基于LabVIEW的高压气井环空带压管理系统应用

冯　洁，解秦保，翟　超，王　贝

(1.河南理工大学 应急管理学院，河南 焦作 454000；2.海工国际工程有限责任公司，天津 300461)



基于LabVIEW的高压气井环空带压管理系统应用

冯洁1，解秦保2，翟超2，王贝2

(1.河南理工大学 应急管理学院，河南 焦作 454000；2.海工国际工程有限责任公司，天津 300461)

摘要：气井环空带压会严重威胁天然气的生产安全和环境健康。为有效管理高压气井环空带压问题，分析了高压气井环空带压原因，在此基础之上建立高压气井环空带压管理操作流程。针对高压气井生产动态，在采气树环空连通阀引入压力变送器与自动泄压管线，并基于LabVIEW平台，结合DATAQ数据采集卡、及PLC下位机，开发出高压气井环空压力管理系统。进而进行压力泄放/恢复监测与井口气体泄漏测试。结果表明，该系统测量精度高、运行稳定可靠，同时节省了人工成本，对提高高压气井动态管理水平与风险控制技术有重大意义。

关键词：LabVIEW；高压气井；环空带压；管理系统

在天然气井生产过程中，环空压力经井口阀门泄压后又重新恢复到泄压前压力值或低于泄压前压力值的现象叫做环空带压SCP(sustainedcasingpressure)。根据美国联邦矿业管理局统计，墨西哥湾外大陆架有超过该地区总井数43%的井至少有一层环空带压[1]。我国塔里木油田高压气井中有93%存在环空带压现象，最高环空带压值甚至超过50MPa[2]。随着开采期的增加，环空带压问题日益突出，已经成为影响气井安全生产的重要因素。因此，适合于高压天然气井的环空带压管理系统亟待开发与研究。

LabVIEW是国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一，然而与其配套使用的ATE系列采集卡价格昂贵，其他品牌满足功能需要的采集卡因与LabVIEW连接困难而导致应用的不多[3]。本文基于LabVIEW开发平台，利用Windaq控件，实现对DATAQ数据采集卡控制，实时采集井口环空阀门上的温度、压力变送器数据；同时通过DataSocket完成与下位机PLC之间的实时通讯，进而控制泄压电磁阀门的开闭运动、进行压力泄放/恢复测试。开发了高压天然气井环空带压管理系统，具有适合井场实际生产、在同等技术条件下要求成本低的优点。

1环空带压管理流程

引起环空带压的因素主要是以下3种：首先是环空流体受热膨胀引起的压力升高，该种情况压力可经过环空泄压阀泄去。其次是作业施加的环空压力，该种情况是临时变化的压力，可通过压力变化识别出。第3是油套管柱泄漏、水泥环失效引起气窜而导致的环空带压。其中，环空密封失效导致油气从地层经水泥封固井段和环空液柱向上窜流是形成环空带压的主要原因。当上窜天然气来源是生产层或有能力产生油气的地层时，因其具有持续流动的能力而使这种情况危险性非常高，必须制定合理的环空带压管理措施[4]。

1.1环空最大许可压力计算

根据APIRP90标准[5]，油气井井身结构是由许多层的套管构成的，两层套管之间的环形空间称之为环空。依据由内而外的不同位置的环空，可以依次将其表示为“A环空”、“B环空”、“C环空”…，当环空带压值超过管柱强度极限时，油气会突破井的安全屏障造成泄漏甚至井喷等安全事故。因此，需要给定环空最大许可压力(MaximumAllowableWellheadOperatingPressure，MAWOP)来评判环空带压危险程度。参考APIRP90标准，定义MAWOP如下：

1)A环空MAWOP为以下各项最小者。

①油管抗挤毁强度的75%。

②生产套管抗内压强度的50%。

③内层技术套管抗内压强度的80%。

④生产套管头强度的60%。

2)中间环空MAWOP为以下各项最小者。

①该环空内层套管抗挤毁强度的75%。

②该环空外层套管抗内压强度的50%。

③该环空外、隔层套管抗内压强度的80%。

④该环空套管头强度的60%。

3)表层环空MAWOP为以下各项最小者。

①外层技术套管抗挤毁强度的75%。

②表层套管抗内压强度的50%。

③表层套管头强度的60%。

井下管柱为多种规格油套管共同组成，即使同一层管柱也包含多种类型油套管及井下工具。因此在计算各层环空MAWOP时要充分考虑不同种类的管柱，取其最小值。

1.2环空带压管理流程

气井的环空带压值以MAWOP为安全上限。当环空带压值超过该值时，认为必须进行关井；当环空带压值小于MAWOP时，需要进一步分析，进行泄压/压力恢复测试。目前，普遍认为进行泄压/压力恢复测试的临界压力值为0.7MPa(100psi)[6]，即当气井环空带压值介于0.7MPa(100psi)和MAWOP之间时，需要进行泄压/压力恢复测试，并且该井需要实时监测环空带压状态变化、定期进行泄压/压力恢复测试，其管理流程如图1 所示[7]。其中p1、p2均为临界压力值。

