天然气井口数据远传建设应用

张向京，李　华，张　昀，李晓芸，刘　杰，苟景卫

（中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西榆林　719000）

天然气井口数据远传建设应用

张向京，李华，张昀，李晓芸，刘杰，苟景卫

（中国石油长庆油田分公司第二采气厂，陕西榆林719000）

气田集气站所辖气井较多，通常达上百口，井场采用井丛模式，计量方式采取井口计量，同时为确保井口生产安全，井口紧急截断阀需要实现远程截断功能，因此在对井口数据实现远程传输的基础上，提出了更高的要求，本文主要针对气田井口特有的工艺模式，阐述了井口数据传输的过程，以及单量、井口紧急截断功能的实现。

神木气田；井丛；数据远传；MODBUS

随着数字化气田的不断建设，长庆油田第二采气厂对榆林、子洲气田所有天然气气井已经实现数字化管理，实现了对井口数据（油压、套压、温度、流量）及图片的远程采集，井口设立紧急关断阀，紧急情况下可实现远程关断，确保天然气井的安全生产。

1　气田井口工艺现状

1.1井口工艺简介

气田井场采用井丛式模式，即一个井场可以分布若干单井，所有单井又被分为若干组，同组单井的地面管线相连，安装孔板阀及紧急截断阀，进行统一的气量计量和紧急关断操作，这样的井组被称为一个流程。井丛式井场通常有若干流程，井口管线最终汇入地面干管。

1.2井口数据远传系统特点

由于气田集气站所辖气井较多，数据远传系统需要采集的井口数据量巨大，而且包括井口图片的采集、井口截断阀控制等命令输出。针对这些问题，对气田井口数据远传系统提出以下要求：

（1）同井场内流程较多，要求数据采集准确有效；

（2）集气站所辖单井数目多，要求井口数据实时性高；

（3）井口数据传输、图片采集与阀门控制命令输出要求相互独立，确保控制命令优先。

2　井口数据远传系统技术运用

2.1井口数据远传系统组成

数传系统的井口设备主要包括：压力变送器、温度变送器、紧急截断阀、孔板流量计、摄像头、RTU、数传电台以及太阳能供电系统，集气站内主要设备有控制器、串口服务器和数据电台（见图1）。

太阳能供电系统：井场采用太阳能供电系统，给系统内所有设备提供电源，无阳光情况下，蓄电池容量确保持续工作一周。

压力、温度变送器：对井口油压、套压、温度实时测量，测量数据以4 mA～20 mA信号传输至井口RTU。

紧急截断阀：可实现远程控制，且具有自我保护功能，在突发情况时能及时切断气流，确保集气站及井口人员设备安全。

孔板流量计：测量差压，利用差压、压力、温度及其他参数计算瞬时流量和累积流量，并将流量数据传输至井口RTU。

摄像头：对井场进行拍照，实现定时拍照和随时抓拍功能。

RTU：对井口所有数据进行采集分析，并通过无线电台将数据传至集气站，同时对集气站发出控制指令进行分析，控制井口拍照和紧急截断阀操作。

数传电台及天线：采用微波电台，频率范围220 MHz ～240 MHz，主要负责井口RTU和集气站控制器以及照片服务器之间所有数据和命令的传输［1，2］。

串口服务器：负责电台RS485信号和集气站控制器RJ45接口通讯的数据转换传输。

集气站控制器：利用MODBUS协议采集井口数据，发出截断阀控制命令。

2.2井口数据传输流程

井口RTU直接采集4 mA～20 mA的油套压及井口温度信号。而井口流量计采用一种智能流量计，可实时测量孔板阀两侧压差、气流温度和管线压力，其他孔板及组分参数需要手动输入，流量计内部芯片计算出瞬时流量和累积流量，然后通过RS485信号将流量数据传输到井口RTU［3］。由于气田多数井场距离其集气站4 km左右，数传电台功率大多采用10 W即满足实际需求，对于个别较远或地势复杂的井场则采用25 W的电台。电台与井口RTU之间采用RS485信号传输数据，只需一根双芯信号缆即可传输所有井口数据。

每个井口流程内的压力、流量数据以及井口照片数据采集处理均在该流程的井口RTU中完成并储存，RTU采用RS485接口连接至井口电台，数据通过电台无线传输至集气站，站内电台接收到数据，经过串口服务器信号转换，站内控制器利用MODBUS协议读取井口数据。集气站上位机进行组态，实现站内工艺数据及井口生产数据的统一监控。而中心SCADA服务器通过交换机利用已建光缆读取集气站数据，并和各生产单位区部监控中心采用C/S架构，实现区部对生产状态的实时监控（见图2）。

图1　井口数据远传系统结构

图2　井口数据采集传输流程

井口照片服务器每天12点定时发出拍照命令至井口RTU，RTU控制摄像头拍照，此时数据采集传输暂停，照片数据通过电台传回站内，经串口服务器信号转换后，通过光纤网络传输到厂中心照片服务器，统一进行储存和全网发布。

2.3井口数据轮巡方式

由于集气站所辖的井场流程较多，集气站控制器无法同时与所有RTU通讯，所以系统采用电台轮巡方式，集气站RTU依次访问井口RTU，采集该流程井口数据。以三口井流程为例。RTU数据采集程序如下：

集气站所辖有以井口RTU分配固定地址，站内控制器按地址顺序轮巡RTU，设置每次访问时间为10 s，持续读取储存在该流程RTU内数据，并即时传回站内。以此方式周而复始，不间断的循环采集井口数据（见图3）。

