號和集氣站控制器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)出截斷閥控制命令。

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。而井口流量計采用一種智能流量計，可實時測量孔板閥兩側(cè)壓差、氣流溫度和管線壓力，其他孔板及組分參數(shù)需要手動輸入，流量計內(nèi)部芯片計算出瞬時流量和累積流量，然后通過RS485信號將流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄赗TU［3］。由于氣田多數(shù)井場距離其集氣站4 km左右，數(shù)傳電臺功率大多采用10 W即滿足實際需求，對于個別較遠(yuǎn)或地勢復(fù)雜的井場則采用25 W的電臺。電臺與井口RTU之間采用RS485信號傳輸數(shù)據(jù)，只需一根雙芯信號纜即可傳輸所有井口數(shù)據(jù)。

每個井口流程內(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中完成并儲存，RTU采用RS485接口連接至井口電臺，數(shù)據(jù)通過電臺無線傳輸至集氣站，站內(nèi)電臺接收到數(shù)據(jù)，經(jīng)過串口服務(wù)器信號轉(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)，實現(xiàn)區(qū)部對生產(chǎn)狀態(tài)的實時監(jiān)控（見圖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點定時發(fā)出拍照命令至井口RTU，RTU控制攝像頭拍照，此時數(shù)據(jù)采集傳輸暫停，照片數(shù)據(jù)通過電臺傳回站內(nèi)，經(jīng)串口服務(wù)器信號轉(zhuǎn)換后，通過光纖網(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流程較多，集氣站控制器無法同時與所有RTU通訊，所以系統(tǒng)采用電臺輪巡方式，集氣站RTU依次訪問井口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)置每次訪問時間為10 s，持續(xù)讀取儲存在該流程RTU內(nèi)數(shù)據(jù)，并即時傳回站內(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)（見圖3）。

圖3　輪巡采集方式

2.4閥門控制命令的傳輸特點

氣田井口每個流程的地面管線上均安裝有緊急截斷閥，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。井口緊急截斷閥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)程開關(guān)命令，實現(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。

2.4.1命令傳輸與數(shù)據(jù)輪巡相獨立要實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制井口緊急截斷閥，需要系統(tǒng)程序中開發(fā)截斷閥控制模塊。由于井口緊急截斷閥遠(yuǎn)程操作頻次較少，具有突發(fā)性，而井口數(shù)據(jù)采集實時性要求較高，所以在程序中將閥門遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)輪巡采集分為兩個相互獨立的功能模塊。系統(tǒng)程序平時運(yùn)行數(shù)據(jù)輪巡采集模塊，當(dāng)遠(yuǎn)程閥門需要控制時，激活控制模塊，截斷閥控制命令發(fā)出?？刂颇K和輪巡模塊切換程序如下：

2.4.2控制命令傳輸優(yōu)先級最高由于緊急截斷閥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，即當(dāng)控制命令發(fā)出時，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，程序自動切回數(shù)據(jù)輪巡采集，開始正常數(shù)據(jù)輪巡采集。

2.4.3控制命令采用脈沖信號井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)采用無線電臺傳輸，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的脈沖信號作為閥門控制指令的輸出，這樣既保證井口電臺能接收到控制信號，同時也實現(xiàn)了系統(tǒng)中控制指令的自動復(fù)位。控制指令脈沖信號結(jié)束時，數(shù)據(jù)輪巡采集即從該RTU開始，讀回閥門開關(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)又可以實時監(jiān)控井口所有數(shù)據(jù)，操作井口截斷閥，觀察截斷閥開關(guān)狀態(tài)等。

3　應(yīng)用效果

3.1形成標(biāo)準(zhǔn)化井場

氣田單個井場的單井?dāng)?shù)量多，結(jié)合地面工藝特點-井叢式井場和井場流程劃分，確定以流程為最基本單元，建立相互獨立的數(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，有利于形成井叢式標(biāo)準(zhǔn)化井場。

3.2井口數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效

每個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和截斷閥，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，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)十個流程，幾百個數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

3.3數(shù)據(jù)實時性高

由于集氣站所轄單井眾多，所有流程RTU不能同時與站內(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個流程，系統(tǒng)設(shè)定每個流程輪巡10 s采集數(shù)據(jù)，如此，一個集氣站的所有流程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)實時性大幅提高，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，每個流程地面管線均安裝緊急截斷閥，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)實現(xiàn)了井口緊急截斷閥的遠(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)急情況下隨時對井口進(jìn)行操作，閥門響應(yīng)快速靈敏。同時，井口緊急截斷閥具備超欠壓自動保護(hù)功能，即可對閥門設(shè)定高低壓危險限定值，當(dāng)實際生產(chǎn)壓力超限時，閥門啟動自我，實現(xiàn)閥門自動關(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。

4　結(jié)語

井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)的建立，實現(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，實現(xiàn)了井口數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性，滿足了作業(yè)區(qū)日常生產(chǎn)管理的需要。同時，井口數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集代替了繁重的人工外出巡井，降低了人員的勞動量和勞動強(qiáng)度，節(jié)省了大量的勞動力，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，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)，所有井口計量均存在偏差，若要提高井口氣量計量精度，則需要對計量儀表進(jìn)一步選型。

［1］ 王曉宇，等.短波電臺無線數(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)于中國石油大學(xué)（華東）自動化專業(yè)，現(xiàn)工作于長慶油田第二采氣廠數(shù)字化與科技信息中心，從事自動化控制方面的工作，郵箱：zhangxj_cq@petrochina.com.cn。