CN103206194A - 一种海上石油平台注采*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上石油平台注采***实验装置，包括：计算机控制模块，用于进行信息的处理和控制；控制柜模块，与所述计算机模块连接，用于信息的传输；注采***装置平台，接受控制柜模块传来的信息，用于进行模拟实验的平台。本发明模拟海上石油平台生产***，并能按照实验要求模拟不同的工况，可以建立该装置***的监控画面，采集所需运行数据，应用先进控制优化策略，检验优化效果，最终达到海上石油平台注采***整体优化的目的，解决了现有注采***优化过程中，数学理论模型与实际生产装置存在较大偏差、无法模拟现实不同工况影响等问题，便于开展装置优化协同优化控制实验研究，此外，本发明操作方便，有着良好的应用价值。

Description

一种海上石油平台注采***

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，尤其涉及一种海上石油平台注采***实验装置。

背景技术

目前，能源短缺严重制约我国经济的发展，海洋石油的开发利用是解决我国能源危机的重要手段，海上石油平台是海上石油开采的主要装置，采油***和注水***是其主要的生产***，影响石油的产量，同时注采***消耗大量电能，然而由于注采***控制技术落后，导致石油产量受到制约，电能存在严重浪费，对平台注采***进行优化控制，对于提高石油产量，节能减排，提高海洋石油的整体开采效益具有重要的意义，现在对注采***的优化的模型主要有理论分析建立的数学模型或是实际生产装置，数学模型与实际装置存在较大偏差且无法模拟现实不同工况影响；实际生产平台装置试验成本高，不宜重复实验，优化控制方法的实施存在很大的风险，每个平台差异较大，测试数据和结果缺乏普适性，因此迫切需要建造一套注采动态模拟***实验装置，既能模拟基本的实际生产工况，又可以低成本重复实验，在此装置上采集所需数据，建立控制模型，优化注采***控制方案，检验模型精度和优化效果等。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种海上石油平台注采***实验装置，旨在解决现有注采***优化过程中，数学理论模型与实际生产装置存在较大偏差、无法模拟现实不同工况影响等问题，便于开展装置优化协同优化控制实验研究。

本发明实施例是这样实现的，一种海上石油平台注采***，所述海上石油平台注采***包括：

注采模拟装置平台，与所述控制柜模块连接，接受控制柜模块传来的信息，用于进行模拟实验的平台；

计算机控制模块，用于进行信息的处理和控制；

控制柜模块，与所述计算机模块连接，用于信息的传输。

进一步、所述计算机控制模块还包括安装Advantys配置软件和组态王组态软件的计算机；

Advantys配置软件，用来对Advantys自动化岛进行配置，配置好后，下载到Advantys岛上，设置通讯方式和通讯地址，实现计算机控制模块与自动化岛网络接口模块的通讯，同时利用Advantys配置软件读取I/O寄存器地址及实时I/O数据值；

组态王组态软件，用来对装置进行组态，建立实时监控画面，可以实时监控和显示装置各部分的运行状态，采集并保存所需数据，添加使用控制算法。

进一步、所述控制柜模块还包括：I/O采集模块、接线端子排、继电器、变频器、电压变送器、电流变送器、变压器，24V供电电源。

进一步、所述I/O采集模块采用Schneider公司生产的Advantys分布式智能I/O***，Advantys自动化岛从左至右依次为：网络接口模块NIP2212，它内置智能芯片，可以自动为I/O口分配地址，自带存储模块，用来存储从上位机下载的配置程序，依据TCP/IP协议可以通过网络接口直接与控制计算机通讯；一片电源分配模块PDT3105，需要24V电源供电，为其后卡件提供5V电源；五片模拟电流输入模块ACI1400；一片基板电流扩展模块CPS2111；一片电源分配模块PDT3105；三片模拟电流输出模块ACO0220；四片模拟电压输出模块AVO1250；一片电源分配模块PDT3105；一片数字量输入模块DDI3725；一片数字量输出模块DDO3705。