1.3环空带压管理系统设计要求

根据上文建立的环空带压管理(操作)流程可知：高压气井环空带压管理系统应满足以下各项性能的设计要求。

1)功能完整，操作和控制方便。

2)准确监测与记录压力、温度，测试精度小于0.2%F.S.。

3)实时显示出环空压力、温度及系统工作状态。

4)顺利开关泄压阀门，并且可选择手动/自动2种模式。

5)控制系统滞后时间小于500ms。

图1　环空带压管理流程

2高压气井环空带压管理系统设计

为满足高压气井环空带压管理系统的性能要求，采用模块化设计思路。该系统由环空带压数据采集系统和环空泄压系统组成，如图2 所示。

2.1基于LabVIEW与DATAQ的环空带压数据采集系统

数据采集系统通过采气树环空连通阀上的温度、压力变送器将环空温度、压力参数转换为对应的模拟信号，模拟信号再通过信号隔离器、DATAQ数据采集卡及485通讯模块传输至PC。基于LabVIEW平台开发数据采集分析模块，利用Windaq接口函数与DATAQ采集卡连接，实现对环空温度、压力的实时监测，其中数据采集的程序框图如图3所示。

图2　高压气井环空带压管理系统

图3　DATAQ数据采集程序框图

数据采集系统依据高压气井环空压力采集时间久、采样频率及精度要求不高的特点，选择适合工况DATAQ数据采集卡。对比采用以前的LabVIEW配套的NI数据采集系统，降低了成本。

2.2基于LabVIEW与PLC的环空泄压系统

利用数据采集系统实现天然气井环空带压值实时监测，当压力超过0.7MPa(100psi)时可通过环空泄压系统进行泄压/恢复测试。该系统采用Siemens公司点到点通讯模块CP340，利用集成在CP340模块中的ASCII码通讯协议，将LabVIEW与PLC结合起来，实现上位机对PLC端口的开关控制，进而控制井口泄压管路中的电磁阀启闭，完成环空泄压/恢复[8]。向PLC中发送数据命令读取寄存器状态框图程序如图4所示。

图4　发送操作指令程序框图

3现场应用

图5　高压气井环空带压管理系统软件界面

环空压力变化曲线如图6所示。该井放压前A环空压力值为18.85MPa，泄压后压力降到4MPa，关闭阀门后压力恢复为稳定值15.85MPa。采集泄压气体未发现天然气成分，判断A环空压力为流体热膨胀造成，表明油管、生产套管及封隔器完整性良好。

图6　环空压力变化曲线

井口气体泄漏测试曲线如图7所示，测试2h后A环空泄压，压力曲线pA值降低为4.4MPa。之后关闭环空泄压阀门，pA恢复到19.03MPa并稳定。8h调节油嘴，油压p0升高到50.52MPa，此时观察pA升高为29.61MPa，并且pA变化趋势与p0相似，说明油管柱有泄漏。同时由于pA小于p0，说明泄漏量不大，需要时刻监测A环空压力，定期进行泄压测试。当A环空带压值出现上升趋向时，必须进行关井维修工作。

图7　井口气体泄漏测试曲线

4结论

1)介绍了气井环空带压原因，在此基础之上建立了环空带压管理流程，进而提出了环空带压管理系统要求。

2)基于LabVIEW平台、结合DADAQ数据采集卡及PLC控制器开发的高压气井环空带压管理系统，降低了数据采集系统成本，适合井场实时应用。

3)利用井口实时动态监测数据，可以发现油管柱泄漏，保障高压气井的安全生产。

参考文献：

[1]AdamTBourgoyne，StuartLScott，JamesBRegg.Sustainedcasingpressureinoffshoreproducingwells[C]//OffshoreTechnologyConference.Houston，Texas：1999-05.

[2]李汝勇，朱忠谦，伍藏原，等.克拉2气田压力动态监测方法[J].石油钻采工艺，2007，29(5)：102-104.

[3]隋红林，王华.LabVIEW下普通数据采集卡的驱动与调用[J].微计算机信息，2009(25)：23-24.

[4]赵鹏.塔里木高压气井异常环空压力及安全生产方法研究[D].西安：西安石油大学，2012.

[5]APIRecommendedPractice90—2006，Annularcasingpressuremanagementforoffshorewells[S].

[6]XuR，WojtannowiczAK.Diagnosisofsustainedcasingpressurefrombleed-offbuilduptestingpatterns[G].SPEProductionandOperationsSymposium.Oklahoma.2001.

[7]ZHUHongjun，LINYuanhua，ZENGDezhi，etal.Calculationanalysisofsustainedcasingpressureingaswells[J].PetroleumScience，2012，9(1)：66-74.

[8]张永根.基于LabVIEW与PLC的船舶柴油机监控系统[J].江苏船舶，2010(2)：27.

ResearchandApplicationofManagementSystemofSustainedCasingPressureforHigh-pressureGasWellBasedonLabVIEW

FENGJie1，XIEQinbao2，ZHAIChao2，WANGBei2

(1.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China；2.COOEC International Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China)

Abstract：The sustained casing pressure (SCP) threatens the safety of gas production and environmental health.To effectively solve the problem in high-pressure gas wells，in this paper the causes of SCP was analyzed and then serious of management operation process for high-pressure gas wells was established.In connection with the production status in high pressure gas wells，the pressure transmitters were used and automatic pressure relief lines were added to the annulus connected valves in Christmas trees and then based on LabVIEW，with the DATAQ data acquisition cards and PLC，a management system for SCP was developed to do the pressure relief/recovery monitoring and tests for gas leakage.The results show that the system is in high precision，stable and reliable，while also will save the labor costs and improve the management level of high pressure gas wells and risk-control techniques.

Keywords：LabVIEW；high pressure gas well；sustained casing pressure (SCP)；management system

文章编号：1001-3482(2016)06-0095-05

收稿日期：2016-01-18

作者简介：冯洁(1989-)，女，河南焦作人，硕士研究生，主要从事管道应急安全及石油钻采方面的研究工作。解秦保为并列第一作者。

中图分类号：TE938.2

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.022