图3　轮巡采集方式

2.4阀门控制命令的传输特点

气田井口每个流程的地面管线上均安装有紧急截断阀，在井口至集气站管线出现泄漏或者集气站出现紧急情况，需要及时切断气源，防止事故进一步扩大，是安全生产的有效保证。井口紧急截断阀不仅具备高效的超欠压自我关断保护功能，而且还能够有效执行远程开关命令，实现远程控制。数据远传系统中的阀门控制命令传输具有以下特点。

2.4.1命令传输与数据轮巡相独立要实现远程控制井口紧急截断阀，需要系统程序中开发截断阀控制模块。由于井口紧急截断阀远程操作频次较少，具有突发性，而井口数据采集实时性要求较高，所以在程序中将阀门远程控制和数据轮巡采集分为两个相互独立的功能模块。系统程序平时运行数据轮巡采集模块，当远程阀门需要控制时，激活控制模块，截断阀控制命令发出。控制模块和轮巡模块切换程序如下：

2.4.2控制命令传输优先级最高由于紧急截断阀的使用控制涉及生产安全保护，所以其控制命令的传输为最高的优先级，即当控制命令发出时，系统内的其他数据传输即刻中断，优先进行控制指令的传输，当控制命令传输结束时，程序自动切回数据轮巡采集，开始正常数据轮巡采集。

2.4.3控制命令采用脉冲信号井口数据远传系统采用无线电台传输，为提高控制指令传输的稳定性和有效性，采用持续5 s的脉冲信号作为阀门控制指令的输出，这样既保证井口电台能接收到控制信号，同时也实现了系统中控制指令的自动复位。控制指令脉冲信号结束时，数据轮巡采集即从该RTU开始，读回阀门开关状态，操作员可判断控制是否操作成功。其复位程序如下：

2.5井口数据监控

集气站内利用嵌入式触摸屏，通过HMIBuilder软件从站内控制器中统一读取井口及集气站生产所有数据并进行组态，操作员可以方便监控集气站生产数据又可以实时监控井口所有数据，操作井口截断阀，观察截断阀开关状态等。

3　应用效果

3.1形成标准化井场

气田单个井场的单井数量多，结合地面工艺特点-井丛式井场和井场流程划分，确定以流程为最基本单元，建立相互独立的数据远传系统，采集各流程井口数据以及控制井口阀门，符合地面工艺特点，有利于形成井丛式标准化井场。

3.2井口数据准确有效

每个流程的所有井口仪表按单井位置顺序依次接到RTU上，然后连接流程流量计和截断阀，接着系统按RTU地址顺序依次轮巡采集集气站所有流程内井口数据，所有数据循环不断地传回集气站控制器。集气站所辖所有RTU和摄像机均有各自固定地址编号，这样，集气站RTU数据采集程序按照地址发出控制命令次序采集数据，能够保证一座集气站一百余口单井，数十个流程，几百个数据的准确性和有效性。

3.3数据实时性高

由于集气站所辖单井众多，所有流程RTU不能同时与站内控制器进行数据通讯，所以井口数据远传系统采用轮巡方式采集集气站所有井口数据，假设气田每座集气站有120口单井，分为60个流程，系统设定每个流程轮巡10 s采集数据，如此，一个集气站的所有流程RTU轮巡周期约为10 min，即每10 min所有井口数据更新一次，相比之前人工现场巡井最高频次每天一次，井口数据的采集刷新频率提高了一百多倍，数据实时性大幅提高，为生产管理提供了可靠依据。

3.4井口安全性提高

气田井口地面工艺以流程为基本单元，每个流程地面管线均安装紧急截断阀，数据远传系统实现了井口紧急截断阀的远程控制功能，并在系统中设定阀门控制指令优先级最高，避免控制指令受到数据轮巡的干扰和阻断，可在突发应急情况下随时对井口进行操作，阀门响应快速灵敏。同时，井口紧急截断阀具备超欠压自动保护功能，即可对阀门设定高低压危险限定值，当实际生产压力超限时，阀门启动自我，实现阀门自动关闭，这样保证了井口的生产安全，降低了井口生产事故发生的风险。

4　结语

井口数据远传系统的建立，实现了井口数据的远程监控以及阀门的远程控制，实现了井口数据的实时性和准确性，满足了作业区日常生产管理的需要。同时，井口数据的远程采集代替了繁重的人工外出巡井，降低了人员的劳动量和劳动强度，节省了大量的劳动力，优化了管理模式，降低了生产运行的成本。人工巡井的减少还降低了外出的交通风险，多方面地降低了生产成本，提高了生产管理效率。但由于井口生产的天然气为未净化的湿气，还有水、凝析油、细沙等杂质，所有井口计量均存在偏差，若要提高井口气量计量精度，则需要对计量仪表进一步选型。

［1］ 王晓宇，等.短波电台无线数据传输网络的组建［J］.现代电子技术，2004，（3）：56-58.

［2］ 沈琪琪，朱德生.短波通讯［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2001.

［3］ 侯磊，等.浅谈怎样实现单井数据远传数字化管理［J］.网络安全技术与应用，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

张向京，男，2004年毕业于中国石油大学（华东）自动化专业，现工作于长庆油田第二采气厂数字化与科技信息中心，从事自动化控制方面的工作，邮箱：zhangxj_cq@petrochina.com.cn。