进一步、所述继电器采用RU4S-D24，一端连接控制电路，一端连接电机供电电路，起到隔离保护作用。

进一步、所述注采模拟装置平台还包括：

注水模块，用于对供水槽注水；

采油模块，用于进行模拟采油操作。

进一步、所述注水模块包括：供水槽、离心泵、高位水槽。

进一步、采油模块包括：井筒、抽油离心泵、电动调节阀、手动阀门，检测仪表、连接管路。

附图说明

图1是本发明实施例提供的海上石油平台注采***的结构图；

图2是本发明实施例提供的注采模拟装置平台的结构图；

图3是本发明实施例提供的组态王中建立的装置总体监控画面；

图4是本发明实施例提供的组态王中建立的实验控制测试画面；

图5是本发明实施例提供的流量与扬程的拟合曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明上网海上石油平台注采***主要由计算机控制模块1、控制柜模块2和注采模拟装置平台3组成；

(1)计算机控制模块1：计算机控制模块1为DELL公司生产的中小企业商用台式机Vostro系列计算机11，计算机使用XP操作***；在计算机上安装Advantys配置软件和组态王组态软件；Advantys配置软件用来对Advantys自动化岛进行配置，配置好后，下载到Advantys岛上；设置通讯方式和通讯地址，实现计算机控制中心与自动化岛网络接口模块的通讯；同时可以利用Advantys配置软件读取I/O寄存器地址及实时I/O数据值；组态王组态软件用来对装置进行组态，建立实时监控画面；可以实时监控和显示装置各部分的运行状态，采集并保存所需数据，添加使用控制算法等。

(2)控制柜模块2：控制柜模块2里主要包括I/O采集模块21、接线端子排22、继电器23、变频器24、电压变送器27、电流变送器28、变压器25，24V电源26。

I/O采集模块21采用Schneider公司生产的Advantys分布式智能I/O***，它具有广泛的兼容性，支持当前主流的现场总线及以太网.为本装置设计的Advantys自动化岛从左至右依次为：网络接口模块NIP2212，它内置智能芯片，可以自动为I/O口分配地址，它还自带存储模块，用来存储从上位机下载的配置程序，依据TCP/IP协议可以通过网络接口直接与控制计算机通讯；一片电源分配模块PDT3105，需要24V电源供电，为其后卡件提供5V电源；五片模拟电流输入模块ACI1400；一片基板电流扩展模块CPS2111；一片电源分配模块PDT3105；三片模拟电流输出模块ACO0220；四片模拟电压输出模块AVO1250；一片电源分配模块PDT3105；一片数字量输入模块DDI3725；一片数字量输出模块DDO3705。它们的基板依次安装在导轨上，板卡依次插在对应的基板上，构成Advantys自动化岛，固定于控制柜内；I/O中间端子排用于连接I/O采集模块和其它设备，同一条信号线路用相同的端子号标注，中间端子排对复杂的线路进行了梳理和简化；继电器23采用RU4S-D24，一端连接控制电路，一端连接电机供电电路，起到隔离保护作用，共八个，分别接入八台电机的供电电路，控制它的开断来控制电机的启停；变频器24采用施耐德公司生产的ATV32H055M2小型通用变频器，通过控制变频24的输出频率，进而对离心泵上的拖动电机转速进行控制，从而可以控制离心泵的排量和扬程，变频器24共八台，每台变频器24单独控制一台电动机，通过变频器24改变电压频率，从而控制泵的工况，相对传统的调节阀门控制，可以节约大量电能，也有利于实现自动控制；电压变送器27和电流变送器28用来测量每台变频器24的输出电压和电流，进而可以求得每台泵消耗的电能。变压器分25为380V到220V变压器和220V到24V变压器两种，此装置外部380V交流供电，但此装置很多设备需要220V和24V供电，需用变压器转化到220V和24V；24V电源26将220V交流电转化为24V直流电，为I/O采集模块21和各种变频器24等供电。

(3)注采模拟装置平台3：注采模拟装置平台3主要分为注水模块和采油模块两部分，具体包括：电动调节阀31、高位水槽32；采油泵33、供水槽34、井筒35、注水泵36；

①注水模块：注水模块主要由供水槽34、离心泵、高位水槽32、手动阀门、检测仪表、连接管路、注水泵36构成，

供水槽13为一上下底面外凸的圆柱形钢罐，用螺丝固定于底层基板上，储存水，为注水泵15供水，顶端接进水管路，底部接出水管路；在罐的顶部设有连通阀，连通阀打开，使罐内和罐外连通，保持罐内气压稳定；罐的一测安装透明示液管，与罐连通，显示罐内液位，在罐的上部安装电容式液位变送器L2，用来检测罐内液位高度，将液位信号送入控制计算机，可以显示液位值；

注水离心泵共三台，两台32GDLF4-20和一台32GDLF4-30，三台泵并联安装在底层基板上，泵的进水口通过钢管与供水槽34相连，在连接总管路上安装压力变送器P1，检测注水泵36的入口水压，在每台泵进水口管路上分别安装有一个手动调节阀S2、S3、S4；每台泵的出口管路上分别安装带过滤器的涡轮式流量变送器F1、F2、F3，用来检测每台泵的排出水流量，管线上还有手动调节阀S5、S6、S7和单相逆止阀N1、N2、N3，单相逆止阀用于防止水逆流。三条管路汇总到一条总管路，总管路与上位水槽的底部连接，在总管上安装压力变送器P14和涡流式流量变送器F4分别检测总管水流的压力和流量；

上位水槽为一上下底面外凸的圆柱形钢罐，固定于上层基板上，底部一根管路与供水泵出口总管连接，水从此管路流入，另一根管路为水流出管路，经过手动调节阀S11与采油模块连接；罐的一测安装透明示液管，与罐连通，显示罐内液位；罐的上部安装电容式液位变送器L1，用来检测罐内液位高度，，高位水槽32是一个密闭容器，顶部连通针阀正常运行时关闭，蹩压以保持注水压力，在罐的顶部设有安全阀，安全阀与供水槽34连接，防止罐内压力过高，起保护作用。

②采油模块：采油模块模拟五口采油井，每台抽油井除抽油泵型号有所差异(一台25CDLF2-40，两台25CDLF2-30，两台25CDLF2-20)，其他部分基本相同，采油井主要由井筒35、抽油离心泵、电动调节阀31、手动阀门，检测仪表、连接管路等构成；

井筒35为双层透明塑料结构，井筒35的底部固定于底层基板上，通过管路与上位水槽的出水管路连接，在出水总管上安装压力变送器P2，检测注水压力，在井筒35水流入口处安装有手动调节阀S18，阀门后安装压力变送器P3，检测井底水压，水流从井筒35底部入口进入井筒，井筒35内有一直径较小的透明管，模拟油管，管上部与井筒35的外壁固定在一起，下部距井筒35底部一段距离，允许水流入其中，抽油泵的进水端通过钢管深入油管内，

抽油泵为25CDLF2-XX系列离心泵，固定于底层基板上，泵的入口端与井筒油管相连，抽取进入井35的液体，泵的出口管路首先经过逆止阀N4与电动调节阀D2连接，控制电动调节阀31的开度可模拟油嘴直径的变化，逆止阀可防止液体回流，五口采油井采出的液体最终汇总到总油管，总油管上的压力变送器P13检测压力，流量变送器F10检测流量，总油管上还安装有电动调节阀D1，可以用于调节井口回压等，总油管经过手动调节阀与供水34连接。

如图2所示，本发明实施例提供的上网海上石油平台注采动态模拟装置的整体工作过程：

本发明主要包括计算机控制模块1、控制柜模块2、注采模拟装置平台3三部分，计算机控制模块1是一台DELL公司生产的中小企业商用台式机Vostro系列计算机11，计算机上装有Advantys配置软件和组态王组态软件，他是整个装置的信息处理和控制中心，计算机控制模块1通过网线直接与控制柜模块2中的Advantys自动化岛连接，Advantys配置软件用于对Advantys自动化岛进行配置，同时用于控制计算机与Advantys自动化岛之间的信息交互，各变送器采集的信号经I/O采集模21Advantys自动化岛上传到计算机控制模块1，控制中心发出的控制信号经I/O采集模块21Advantys自动化岛下传至各个执行器，，控制柜模块2一方面与计算机控制模块1连接，另一方面与注采模拟装置平台3连接，是信号传输和控制的枢纽，它主要包括I/O采集模块21、接线端子排22、继电器23、变频器24、电压变送器27、电流变送器28、变压器25，24V电源26；各变送器采集的物理信号转化为标准的电压、电流信号，经导线连接到控制柜的接线端子排22，然后接到I/O采集模块21，最后传到计算机控制模块1，计算机控制模块1传出的控制信号，经I/O采集模块21，然后经接线端子排22到达各执行器，装置供电***由变压器25、24V电源26、继电器23、变频器24等组成，安装于控制柜的下部，外部为***提供380V交流电，380V交流电经380V～220V变压器25转化为220V交流电，24V电源26把220V交流电转化为24V直流电，为所需设备供电。控制计算机对电机的控制信号经I/O模块21后控制继电器23的开断和变频器24的频率，进而实现对电机的控制；

(2)Advantys自动化岛与控制计算机的连接及配置：按下控制柜上的控制器电源开关，开启控制计算机11，使用网线将网络接口模块NIP2212与控制计算机11连接，修改计算机的IP地址使它与网络接口模块NIP2212处于同一网段号，打开Advantys配置软件，按照实际Advantys自动化岛中各模块的顺序，在软件中建立同样的岛，对连接方式进行设置，选择TCP/IP协议，设备地址输入NIP2212的MAC地址对应的IP地址84.30.21.19，然后实现软件和Advantys自动化岛通讯，对Advantys自动化岛进行配置编译，配置正确后，下载到Advantys自动化岛的芯片中，配置程序会存于Advantys自动化岛的芯片中，无需每次上电后配置，为了在线写入数值，将工作方式设定为TEST模式。利用Advantys配置软件可以根据需求对I/O卡件进行其它的设置；

(3)在组态王组态软件建立一个工程：在组态王中建立一个工程：海上注采***，然后进入该工程，进行配置和设计，

①设备连接配置：在该工程的目录栏中选择设备，然后新建I/O设备，设备驱动里选PLC，厂家莫迪康，设备名称：Modbus(以太网)，通讯描述TCP，设备逻辑名称：新I/O设备，设备连接串口选COM1口，设备地址为84.30.21.194，尝试恢复时间30s，最长恢复间隔24h，然后确认配置完成，可以实现组态王软件和I/O采集模块Advantys自动化岛的通讯；

②变量定义：在工程目录中选择数据库，在它里面的数据词典里对所需的变量进行合理的定义；

③建立监控画面：如图4和图5所示，总体监视画面和实验控制测试画面：根据装置的实际结构建立总体监视画面，给各变送器添加相应的显示文本框，将文本框与所需显示的变量建立连接，***运行后，可以实时显示变量的值，便于监控。依据优化算法的需求，确定所需要采集的数据，建立合适的控制测试画面，此装置可以自动调节的变量是电机的供电频率，电机控制采用PID控制，在控制卡件中选择PID控制器，然后对其参数进行设定。选择流量作为被控量，给定其设定值，电机频率为自变量，根据PID控制器的输出，不断调节其值，最终使流量达到设定值。设计启动/停止按钮，用于控制继电器的开断，页面切换按钮，用于不同画面之间的切换，画面的右下部分为数据显示区，将需要监控的变量在此处显示。左下部分为SQL数据表数据采集部分，***运行后，点击连接SQL表，可以连接到创建的SQL表，单击创建表格按钮可以创建新的格式的SQL表。点击***一条记录，可以自动***存储一组数值，单击查询记录可以查询采集的数据，单击断开SQL，将断开与SQL表的连接，页面切换按钮，用于不同页面之间的切换；

④控制算法的加入：在工程目录中选择命令语言中的应用程序命令语言，在里面写入装置控制程序和优化算法程序等；

⑤数据库的建立：在工程目录中的SQL访问管理器中建立所需的表格模板和记录体。在控制计算机中建立Access表，进入ODBC数据源管理器，添加SQL数据库的驱动程序Microsoft Access Driver(*.mdb)，最终可使采集的数据存入Access表中。

图3中：A：安全阀；C1～C5：采油泵；D1～D6：电动调节阀；F1-F10：流量变送器；G：供水槽；H：高位水槽；J1～J5：井筒；L1～L2：液位变送器；N1～N8：单相逆止阀；P1～P13：压力变送器；S1～S33：手动调节阀；T1～T2：连通针阀；Y1～Y2：示液管；Z1～Z3：注水泵。

本装置上可进行的主要实验：

1、单台注水泵性能工况测试：通过测取注水泵的入口水压力、出口水压力、流量、输入电压、输入电流、转速等变量的值，可以得到不同转速下流量与扬程、流量与效率、流量与功耗等关系曲线。

2、多台注水泵并联运行工况测试：首先可以测试各台泵的出口水压与总汇管水压之间的关系，在给定所需供水压力和流量的情况下，还可以通过加入算法调节每台泵的开关和频率来达到供水单耗最小的节能优化目的。

3、单口采油井测试：通过测试井底水压、井口出水压力、流量、泵的转速、电动调节阀的开度、总油管压力等，可以得到单井产量与井底流压、井口回压、采油泵转速、油嘴直径等因素的关系式，还可以对采油泵的单位采油量能耗进行优化控制测试。

4、多口采油井并联运行的整体工况：井口回压在实际生产中是需要严格控制的，此***可以测试拟合得到井口回压与各井运行工况之间的关系，从而达到对井口回压控制的目的。

5、一台注水泵，一口采油井循环测试实验，通过调节手动阀门的开关，可以使水流按设计的管路流动。根据注采平衡原理可以对单循环***进行优化测试。

6、注采***一体化优化实验：这是此装置主要的实验功能，注水模块和采油模块相互影响，采油模块为主模块，优化的目标是提高产量，降低单位产液量能耗，注水模块为从模块，注水量和注水压力由采油模块的需求决定，注水模块的优化目标是注采匹配，同时尽量提高注水泵的整体效率，降低能耗。利用前面得到的单台注水泵性能曲线、注水模块整体工况关系、单口采油井的变量关系式、采油模块的整体关系函数，可以推导出注采***的整体关系式，通过加入优化算法，可以实现期望的优化目的。

本装置已进行的模拟实验及其实验结果：单台注水泵流量与扬程关系的测试实验，首先启动装置***，打开监控画面，开启第一台注水泵，改变流量不同的设定值，会得到一组对应的入口压力和出口压力值，进而可求得扬程值，使用MATLAB中的拟合函数，可以拟合出泵的流量与扬程之间的关系式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海上石油平台注采***，其特征在于，所述海上石油平台注采***包括：

计算机控制模块，用于进行信息的处理和控制；

控制柜模块，与所述计算机模块连接，用于信息的传输；

注采模拟装置平台，与所述控制柜模块连接，接受控制柜模块传来的信息，用于进行模拟实验的平台。

2.如权利要求1所述的海上石油平台注采***，其特征在于，所述计算机控制模块还包括安装Advantys配置软件和组态王组态软件的计算机；

Advantys配置软件，用来对Advantys自动化岛进行配置，配置好后，下载到Advantys岛上，设置通讯方式和通讯地址，实现计算机控制模块与自动化岛网络接口模块的通讯，同时利用Advantys配置软件读取I/O寄存器地址及实时I/O数据值；

组态王组态软件，用来对装置进行组态，建立实时监控画面，可以实时监控和显示装置各部分的运行状态，采集并保存所需数据，添加使用控制算法。

3.如权利要求1所述的海上石油平台注采***，其特征在于，所述控制柜模块还包括：I/O采集模块、接线端子排、继电器、变频器、电压变送器、电流变送器、变压器，24V供电电源。

4.如权利要求3所述的海上石油平台注采***，其特征在于，所述I/O采集模块采用Schneider公司生产的Advantys分布式智能I/O***，Advantys自动化岛从左至右依次为：网络接口模块NIP2212，它内置智能芯片，可以自动为I/O口分配地址，自带存储模块，用来存储从上位机下载的配置程序，依据TCP/IP协议可以通过网络接口直接与控制计算机通讯；一片电源分配模块PDT3105，需要24V电源供电，为其后卡件提供5V电源；五片模拟电流输入模块ACI1400；一片基板电流扩展模块CPS2111；一片电源分配模块PDT3105；三片模拟电流输出模块ACO0220；四片模拟电压输出模块AVO1250；一片电源分配模块PDT3105；一片数字量输入模块DDI3725；一片数字量输出模块DDO3705。

5.如权利要求3所述的海上石油平台注采***，其特征在于，所述继电器采用RU4S-D24，一端连接控制电路，一端连接电机供电电路，起到隔离保护作用。

6.如权利要求1所述的海上石油平台注采***，其特征在于，所述注采模拟装置平台还包括：

注水模块，用于对供水槽注水；

采油模块，用于进行模拟采油操作。

7.如权利要求6所述的海上石油平台注采***，其特征在于，所述注水模块包括：供水槽、离心泵、高位水槽。

8.如权利要求6所述的海上石油平台注采***，其特征在于，所述采油模块包括：井筒、抽油离心泵、电动调节阀、手动阀门，检测仪表、连接管路。

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